脉冲电源系统及其控制方法与流程

本申请一般涉及电源技术领域，尤其涉及一种脉冲电源技术及其控制方法。

脉冲电源是独特的技术，其可以将能量压缩成短而强烈的脉冲，以产生强烈的能量输出，而不需要非常大的能量源。脉冲电源已被广泛应用于许多工业领域，如磁共振成像(mri)。

一般来说，mri检查是基于主要磁场，射频(rf)磁场和时变磁梯度场之间的相互作用，关于对象内的核自旋的旋转磁性材料(例如患者)的。用于在mri系统中产生图像的磁场包括由主要磁场磁体产生的高度均匀的静态磁场。一系列梯度场由位于对象周围的一组梯度线圈产生。梯度场在两维或三维中编码单个平面或体积元素(像素或体素)的位置。使用rf线圈来产生rf磁场。该rf磁场扰乱了其平衡方向上的一些陀螺磁核的自旋，导致自旋绕其平衡磁化轴线前进。某些回旋磁材料，如水分子中的氢核，具有响应外部磁场的特性。这些核的旋转的进动可以通过操纵场来对其影响，从而产生可以被检测，处理和用于重建有用图像的rf信号。

在mri系统中，梯度驱动器被配置为激发位于物体周围的梯度线圈，例如患者，以沿着x轴方向，y轴方向和z轴方向产生磁场梯度。时变磁梯度场由具有大动态范围的脉冲电流序列驱动。梯度驱动器通常包括串联和/或并联连接的半导体阵列，其可以被堆叠以驱动更高幅度的脉冲序列。然而，梯形驱动器的典型配置不具有高开关频率和低开关损耗的特点。

技术实现要素：

在一个实施例中，本申请提供了一种脉冲电源系统，其包括级联的至少两个h桥，用于向负载提供脉冲电流，其中每个h桥包括至少两个支路，并且每个支路包括串联连接的至少两个晶体管开关，其中每个晶体管开关包括晶体管和与所述晶体管并联电连接的二极管；和控制器，其被配置为确定负载电流的变化速率是否低于阈值，并且被配置为当变化速率低于阈值时减小开关损耗。

在另一个实施例中，本申请提供了一种脉冲电源系统的控制方法，该系统包括级联的至少两个h桥，用于向负载提供脉冲电流，其中，所述方法包括接收负载电流和参考电流信号，基于负载电流和参考电流信号产生电压指令信号，确定与参考电流信号相关联的负载电流的变化速率和电流幅度，当变化速率低于阈值时，减小开关损耗。

在另一个实施例中，本公开提供了一种mri系统，其包括主场磁体；多个梯度线圈；rf发射线圈；以及脉冲电源系统，包括级联的至少两个h桥，用于向梯度线圈提供脉冲电流，其中每个h桥包括至少两个支路，并且每个支路包括串联连接的至少两个晶体管开关，其中每个晶体管开关包括晶体管和与晶体管并联连接的二极管；和控制器，其被配置为确定梯形线圈中的负载电流的变化速率是否低于阈值，并且被配置为当变化速率低于阈值时减小开关损耗。

附图说明

通过参照附图阅读以下详细描述，本发明的这些和其它特征、方面及优点会变得更好理解，在附图中，相似的元件标号在全部附图中用于表示相似的部件，其中：

图1是根据本公开的实施例的mri系统的示意图；

图2是根据本公开的实施例的脉冲电源系统的示意图；

图3是根据本公开的实施例的脉冲电源电路的示意图；

图4是根据本公开的实施例的梯度线圈的负载电流的示意图；

图5是根据本公开的另一个实施例的脉冲电源电路的示意图；

图6是根据本公开的另一个实施例的脉冲电源电路的模块的示意图；

图7是根据本公开的一个实施例的脉冲电源系统的控制方法流程图；

图8是根据本公开的另一个实施例的脉冲电源系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所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。本说明书以及权利要求书中所使用的“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。“或”等词语表示包括性的，并且是指所列出的项目中的一个或全部。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”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，而是可以包括电性的连接或偶联，不管是直接的还是间接的。

本发明的实施例在这里可依据功能组件和多种处理步骤描述。应当理解的是，这些功能组件可通过配置任意数量的硬件、软件和/或固件组件以实现特定功能。例如，本发明的实施例可使用多种集成电路组件，如记忆元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表或类似的，其可在一个或多个微处理器或其他控制设备的控制下，执行控制器的多种功能。另外，本发明的具体实施方式可以与现实中任意数量的数据传输协议相结合。此外，这里所述的系统仅仅阐述了一种典型实施例。

参考图1，磁共振成像系统10示意性地示出为包括扫描器12和控制系统14，它们一起用于获取磁共振数据并产生感兴趣对象的图像。虽然mri系统10可以包括任何合适的扫描器或检测器，但是在所示实施例中，系统10包括全身扫描仪12，其具有壳体20，通过该壳体形成孔22。台24可移动到孔22中以允许患者26放置在其中以对患者内的选定的解剖结构进行成像。

扫描器12包括一系列相关联的线圈，用于产生用于激发被成像对象的解剖结构内的回旋磁性材料的受控磁场。具体地，提供初级磁体线圈28用于产生与孔22大致对准的初级磁场。在所示实施例中，主电源40向初级磁场线圈28提供电力。一系列梯度线圈30,32，和34，其全部或部分可由本文所述的梯度驱动器控制，允许在检查期间产生受控磁梯度场以便给出在患者26内的特定陀螺磁核的位置编码。

提供射频(rf)线圈36，并且被配置为产生用于激励患者内的某些陀螺磁核的射频脉冲。除了可能位于扫描器12的线圈之外，系统10还包括被配置用于放置在患者26的近侧(例如，抵靠)的接收线圈38(例如，线圈阵列)。接收线圈38可以具有任何几何形状，包括封闭和单面几何形状。作为示例，接收线圈38可以包括颈/胸/腰(ctl)线圈，头部线圈，单侧脊线圈等。通常，接收线圈38放置在患者26附近或顶部，以便接收由患者26内的某些回旋磁核产生的弱rf信号(相对于由扫描器线圈产生的发射脉冲较弱)当回旋磁核回到轻松的状态的时候。接收线圈38可以被关闭，以便不接收或共振由扫描器线圈产生的发射脉冲，也可以被接通，以便接收或谐振由松弛回旋磁核产生的rf信号。

扫描器12包括被配置为激发梯度线圈的梯度驱动器42。控制系统14协调扫描器12以进行功能操作，存储获取的图像数据进行重建，并创建被扫描的材料的图像。应当注意，所描述的mri系统仅仅是示例性的，并且也可以使用其他系统类型，诸如所谓的“开放”mri系统。类似地，这样的系统可以通过其主磁体的强度来评估，并且可以采用能够执行下面描述的数据采集和处理的任何适当额定的系统。

在磁共振成像(mri)系统中，梯度驱动器被配置为激发位于物体周围的梯度线圈，例如患者，以沿着x轴方向，y轴方向和z轴方向产生磁场梯度，轴方向。为了在短时间内产生足够的梯度磁场，需要设计梯度驱动器以驱动大电流(大于1000a)和高电压(大于2000v)。同时，也需要高开关频率来减小输出滤波器的尺寸并提高控制带宽。新型宽带隙sic器件(如mosfet)可提供超越现有技术的si基igbt的多种优势。与类似额定的si对应物相比，sicmosfet实现了更低的导通电阻和更快的开关速度。然而，即使sic器件的开关损耗(在较高的电流下)远低于硅器件，sic耗尽电容远高于硅器件，这将使碳化硅梯度驱动器在调节零电流时效率较低。

根据本实施例包括脉冲电源系统44的梯度驱动器42被提供用于脉冲梯度线圈30,32和34。脉冲电源系统的方面将在下面和图2-6中进一步详细讨论。脉冲电源系统也可以用于需要脉冲电源的其他应用的其他行业。用于驱动图1的mr扫描器12的梯度线圈30,32,34的脉冲电源系统44的一个实施例在图1中示意性地示出。如图2所示，一种用于磁共振成像(mri)中的梯度线圈的脉冲电源系统44包括脉冲电源电路84和控制器86。

参见图3，脉冲电源电路84包括级联的至少两个h桥，用于向负载提供脉冲电流，在本实施例中负载为梯度线圈30。如图3所示，每个h桥包括至少两个支路，其为第一支路53和第二支路54。每个支路包括串联连接的至少两个晶体管开关50。每个晶体管开关包括晶体管51和与晶体管并联连接的二极管52，并且二极管被配置为传导电流以在晶体管的源极和漏极两端产生零电压电位。负载连接在第一h桥的第一支路的两个晶体管开关50之间的节点和最后一个h桥的第二支路的两个晶体管开关50之间的节点之间。第一h桥的第二支路的两个晶体管开关50之间的节点连接到下一个h桥的第一支路的两个晶体管开关50之间的节点，等等，直到倒数第二个h桥的第二支路的两个晶体管开关50之间的节点连接到最后一个h桥的第一支路的两个晶体管开关50之间的节点。

晶体管开关的晶体管可以是sic器件或si器件，例如sic金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或simosfet。在一些情况下，一些或全部晶体管开关50可以是绝缘栅双极晶体管(igbt)而不是mosfet。因此，开关50当前被讨论为sicmosfet，应当理解，它们的相关描述旨在指导材料或配置的所有变化，包括但不限于mosfet和igbt。在一个实施例中，与其他mosfet材料(包括si)相比，sicmosfet能够实现更快的开关和降低开关损耗。

负载电流(iload)如图4所示。在ton期间，梯度线圈电流被控制为一定的模式(梯形，三角形，正弦曲线等)。在toff期间，电流幅度和电流变化速率非常小。电流可以在几安培的范围内。电流模式在tr期间重复。

控制器连接到sicmosfet，并且被配置为确定负载电流的变化速率是否低于阈值，并且被配置为当变化速率低于阈值时降低开关损耗。变化速率为负载电流的di/dt。

在一个实施例中，控制器被配置为当负载电流的变化速率不低于阈值时使用第一开关频率，当变化速率低于阈值时使用第二开关频率，其中第二开关频率低于第一开关频率。由于电流变化速率低，我们可以减少带宽，而不会牺牲当前的控制误差。当变化速率不低于阈值时，控制器86控制脉冲电源电路84在第一开关频率下正常工作。该控制器包括控制板，该控制板产生晶体管开关的门极驱动器的控制信号,用于改变晶体管开关的开关频率。

控制器还被配置为接收负载电流和参考电流信号，基于负载电流和参考电流信号产生电压指令信号，并且确定与参考电流信号相关联的负载电流的变化速率和电流幅度。

在另一个实施例中，如图5所示，控制器被配置为确定负载电流的变化速率是否低于阈值，并且负载电流的幅度是否低于预定值，当变化速率低于阈值并且电流幅度低于预定值时，使至少一个h桥进行导通而不进行开关动作，并保持其它h桥的开关状态。当变化速率不低于阈值或负载电流的电流幅度不低于预定值时，控制器86控制脉冲电源电路84正常工作。该控制器包括控制板，该控制板向晶体管开关的门极驱动器产生控制信号，用于控制h桥开启或关闭。

控制器还被配置为接收负载电流和参考电流信号，基于负载电流和参考电流信号产生电压指令信号，并且确定与参考电流信号相关联的负载电流的变化速率和电流幅度。

在另一个实施例中，如图3所示，控制器被配置为确定负载电流的变化速率是否低于阈值，并且负载电流的电流幅度低于预定值，当变化速率低于阈值并且电流幅度低于预定值时，提高负载电流(iload)高于预定值，这样耗尽电容的电荷将被放电到负载而不是通道。当变化速率不低于阈值或负载电流的电流幅度不低于预定值时，控制器86控制脉冲电源电路84正常工作。该控制器包括一个控制板，该控制板产生负载电流的晶体管开关的门极驱动器的控制信号，用于调节负载电流。

控制器还被配置为接收负载电流和参考电流信号，基于负载电流和参考电流信号产生电压指令信号，并且确定与参考电流信号相关联的负载电流的变化速率和电流幅度。

在另一个实施例中，如图3和图6所示，图3中的支路包括并联连接的多个模块55，每个模块包括串联连接的两个sicmosfet开关，并且每个模块的两个sicmosfet开关之间的节点56电连接。控制器被配置为确定负载电流的变化速率是否低于阈值，并且负载电流的幅度低于预定值，当变化速率低于阈值并且电流幅度低于预定值时，使至少一个模块关闭(不进行开关动作)，并且其余的模块保持开关状态。当变化速率不低于阈值或负载电流的电流幅度不低于预定值时，控制器86控制脉冲电源电路84正常工作。控制器包括一个控制板，该控制板产生负载电流的晶体管开关的门极驱动器的控制信号，用于关闭或开启所述模块。例如，对于200a和600v的共享直流链路，并联交换的两个模块的开关损耗为60mj，只有一个模块进行开关动作为46mj。

控制器还被配置为接收负载电流和参考电流信号，基于负载电流和参考电流信号产生电压指令信号，并且确定与参考电流信号相关联的负载电流的变化速率和电流幅度。该控制器分别包括对应于每个模块的多个门极驱动器，以便独立地控制每个模块的开关状态。

参考图7，本公开提供了一种用于磁共振成像(mri)中的梯度线圈的脉冲电源系统控制方法，包括以下步骤：接收负载电流和参考电流信号，基于负载电流和参考电流信号产生电压指令信号，确定与参考电流信号相关联的负载电流的变化速率和电流幅度，当变化速率低于阈值时，减小开关损耗。负载电流的变化速率为di/dt。

如图3所示，降低开关损耗的步骤包括当负载电流的变化速率不低于阈值时使用第一开关频率，以及当变化速率低于阈值时使用低于第一开关频率的第二开关频率。

如图5所示，降低开关损耗包括以下步骤：当负载电流的变化速率低于阈值并且电流幅度低于预定值时，使至少一个h桥导通而不进行开关动作，并保持其余h桥的开关状态。

如图3所示，降低开关损耗的步骤包括当负载电流的变化速率低于阈值并且电流幅度低于预定值时，提高负载电流，使其高于预定值。

如图6所示，降低开关损耗包括以下步骤：当负载电流的变化速率低于阈值并且电流幅度低于预定值时，使至少一个模块关闭(不进行开关动作)和其余模块保持开关动作，其中每个h桥包括至少两条支路，每条支路包括并联连接的多个模块，每个模块包括串联连接的两个sicmosfet开关，并且每个模块的两个sicmosfet开关之间的节点56电连接。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以做出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。