專利名稱：產(chǎn)生用于磁共振成象線圈的連續(xù)任意波形的開關(guān)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及驅(qū)動磁共振成象(MRI)系統(tǒng)的梯度線圈用的開關(guān)放大器，更詳細(xì)地說，涉及能夠產(chǎn)生連續(xù)任意波形的這樣一種放大器。
MRI系統(tǒng)的梯度線圈需要快速變化的大電流以及精確的電流控制。為了達(dá)到快速的電流變化，需要高電壓驅(qū)動，需要高壓、大電流半導(dǎo)體(一般用絕緣柵雙極晶體管，亦即IGBT’s)。電壓較高的器件一般都有較高的開關(guān)損耗，限制了可能達(dá)到的最大開關(guān)頻率。在高的開關(guān)損耗下，使高壓逆變器能夠以足夠高的頻率進(jìn)行開關(guān)以維持精確的電流波形的時間間隔也受到限制。解決辦法一向是加線性放大器，遺憾的是，它引起相對較大的損耗。為了產(chǎn)生梯形的線圈電流，高壓逆變器提供獲得快速的電流上升和下降時間所需的高壓；而在不要求高壓的波形平頂部分期間，線性放大器控制電流。
遺憾的是，如上所述，利用線性放大器獲得任意電流波形(例如，非梯形波形)是不實際的，因為損耗太大，以致不允許把這樣的波形維持足夠長的時間，以便允許進(jìn)行高性能的成象。因此，最好提供一個開關(guān)放大器，它減小器件的開關(guān)損耗，并將其分散，使得任意波形能夠維持較長的時間，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的先進(jìn)的成象。
用于產(chǎn)生任意梯度線圈波形的開關(guān)放大器包括高頻、降低電壓的降壓(buck)調(diào)節(jié)器，后者包括電壓相對較低的和快速的開關(guān)器件，它控制向全橋式逆變器饋送高壓的高壓總線。需要高壓時，降低電壓的降壓電路執(zhí)行開關(guān)操作，以控制該線圈的電流。而當(dāng)需要低壓時，高壓全橋式逆變器執(zhí)行開關(guān)操作，將低壓直流總線加于其輸入端。這樣，開關(guān)損耗由降壓調(diào)節(jié)器和橋式逆變器分擔(dān)，并減到最小。結(jié)果，實現(xiàn)了高頻操作，使得能夠產(chǎn)生任意線圈波形，供先進(jìn)的成象技術(shù)、諸如那些使用螺旋形軌跡的技術(shù)使用。另外，通過控制可變輸入電源以便調(diào)整輸入總線電壓來實現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化和減小梯度線圈中的紋波電流。


圖1示意地舉例說明獲得高壓和相對較高的開關(guān)頻率用的4個堆疊的全橋式放大器；圖2示意地舉例說明與圖1類似但采用較高電壓的IGBT的系統(tǒng)；圖3示意地舉例說明梯度放大器開關(guān)雙電平總線電路；圖4示意地舉例說明按照本發(fā)明最佳實施例的梯度放大器、開關(guān)可變總線電路；圖5用曲線舉例說明在轉(zhuǎn)換速率要求較高的放大器輸出電壓的正弦波形輸出的情況下圖4降壓調(diào)節(jié)器和橋式逆變器的開關(guān)時間；圖6以曲線舉例說明在梯形梯度電流波形的情況下降壓調(diào)節(jié)器和橋式逆變器的開關(guān)時間；圖7以曲線舉例說明在按照本發(fā)明最佳實施例的梯度線圈中逆變器橋臂的開關(guān)頻率如何乘以4。
圖8示意地舉例說明多相部分電壓降壓調(diào)節(jié)器；而圖9示意地舉例說明本發(fā)明的梯度放大器、開關(guān)可變總線電路的替代實施例。
圖1表示用來獲得高壓和相對較高的開關(guān)頻率的、適合于驅(qū)動MRI系統(tǒng)中梯度線圈的傳統(tǒng)開關(guān)放大器系統(tǒng)。如圖所示，4個全橋式D類開關(guān)放大器10-13與驅(qū)動MRI系統(tǒng)中的梯度線圈22的線性放大器20串聯(lián)堆疊，其中每一個所述開關(guān)放大器包括4個開關(guān)器件15-18。在典型的情況下，向放大器饋電的直流總線可為400Vdc(伏直流)的數(shù)量級，這提供1600V(伏)的總的高電壓驅(qū)動。開關(guān)時，每個橋路相對于相鄰的橋路都相移45度，實際上單個橋路的開關(guān)頻率乘以8。例如，若每一個橋路以31.25kHz(千赫)的頻率開關(guān)，則有效線圈紋波頻率為250kHz。該橋控制高轉(zhuǎn)換速率電流轉(zhuǎn)換，而串聯(lián)的線性放大器控制梯度電流波形的低轉(zhuǎn)換速率部分。
圖2表示與圖1類似的系統(tǒng)，但利用新型的電壓較高的IGBT，因而只需要兩個串聯(lián)的D類橋式放大器30和32。假定使用同類驅(qū)動裝置，圖2系統(tǒng)可以達(dá)到的轉(zhuǎn)換速率是圖1的一半，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對于大部分MRI應(yīng)用而言已經(jīng)足夠，因為較高的轉(zhuǎn)換速率可能導(dǎo)致不希望有的病人的神經(jīng)刺激。結(jié)果，成本較低的圖2系統(tǒng)已經(jīng)普遍應(yīng)用于使用梯形梯度電流波形的成象序列。圖1和圖2的系統(tǒng)可以產(chǎn)生某些任意電流波形，但因為大的開關(guān)損耗和伴隨的半導(dǎo)體器件溫升，長時間維持這樣的波形卻不實際。
圖3表示在梯形波形平頂部分期間、亦即在不需要高電壓的地方使用的單步驟中降低直流總線電壓的系統(tǒng)。圖3的系統(tǒng)包括每一個全橋式放大器30和32的輸入端上的開關(guān)雙電平總線電路33。每一個開關(guān)雙電平總線33包括開關(guān)器件38和40的半橋式連接。當(dāng)放大器要求低電壓時，器件38截止，而器件40導(dǎo)通。橋式開關(guān)損耗可以降低，因為這些損耗大體上與向其提供的直流總線電壓成正比。圖3的放大器在美國專利No.5,663,647中有描述，而且一般稱作梯度放大器開關(guān)雙電平總線。采用這樣的系統(tǒng)，可以省去附加高損耗的線性放大器，在梯形電流波形的平頂部分期間也可以維持精確的電流控制。但是，這種系統(tǒng)只是針對梯形波形優(yōu)化的。對于任意波形，諸如比較先進(jìn)的螺旋形成象技術(shù)用的正弦波形，對于波形的大部分來說，高壓總線都必須保持連接，導(dǎo)致高的開關(guān)損耗。因而，由于IGBT開關(guān)損耗過大，無法長時間維持任意波形。
圖4舉例說明按本發(fā)明最佳實施例的用來產(chǎn)生任意梯度線圈波形的開關(guān)放大器50。在圖4的實施例中，兩個全橋式D類開關(guān)放大器52和54串聯(lián)。開關(guān)放大器52和54各自包括開關(guān)器件56-59。借助范圍可達(dá)750Vdc(伏直流)的絕緣直流總線電壓VA和VB向開關(guān)放大器供電。絕緣直流總線電壓各自由雙向降壓變換器46提供。每一個降壓變換器從線路接口電源55(P1)獲得其直流總線電壓。每一個電源和降壓變換器組合都包括可變總線調(diào)節(jié)器56。在圖4中開關(guān)器件控制裝置用方框70表示。降壓調(diào)節(jié)器輸出端的濾波器72包括電感74和電容76，用來使電流平滑化。
與整個總線電壓V1+V2(例如，800Vdc的數(shù)量級)相比，只需把降壓調(diào)節(jié)器中的開關(guān)器件(60，62)的額定電壓定為直流總線電壓V1(例如，400-500Vdc的數(shù)量級)。結(jié)果，降壓調(diào)節(jié)器中可以使用電壓較低的開關(guān)器件。事實上，750Vdc總線是由額定只有400Vdc的降壓調(diào)節(jié)器控制的，故此這里將其稱作“部分電壓”降壓調(diào)節(jié)器。若使用相同類型的器件，則可以用于該降壓調(diào)節(jié)器的600V(伏)IGBT的開關(guān)損耗，例如，一般僅為用于全橋式開關(guān)放大器的1200VIGBT的1/3。另外，新型的較高速的600VIGBT(器件60和62)將開關(guān)損耗降為老式較高壓的器件的1/8。正如后面將要解釋的，本發(fā)明運用降低電壓的降壓調(diào)節(jié)器中電壓較低的開關(guān)器件的明顯較低的開關(guān)損耗。
按照本發(fā)明的最佳實施例，通過由控制裝置70適當(dāng)?shù)乜刂撇糠蛛妷航祲赫{(diào)節(jié)器，直流總線電壓VA和VB在V2和V1+V2之間迅速變化。大部分脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)都利用電壓較低的降壓調(diào)節(jié)器器件完成。例如，若線圈需要400V和750V之間的電壓電平，則利用降壓調(diào)節(jié)器開關(guān)器件60和62調(diào)節(jié)電壓，它們不是像全橋式放大器執(zhí)行開關(guān)操作的情況那樣開關(guān)750Vdc，而是開關(guān)400Vdc的直流總線。對于電壓較高的輸出要求，控制裝置70簡單地使輸出橋路進(jìn)行開關(guān)，以便向線圈提供適當(dāng)極性的電壓，因此只承擔(dān)可忽略的開關(guān)損耗。因為電壓VA(和VB)不能降低到V2(例如，400V)以下，所以當(dāng)需要這些較低的電壓時，輸出橋路開始以脈寬調(diào)制(PWM)方式切換。這時，輸入降壓調(diào)節(jié)器不切換，因而不產(chǎn)生任何開關(guān)損耗，但是輸出橋路以降低后的直流總線電壓(例如，V2＝400Vdc)切換。因為開關(guān)損耗大體上與直流總線電壓成正比，所以在降低后的總線電壓下輸出橋路的開關(guān)損耗顯著較低。通過以這樣的方式控制整個放大器，開關(guān)損耗就會減小，并被分散在幾個器件上。
例如，在圖4的實施例中，典型的梯度線圈電感約1mH(毫亨)，可以獲得1500A/mSec(安培/毫秒)的梯度線圈電流變化速率(di/dt)。對于典型的85A/Gauss/cm(安培/高斯/厘米)的線圈增益，所得梯度場轉(zhuǎn)換速率(亦即，di/dt被線圈增益除)約為176Tesla/m/sec(泰斯拉/米/秒)。120Tesla/m/sec的典型最大轉(zhuǎn)換速率足以使750Vdc提供克服梯度線圈電感和電阻變化的余量。
圖5表示在正弦波輸出的情況下，什么時候圖4的降壓調(diào)節(jié)器和橋路以需要較高的放大器輸出電壓的轉(zhuǎn)換速率執(zhí)行開關(guān)操作。假定V1＝V2＝400Vdc，當(dāng)需要400V以上的輸出電壓時，器件60(Qa)和62(Rb)以PWM方式切換，而同時輸出橋路只選擇加到梯度線圈上的極性；就是說，輸出橋路不進(jìn)行PWM切換。當(dāng)需要400V以下的輸出電壓時，器件Qb大部分時間仍舊把V2加到橋式輸出總線VA，而這些橋式器件以PWM方式切換，以調(diào)節(jié)輸出電壓。電壓較低的器件(60，62)在需要高壓時執(zhí)行開關(guān)操作；而在需要低的輸出電壓時，高壓器件執(zhí)行開關(guān)操作，但有利的是施加低的總線電壓。不僅高壓器件利用施加低電壓的總線進(jìn)行開關(guān)，這有利地產(chǎn)生低開關(guān)損耗的結(jié)果，而且較高電壓器件的PWM切換時間的百分比僅約為1/3，亦即對于圖解說明的例子為180°中的60°。
圖6表示梯形梯度電流波形的情況。當(dāng)需要大于V2的電壓時，器件60(Qa)和62(Qb)執(zhí)行開關(guān)操作，而當(dāng)需要低于V2的電壓時，所述橋路執(zhí)行開關(guān)操作。
另外，可以通過讓器件Qb保持導(dǎo)通(例如，在梯形波形的平頂部分期間)而直接把電壓V2加到線圈上，在這種情況下可以直接控制線圈電流，使得無須任何器件進(jìn)行開關(guān)。這導(dǎo)致放大器開關(guān)損耗為零。
由可以控制的可變的線路接口電源提供電壓V1和V2。這樣，對于給定的成象序列，V1和V2可以或者成比例地或者單獨地改變，以便達(dá)到可能最佳的性能。
按照本發(fā)明的開關(guān)放大器電路的優(yōu)點是可以獲得相對較高的開關(guān)頻率，這可以導(dǎo)致低的梯度線圈紋波電流和精確的電流控制。結(jié)果，諸如圖1和2電路所用的線性放大器就不必要了。
圖7表示在梯度線圈上橋臂(例如，Q1和Q2)的開關(guān)頻率如何乘以4。就是說，由于全橋式的緣故開關(guān)頻率乘以2，并且，由于兩橋路之間有180°相移的緣故所述開關(guān)頻率再乘以2。例如，若橋式器件以31.25kHz開關(guān)，則等效輸出開關(guān)頻率為125kHz。這種相對較高的頻率，結(jié)合高頻輸出LC濾波器，產(chǎn)生加在梯度線圈上的低的紋波電流。對于梯形電流，諸如圖6所舉例說明的，可以通過調(diào)整輸入電源把電壓V2控制為精確數(shù)值(使該橋可以工作在50％的占空比上)。在這種情況下，產(chǎn)生非常低的輸出紋波，理論上為0。若輸入電源把電壓V2的電壓調(diào)整為克服功率變換器和梯度線圈中的導(dǎo)通損耗所必要的數(shù)值，則在梯形電流波形的平頂部分期間，也可以有效地消除輸出電流紋波。這種方法提供了既在降壓調(diào)節(jié)器上又在輸出橋上基本上消除開關(guān)損耗的額外好處，因為在波形的平頂部分期間它們?nèi)歼B續(xù)導(dǎo)通。
輸入電源56(P1)可以是任何適當(dāng)布局的軟性開關(guān)電源，諸如相移過渡諧振橋，諸如美國專利No.4,864,479所描述的，或者作為替代方案，串聯(lián)諧振變換器。除此之外，這些示范性的軟開關(guān)電源中的任何一種都會提供適用于這里所描述的應(yīng)用的快速響應(yīng)、低的開關(guān)損耗、高效率的電源。另外，若有必要，這些示范電源可以向輸入的交流線路提供高的功率因數(shù)。
如上所述，若兩個橋路彼此相移180°，則降低電壓的降壓調(diào)節(jié)器開關(guān)頻率亦乘以2。因為降壓調(diào)節(jié)器中的器件具有比輸出橋器件低的開關(guān)損耗，所以降壓調(diào)節(jié)器器件可以在高頻下工作。例如，若降壓調(diào)節(jié)器工作在62.5kHz，則產(chǎn)生125kHz的等效輸出開關(guān)頻率，剛好和輸出橋路一樣。
圖8舉例說明按照本發(fā)明最佳實施例，N個降壓調(diào)節(jié)器可以接成多相連接。運里，N個開關(guān)調(diào)節(jié)器以彼此有360°/N的相位差的形式工作，以便獲得N*f的等效開關(guān)頻率。若兩個降壓調(diào)節(jié)器彼此相對相移，則開關(guān)頻率還要乘以2。包括并聯(lián)耦合的功率較低的調(diào)節(jié)器的多相降壓調(diào)節(jié)器乃是單一模塊中并聯(lián)獨立器件的一個替代方案。
圖9舉例說明梯度放大器開關(guān)可變總線電路的替代的實施例。具體地說，圖9與圖4的差別在于省去了每一個降壓調(diào)節(jié)器的輸出濾波器72。圖9電路的操作與上述圖4的類似，其中，濾波器72的功能由輸出濾波器80完成，每一個濾波器80包括電感82和電容84，并與梯度線圈結(jié)合。
盡管這里已經(jīng)顯示和描述了本發(fā)明的最佳實施例，但是顯然，這樣的實施例只是作為例子提供的。在不脫離這里的本發(fā)明的情況下本專業(yè)的技術(shù)人員可以提出許許多多變化、改變和替換。因此，我們的意圖是本發(fā)明只受后附的權(quán)利要求書的精神和范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)放大器，它包括至少兩個隔離的直流輸出電壓總線；輸入降壓調(diào)節(jié)器，用來控制每一個直流輸出電壓總線，所述輸入降壓調(diào)節(jié)器與同第二輸入電壓總線串聯(lián)的第一輸入電壓總線并聯(lián)耦合，所述第一和第二輸入電壓總線適合于耦合到輸入電源，在正常運行期間，每一個直流輸出電壓總線上的所述電壓都大于所述第二輸入電壓總線上的所述電壓；橋式逆變器，它耦合到每一個直流輸出電壓總線，以便向負(fù)載提供電壓；開關(guān)控制裝置，用來控制所述輸入降壓調(diào)節(jié)器，以便對高于閾值電壓的負(fù)載電壓執(zhí)行開關(guān)操作，并用來控制橋式逆變器，以便對低于所述閾值的負(fù)載電壓執(zhí)行開關(guān)操作。
2.權(quán)利要求1的開關(guān)放大器，其特征在于所述隔離的電壓總線包括可變電壓總線。
3.權(quán)利要求1的開關(guān)放大器，其特征在于所述開關(guān)控制裝置控制所述輸入降壓調(diào)節(jié)器和所述橋式逆變器以PWM方式執(zhí)行開關(guān)操作。
4.權(quán)利要求1的開關(guān)放大器，其特征在于所述降壓調(diào)節(jié)器耦合接收來自可變輸入電源的功率。
5.權(quán)利要求4的開關(guān)放大器，其特征在于所述可變輸入電源包括高功率因數(shù)電源。
6.權(quán)利要求1的開關(guān)放大器，其特征在于所述橋式逆變器彼此相對相移。
7.權(quán)利要求1的開關(guān)放大器，其特征在于所述輸入降壓調(diào)節(jié)器包括多相降壓調(diào)節(jié)器。
8.權(quán)利要求1的開關(guān)放大器，其特征在于所述輸入降壓調(diào)節(jié)器包括其電壓額定值等于所述橋式逆變器電壓額定值一部分的部分電壓降壓調(diào)節(jié)器。
9.權(quán)利要求1的開關(guān)放大器，其特征在于所述橋式逆變器占空比約為50％。
10.權(quán)利要求1的開關(guān)放大器，其特征在于在所述使降壓調(diào)節(jié)器或所述橋式逆變器中無開關(guān)器件的情況下，所述開關(guān)控制裝置控制所述第二電壓總線，以便把所述第二電壓總線上的電壓直接加到負(fù)載上。
11.權(quán)利要求1的開關(guān)放大器，其特征在于還包括濾波裝置，用來使提供給負(fù)載的電流平滑化。
12.權(quán)利要求11的開關(guān)放大器，其特征在于所述濾波裝置包括耦合到每一個降壓調(diào)節(jié)器的輸出濾波器。
13.權(quán)利要求11的開關(guān)放大器，其特征在于所述濾波裝置包括耦合到每一個橋式逆變器的輸出濾波器。
全文摘要
部分電壓降壓調(diào)節(jié)器控制通往全橋式電路的高壓總線,使得總的開關(guān)損耗減小并分散開來。需要高的輸出電壓時低電壓降壓調(diào)節(jié)器器件執(zhí)行PWM方式開關(guān)操作,而需要低的輸出電壓時高壓橋式器件執(zhí)行PWM方式開關(guān)操作?？梢砸愿吖β室驍?shù)方式工作的可變輸入電源可以調(diào)節(jié)輸入總線電壓,以便獲得給定的磁共振成象序列的最優(yōu)性能。
文檔編號H03F3/217GK1247319SQ99118609
公開日2000年3月15日 申請日期1999年9月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月4日
發(fā)明者R·L·斯特格瓦德, W·F·沃思, L·D·斯特瓦諾維克, J·N·帕克 申請人:通用電氣公司