以零电压开关及热平衡控制算法运作的开关放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种梯度放大器、开关放大器及其运作方法。
【背景技术】
[0002] 在磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI)装置中，梯度放大器用于激励 设置于成像对象（例如，病人）周围的梯度线圈在X轴、Y轴及Z轴方向上产生磁场梯度。 典型地，梯度放大器为由功率半导体开关构成的开关电源，该功率半导体开关可以是绝缘 栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor, IGBT)、金属氧化物半导体场效应 晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, M0SFET)等等。为了控 制梯度放大器所产生的电源，上述功率半导体开关通常操作于脉冲宽度调制（pulse width modulation, PffM)方法。
[0003] 然而，该脉冲宽度调制方法会导致快速的电压时间变化率（dv/dt)或电流时间变 化率（di/dt)，使得梯度放大器产生较多的高频谐波成分。上述高频谐波成分可能会对MRI 装置中的射频线圈所接收到的射频信号造成干扰，进而导致MRI装置的成像品质下降。上 述高频谐波成分被定义为差模电磁噪声及共模电磁噪声。
[0004] 因此，需要提供一种新的梯度放大器以降低上述电磁噪声。
【发明内容】
[0005] 现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是 本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反， 该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。
[0006] 本发明的一个方面，在于提供一种开关放大器，其包括：
[0007] 多个级联单元，串联连接于负载的两端；每个级联单元包括两个电桥电路，每个电 桥电路包括感性负载及至少两个桥臂电路，每个桥臂电路由电子开关组成；该感性负载电 耦合于该至少两个桥臂电路中的一者的第一桥臂端与该至少两个桥臂电路中的另一者的 第二桥臂端之间；每个电子开关与二极管并联连接；
[0008] 该第一桥臂端的第一桥臂电压相对于第二桥臂端的第二桥臂电压具有相移，该相 移用于使感性负载存储能量并产生用于足够导通对应二极管的最小环路电流-Imin或 Imin ;当对应二极管导通电流时，每个电子开关被设置成开通状态以实现零电压开关；
[0009] 该最小环路电流-Imin或Imin为恒定值。
[0010] 本发明的另一个方面，在于提供一种控制开关放大器运作的方法，该开关放大器 包括多个级联单元，每个级联单元包括两个电桥电路，该方法包括：
[0011] 将该多个级联单元串联连接于负载的两端；
[0012] 提供感性负载及至少两个桥臂电路于每个电桥电路内，每个桥臂电路由电子开关 组成；
[0013] 将感性负载电耦合于该至少两个桥臂电路中的一者的第一桥臂端与该至少两个 桥臂电路中的另一者的第二桥臂端之间；
[0014] 将每个电子开关与二极管并联连接；
[0015] 设置第一桥臂端的第一桥臂电压相对于第二桥臂端的第二桥臂电压具有相移，该 相移用于使感性负载存储能量并产生用于足够导通对应二极管的最小环路电流-Imin或 Imin ；
[0016] 当对应二极管导通电流时，控制每个电子开关呈开通状态以实现零电压开关；
[0017] 该最小环路电流-Imin或Imin为恒定值。
[0018] 本发明的另一个方面，在于提供一种梯度放大器，其包括：
[0019] 多个级联单元，串联连接于梯度线圈的两端；每个级联单元包括两个电桥电路，每 个电桥电路包括感性负载及至少两个桥臂电路，每个桥臂电路由电子开关组成；该感性负 载电耦合于该至少两个桥臂电路中的一者的第一桥臂端与该至少两个桥臂电路中的另一 者的第二桥臂端之间；每个电子开关与二极管并联连接；
[0020] 该第一桥臂端的第一桥臂电压相对于第二桥臂端的第二桥臂电压具有相移，该相 移用于使感性负载存储能量并产生用于足够导通对应二极管的最小环路电流-Imin或 Imin ;当对应二极管导通电流时，每个电子开关被设置成开通状态以实现零电压开关；
[0021] 该最小环路电流-Imin或Imin为恒定值。
[0022] 本发明提供的梯度放大器、开关放大器及其运作方法，由于梯度放大器或开关放 大器中的全部或部分电子开关均能实现零电压开通，因此有效地降低了该梯度放大器或开 关放大器通电工作时产生的电磁干扰以及开关损耗。
【附图说明】
[0023] 通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图 中：
[0024] 图1为一种实施方式的开关放大器的电路图，该开关放大器包括多个级联单元。
[0025] 图2为图1所示开关放大器的简化电路图，该开关放大器包括一个级联单元。
[0026] 图3为根据本发明的第一方面示出第一桥臂电压Vl、第二桥臂电压V2与流过第一 电感器及第二电感器的电流之间的关系的电压分布和电流分布。
[0027] 图4为描述图2所示开关放大器中实现零电压开关的占空比和相移的区域的曲线 图。
[0028] 图5为第一桥臂电压VI、第二桥臂电压V2及流过第一电感器的电流Il的波形示 意图。
[0029] 图6为第一桥臂电压VI、第二桥臂电压V2及电桥电压Vpole-Bl的波形示意图。
[0030] 图7为根据本发明的第二方面示出第一桥臂电压Vl、第二桥臂电压V2与流过第一 电感器及第二电感器的电流之间的关系的电压分布和电流分布。
【具体实施方式】
[0031] 以下将描述本发明的【具体实施方式】，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述 过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详 尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工 程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商 业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施 方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂 并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开 揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不 应当理解为本公开的内容不充分。
[0032] 除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发 明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权 利要求书中使用的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而 只是用来区分不同的组成部分。"一个"或者"一"等类似词语并不表示数量限制，而是表示 存在至少一个。"包括"或者"包含"等类似的词语意指出现在"包括"或者"包含"前面的 元件或者物件涵盖出现在"包括"或者"包含"后面列举的元件或者物件及其等同元件，并 不排除其他元件或者物件。"连接"或者"相连"等类似的词语并非限定于物理的或者机械 的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。
[0033] 请参阅图1，其为一种实施方式的开关放大器100的电路图。开关放大器100被配 置成给负载200供电。作为一个非限定的实施例，开关放大器100为磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI)装置中的梯度放大器，负载200为磁共振成像装置中的梯度线 圈。
[0034] 开关放大器100包括多个级联单元KEl ......KEn，多个级联单元KE1、......KEn 的结构大致上相同。具体地，多个级联单元KEl.......KEn串联连接于负载200的两端。 多个级联单元电压U1，…Un被分别分配到多个级联单元KEl.......KEn，使得开关放大器 100产生输出电压Uout，Uout = Ul+…Un，输出电压Uout用于给负载200供电。
[0035] 多个级联单元KE1、......KEn中的每一者包括两个电桥电路Bgl、Bg2,该两个电 桥电路B