CN106772163B - 一种梯度放大器及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种梯度放大器及其调度方法，梯度放大器包括：多个工作半桥组，每个工作半桥组中包括两个工作半桥，每个工作半桥中分别包括两个IGBT，每个工作半桥中一个IGBT的发射极与另一个IGBT的集电极相连；其中，每个工作半桥组中，每个工作半桥内的两个IGBT的连接点之间连接有梯度线圈，使得电源的输出电流流经工作半桥组中的一个工作半桥中的一个IGBT及所述梯度线圈之后，再流经工作半桥组中的另一个工作半桥中的另一个IGBT。本申请通过采用多个半桥作为主要功率器件，由于流经梯度线圈上的电流是经过N路电流的叠加，由此，使得梯度线圈上的工作频率实现叠加，进而减小梯度线圈上流经的电流的纹波。

Description

一种梯度放大器及其调制方法

技术领域

本申请涉及核磁共振技术领域，特别涉及一种梯度放大器及其调制方法。

背景技术

磁共振***主要由磁体、梯度***、射频***、制冷***、重建***及操作***组成。其中，磁体为磁共振成像提供均匀且稳定的主磁场，而梯度***则为磁共振***提供空间编码，它是在主磁场内部通过不同形状的线圈，在X、Y及Z的方向上形成梯度磁场。梯度***主要包括梯度波形发生器、梯度放大器和负载即梯度线圈三部分。

其中，梯度放大器作为驱动线圈的电力电子部件，由能够将电压输入信号转化为输出为电流的高精度受控电流源，根据谱仪输入***的信号通过不同功率变化部分，通过输出滤波生成所需要的电流，既而生成所需的目标梯度磁场。梯度放大器的性能决定了梯度磁场的上升时间、强度、线性度及稳定性等指标，直接影响到成像速度和图像质量。

而现有技术中，梯度放大器在工作时，由于高精度的压控跟随电流源，输出有较大的纹波电流，导致射频干扰成像等问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种梯度放大器及其调制方法，用以解决现有技术中的梯度放大器工作时，输出有较大的纹波电流，导致射频干扰成像的技术问题。

本申请提供了一种梯度放大器，包括：

多个工作半桥组，每个工作半桥组中包括两个工作半桥，每个工作半桥中分别包括两个IGBT(绝缘栅双极型晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor)，每个工作半桥中一个IGBT的发射极与另一个IGBT的集电极相连；

其中，每个工作半桥组中，每个工作半桥内的两个IGBT的连接点之间连接有梯度线圈，使得电源的输出电流流经工作半桥组中的一个工作半桥中的一个IGBT及所述梯度线圈之后，再流经工作半桥组中的另一个工作半桥中的另一个IGBT。

上述梯度放大器，优选的，还包括：

多个组合电感；

其中，所述组合电感连接在每个工作半桥组中每个工作半桥内的两个IGBT的连接点与所述梯度线圈之间。

上述梯度放大器，优选的，还包括：

多个续流半桥组，每个续流半桥组中包括两个续流半桥，每个续流半桥中分别包括两个IGBT，每个续流半桥中一个IGBT的发射极与另一个IGBT的发射极相连；

其中，工作半桥组中，一个工作半桥内的两个IGBT的连接点与续流半桥组中的一个续流半桥中的一个IGBT的集电极相连，该续流半桥的另一个IGBT的集电极与该续流半桥组中另一个续流半桥中的一个IGBT的集电极相连，该续流半桥组中另一个续流半桥中的另一个IGBT的集电极与工作半桥组中另一个工作半桥内的两个IGBT的连接点相连。

上述梯度放大器，优选的，还包括：

工作半桥驱动组件，与工作半桥组中每个工作半桥内的每个IGBT的门极相连，以移相加分频的方式为每个工作半桥提供驱动。

上述梯度放大器，优选的，还包括：

续流半桥驱动组件，与续流半桥组中每个续流半桥内的每个IGBT的门极相连，以移相加分频的方式为每个工作半桥提供驱动。

本申请还提供了一种梯度放大器的调制方法，所述梯度放大器包括多个工作半桥组，每个工作半桥组中包括两个工作半桥，每个工作半桥中分别包括两个IGBT，所述方法包括：

以移相加分频的方式对每个所述工作半桥中的IGBT进行驱动。

上述方法，优选的，所述梯度放大器还包括：多个续流半桥组，每个续流半桥组中包括两个续流半桥，每个续流半桥中分别包括两个IGBT，所述方法还包括：

以移相加分频的方式对每个所述续流半桥中的IGBT进行驱动。

由上述方案可知，本申请提供的一种梯度放大器及其调制方法，通过采用多个半桥对即2*N个半桥作为主要功率器件组成主功率变化部分，而由于流经梯度线圈上的电流是经过N路电流的叠加，由此，使得梯度线圈上的工作频率实现叠加，从而降低整个梯度***中的电压电流应力，进而减小梯度线圈上流经的电流的纹波，减少射频成像的干扰，实现本申请目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种梯度放大器的部分结构示意图；

图2～图7分别为本申请实施例提供的一种梯度放大器的结构示意图；

图8～图13分别为本申请实施例的应用示例图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了的一种梯度放大器，应用于磁共振***的梯度***中，本实施例中的梯度放大器可以包括有以下结构：

多个工作半桥组，如2个、3个或4个或者其他个的工作半桥组，每个工作半桥组中包括两个工作半桥，每个工作半桥中分别包括两个IGBT，而每个工作半桥中一个IGBT的发射极与另一个IGBT的集电极相连，每个工作半桥组中，每个工作半桥内的两个IGBT的连接点之间连接有梯度线圈，使得电源的输出电流流经工作半桥组中的一个工作半桥中的一个IGBT及所述梯度线圈之后，再流经工作半桥组中的另一个工作半桥中的另一个IGBT。

需要说明的是，本实施例中的IGBT由BJT(Bipolar Junction Transistor，双极型三极管)和MOS(metal oxide semiconductor，绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点，具有驱动功率小而饱和压降低的特点。

如图1中的一个工作半桥组所示，半桥s和半桥t组成工作半桥组，半桥s中包括IGBTa和IGBTb，IGBTa的发射极和IGBTb的集电极相连接，半桥t中包括IGBTc和IGBTd，IGBTc的发射极和IGBTd的集电极相连接；IGBTa和IGBTb的连接点连接梯度线圈GC的一端，梯度线圈的另一端连接IGBTc和IGBTd的连接点，电源的正极连接IGBTa和IGBTc的集电极，电源的负极连接IGBTb和IGBTd的发射极，由此电源正极的输出电流流经IGBTa、梯度线圈与IGBTd之后回到电源负极，且电源正极的输出电流流经IGBTc、梯度线圈与IGBTb之后回到电源负极。

基于图1中结构，本实施例中，利用多个组合电感连接在梯度放大器中的IGBT与梯度线圈之间，也就是说，组合电感连接在每个工作半桥组中每个工作半桥内的两个IGBT的连接点与所述梯度线圈之间。如图2中所示，半桥s与梯度线圈之间连接有组合电感x，半桥t与梯度线圈之间连接有组合电感y，A与B分别为两个组合电感的连接端，A与B之间连接有梯度线圈GC，并连接一个电流表I4监测电流。

基于图1中的实现结构，本实施例中可以为梯度放大器中配合续流半桥，共同实现降低电流纹波的目的。具体的，本实施例中设置多个续流半桥组，续流半桥组的数量与工作半桥组的数量相同，即一个续流半桥组配合一个工作半桥组，每个续流半桥组中包括两个续流半桥，每个续流半桥中分别包括两个IGBT，每个续流半桥中一个IGBT的发射极与另一个IGBT的发射极相连。工作半桥组中，一个工作半桥内的两个IGBT的连接点与续流半桥组中的一个续流半桥中的一个IGBT的集电极相连，该续流半桥的另一个IGBT的集电极与该续流半桥组中另一个续流半桥中的一个IGBT的集电极相连，该续流半桥组中另一个续流半桥中的另一个IGBT的集电极与工作半桥组中另一个工作半桥内的两个IGBT的连接点相连。

如图3中一个续流半桥组和一个工作半桥组之间的连接结构所示：

续流半桥p和续流半桥q组成续流半桥组，续流半桥p中包括IGBTe和IGBTf，续流半桥q中包括IGBTg和IGBTh。续流半桥p中，IGBTe的发射极与IGBTf的发射极相连，续流半桥q中，IGBTg的发射极与IGBTh的发射极相连接。工作半桥s内的两个IGBT的连接点r1与续流半桥q中的IGBTh的集电极相连，续流半桥q的IGBTg的集电极与续流半桥p中的IGBTf的集电极相连，续流半桥p中的IGBTe的集电极与工作半桥t内的两个IGBT的连接点r2相连。

进一步的，本实施例中利用驱动组件实现对梯度放大器中半桥的驱动。具体的，本实施例中的梯度放大器还可以包括：工作半桥驱动组件，与工作半桥组中每个工作半桥内的每个IGBT的门极相连，以移相加分频的方式为每个工作半桥提供驱动。

另外，梯度放大器还可以包括：

续流半桥驱动组件，与续流半桥组中每个续流半桥内的每个IGBT的门极相连，以移相加分频的方式为每个工作半桥提供驱动。

如图4中一个续流半桥组和一个工作半桥组的驱动组件的连接结构所示：工作半桥驱动组件包括两个驱动输入端，第一驱动输入端u连接IGBTa的门极和IGBTd的门极，第二驱动输入端v连接IGBTc的门极和IGBTb的门极；续流半桥驱动组件包括两个驱动输入端，第一驱动输入端m连接IGBTe和IGBTg的门极，第二驱动输入端n连接IGBTf和IGBTh的门极。

由此，以工作半桥组的个数和续流半桥组的个数均为N为例，本实施例对半桥经过相应整数倍的360*1/N度移相后，并经过1/N被分频之后，进一步减小梯度线圈上流经电流的纹波，进一步降低射频成像的干扰。

本申请实施例二提供了一种梯度放大器的优选实施例，如图5中所示，考虑到成本等因素，本实施例中，梯度放大器中可以包括4个工作半桥组、8个组合电感、4个续流半桥组及两个半桥驱动组件，具体的，梯度放大器包括：

IGBT34和IGBT35组成一个工作半桥，IGBT33和IGBT36组成一个工作半桥，这两个工作半桥组成一个工作半桥组，180P和180N为这两个工作半桥中IGBT的驱动组件的输入端，180A和180B分别为各自连接的组合电感的连接端，两个组合电感之间连接梯度线圈GC；

IGBT42和IGBT47组成一个工作半桥，IGBT41和IGBT43组成一个工作半桥，这两个工作半桥组成一个工作半桥组，180P180和180N180为这两个工作半桥中IGBT的驱动组件的输入端，180A1和180B1分别为各自连接的组合电感的连接端，两个组合电感之间连接梯度线圈GC；

IGBT3和IGBT6组成一个工作半桥，IGBT1和IGBT4组成一个工作半桥，这两个工作半桥组成一个工作半桥组，P和N为这两个工作半桥中IGBT的驱动组件的输入端，A和B分别为各自连接的组合电感的连接端，两个组合电感之间连接梯度线圈GC；

IGBT10和IGBT11组成一个工作半桥，IGBT9和IGBT12组成一个工作半桥，这两个工作半桥组成一个工作半桥组，P180和N180为这两个工作半桥中IGBT的驱动组件的输入端，A1和B1分别为各自连接的组合电感的连接端，两个组合电感之间连接梯度线圈GC。

IGBT37和IGBT38组成一个续流半桥，IGBT39和IGBT40组成一个续流半桥，这两个续流半桥组成一个续流半桥组，180current-P和180current-N为这两个续流半桥中IGBT的驱动组件的输入端；

IGBT44和IGBT45组成一个续流半桥，IGBT46和IGBT48组成一个续流半桥，这两个续流半桥组成一个续流半桥组，180current-P180和180current-N180为这两个续流半桥中IGBT的驱动组件的输入端；

IGBT2和IGBT5组成一个续流半桥，IGBT8和IGBT7组成一个续流半桥，这两个续流半桥组成一个续流半桥组，current-P和current-N为这两个续流半桥中IGBT的驱动组件的输入端；

IGBT13和IGBT14组成一个续流半桥，IGBT16和IGBT15组成一个续流半桥，这两个续流半桥组成一个续流半桥组，current-P180和current-N180为这两个续流半桥中IGBT的驱动组件的输入端。

如图6中所示，连接端A1、A、180A1、180A、B1、B、180B1、180B与梯度线圈之间均连接有组合电感，中间线路上可以连接电流表，以监测电流：I1、I2、I3、I4、I6、I7、I8、I9、I10。

以下以图7中所示的1个工作半桥组及1个续流半桥组为例，对本实施例中的原理进行说明：

图7中IGBT3和IGBT6组成一个工作半桥，IGBT1和IGBT4组成一个工作半桥，这两个工作半桥组成一个工作半桥组，P和N为这两个工作半桥中IGBT的驱动组件的输入端，A和B分别为各自连接的组合电感的连接端，两个组合电感之间连接梯度线圈GC；且，IGBT2和IGBT5组成一个续流半桥，IGBT8和IGBT7组成一个续流半桥，这两个续流半桥组成一个续流半桥组，current-P和current-N为这两个续流半桥中IGBT的驱动组件的输入端。

图8及图9为以1V/100A的增益的情况下，梯度放大器输入谱仪***假设输入的情况下对应只有2个半桥的输出电流情况。图8中可以看出输出的电流纹波比较大，图9为驱动的时序，可以看到在电流稳态时，分为三个阶段：

第一阶段：电流上升阶段，电源--IGBT3--梯度线圈GC--IGBT4--电源；

第二阶段：电流下降阶段，电源--IGBT1--梯度线圈GC--IGBT6--电源，电压加到线圈上，由于此时梯度线圈GC上的电压正负方向与跟梯度线圈GC在当前的第一阶段中的电流的流动方向相反，因此，会使得梯度线圈GC中的电流下降；

第三阶段：续流阶段，此时电流流向为梯度线圈GC--IGBT2--IGBT5(体二极管)--IGBT8--IGBT7(体二极管)--梯度线圈GC。

当打相反方向电流时一样，分三个阶段：

第一阶段：电流上升阶段，电源—IGBT1-梯度线圈GC—IGBT6-电源；

第二阶段：电流下降阶段，电源—IGBT3-梯度线圈GC—IGBT4-电源，电压加到线圈上，由于此时梯度线圈GC上的电压正负方向与跟梯度线圈GC在当前的第一阶段中的电流的流动方向相反，因此，会使得梯度线圈GC中的电流下降；

第三阶段：续流阶段，此时电流流向为梯度线圈GC—IGBT7-IGBT8(体二极管)--IGBT5-IGBT2(体二极管)--梯度线圈GC。

而如图5中所示的2*N即2*4个半桥，并配上相应的2*N个续流的半桥就可以使整个***功率管的电压电流应力变小，而且使梯度线圈GC上流过的电流纹波更小，使得线圈的损耗更低，加上2*(N-1)个半桥驱动经过原有的2个半桥各相对位置驱动，并经过相应的整数倍的360*1/N度移相后，并且经过1/N倍分频后驱动其他1*(N-1)个和图7对应的功率管上，进一步减小GC上流经的电流纹波。

图5中，P、N、和current-P、current-N的驱动时序和上面的2*1个半桥的驱动时序一样，可以看图9，另外6个半桥组合和相应的续流半桥组合可以在此基础上，进行移相，之后分频，可以看图10，驱动组件的控制器的输出跟三角波进行调制，之后每一路再根据所分配的路来进行分频，之后驱动各路所对应的驱动，图11是谱仪输入***对梯度放大器的输入和对梯度线圈GC输出流过的电流，可以参看图12，I4的电流就是梯度线圈GC的电流，而I6、I7、I8、I9的电流为四个正像半桥(IGBT34、IGBT35)、(IGBT42、IGBT47)、(IGBT3、IGBT6)、(IGBT10、IGBT11)跟梯度线圈GC之间连接的电感的电流波形，图13是流经每个半桥对应的续流半桥的电流，一共有2*4个续流半桥，可以看成每两个续流半桥续流是同一路径，图13是梯度线圈GC的电流和四个续流电流的值，可以看出续流部分的峰值电流只是梯度线圈GC峰值的1/4。

可以看出，在2*N个功率管的工作频率是N*f,而梯度线圈GC上流过的电流经过N路电流叠加，其频率变为f,纹波大大的缩小，使梯度放大器的精度更高，同时由于功率管的工作频率为主频率的1/N，所以开关损耗可以大大的减小。可以看到图11的在相同谱仪***输入下，2*4个半桥为主体的梯度放大器在梯度线圈GC上的电流的纹波小比之前的图8小很多。

采用2*N个半桥和2*N个续流半桥，通过这种方式来驱动梯度线圈，可以使各个功率管的功率密度和电压电流应力大大下降，可以用更小功率密度的功率管来作为梯度放大器的功率器件，同时用这种移相后分频同时配合续流半桥驱动的方式可以使梯度线圈GC上的电流纹波更小，损耗更低，梯度放大器的输出电流精度更高，同时，功率器件工作在很低的工作频率上，开关损耗更小，可靠性更高。

另外，本申请实施例还提供了一种梯度放大器的调制方法，应用于上述实施例中的梯度放大器，用以对梯度放大器中的IGBT进行驱动，具体的，可以以移相加分频的方式对每个所述工作半桥中的IGBT进行驱动，并采用移相加分频的方式对每个所述续流半桥中的IGBT进行驱动。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的一种一种梯度放大器及其调度方法进行了详细介绍，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种梯度放大器，其特征在于，包括：

多个工作半桥组，每个工作半桥组中包括两个工作半桥，每个工作半桥中分别包括两个IGBT(绝缘栅双极型晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor)，每个工作半桥中一个IGBT的发射极与另一个IGBT的集电极相连；

其中，每个工作半桥组中，每个工作半桥内的两个IGBT的连接点之间连接有梯度线圈，使得电源的输出电流流经工作半桥组中的一个工作半桥中的一个IGBT及所述梯度线圈之后，再流经工作半桥组中的另一个工作半桥中的另一个IGBT；

多个续流半桥组，每个续流半桥组中包括两个续流半桥，每个续流半桥中分别包括两个IGBT，每个续流半桥中一个IGBT的发射极与另一个IGBT的发射极相连；

其中，工作半桥组中，一个工作半桥内的两个IGBT的连接点与续流半桥组中的一个续流半桥中的一个IGBT的集电极相连，该续流半桥的另一个IGBT的集电极与该续流半桥组中另一个续流半桥中的一个IGBT的集电极相连，该续流半桥组中另一个续流半桥中的另一个IGBT的集电极与工作半桥组中另一个工作半桥内的两个IGBT的连接点相连。

2.根据权利要求1所述的梯度放大器，其特征在于，还包括：

多个组合电感；

其中，所述组合电感连接在每个工作半桥组中每个工作半桥内的两个IGBT的连接点与所述梯度线圈之间。

3.根据权利要求1所述的梯度放大器，其特征在于，还包括：

工作半桥驱动组件，与工作半桥组中每个工作半桥内的每个IGBT的门极相连，以移相加分频的方式为每个工作半桥提供驱动。

4.根据权利要求1所述的梯度放大器，其特征在于，还包括：

续流半桥驱动组件，与续流半桥组中每个续流半桥内的每个IGBT的门极相连，以移相加分频的方式为每个工作半桥提供驱动。

5.一种梯度放大器的调制方法，其特征在于，所述梯度放大器包括多个工作半桥组，每个工作半桥组中包括两个工作半桥，每个工作半桥中分别包括两个IGBT，所述梯度放大器还包括多个续流半桥组，每个续流半桥组中包括两个续流半桥，每个续流半桥中分别包括两个IGBT，所述方法包括：

以移相加分频的方式对每个所述工作半桥中的IGBT进行驱动；

以移相加分频的方式对每个所述续流半桥中的IGBT进行驱动。