[发明专利]产生用于磁共振成象线圈的连续任意波形的开关放大器

说明书

本发明一般地涉及驱动磁共振成象(MRI)系统的梯度线圈用的开关放大器，更详细地说，涉及能够产生连续任意波形的这样一种放大器。

MRI系统的梯度线圈需要快速变化的大电流以及精确的电流控制。为了达到快速的电流变化，需要高电压驱动，需要高压、大电流半导体(一般用绝缘栅双极晶体管，亦即IGBT’s)。电压较高的器件一般都有较高的开关损耗，限制了可能达到的最大开关频率。在高的开关损耗下，使高压逆变器能够以足够高的频率进行开关以维持精确的电流波形的时间间隔也受到限制。解决办法一向是加线性放大器，遗憾的是，它引起相对较大的损耗。为了产生梯形的线圈电流，高压逆变器提供获得快速的电流上升和下降时间所需的高压；而在不要求高压的波形平顶部分期间，线性放大器控制电流。

遗憾的是，如上所述，利用线性放大器获得任意电流波形(例如，非梯形波形)是不实际的，因为损耗太大，以致不允许把这样的波形维持足够长的时间，以便允许进行高性能的成象。因此，最好提供一个开关放大器，它减小器件的开关损耗，并将其分散，使得任意波形能够维持较长的时间，从而能够实现高性能的先进的成象。

用于产生任意梯度线圈波形的开关放大器包括高频、降低电压的降压(buck)调节器，后者包括电压相对较低的和快速的开关器件，它控制向全桥式逆变器馈送高压的高压总线。需要高压时，降低电压的降压电路执行开关操作，以控制该线圈的电流。而当需要低压时，高压全桥式逆变器执行开关操作，将低压直流总线加于其输入端。这样，开关损耗由降压调节器和桥式逆变器分担，并减到最小。结果，实现了高频操作，使得能够产生任意线圈波形，供先进的成象技术、诸如那些使用螺旋形轨迹的技术使用。另外，通过控制可变输入电源以便调整输入总线电压来实现进一步的优化和减小梯度线圈中的纹波电流。

图1示意地举例说明获得高压和相对较高的开关频率用的4个堆叠的全桥式放大器；

图2示意地举例说明与图1类似但采用较高电压的IGBT的系统；

图3示意地举例说明梯度放大器开关双电平总线电路；

图4示意地举例说明按照本发明最佳实施例的梯度放大器、开关可变总线电路；

图5用曲线举例说明在转换速率要求较高的放大器输出电压的正弦波形输出的情况下图4降压调节器和桥式逆变器的开关时间；

图6以曲线举例说明在梯形梯度电流波形的情况下降压调节器和桥式逆变器的开关时间；

图7以曲线举例说明在按照本发明最佳实施例的梯度线圈中逆变器桥臂的开关频率如何乘以4。

图8示意地举例说明多相部分电压降压调节器；而

图9示意地举例说明本发明的梯度放大器、开关可变总线电路的替代实施例。

图1表示用来获得高压和相对较高的开关频率的、适合于驱动MRI系统中梯度线圈的传统开关放大器系统。如图所示，4个全桥式D类开关放大器10-13与驱动MRI系统中的梯度线圈22的线性放大器20串联堆叠，其中每一个所述开关放大器包括4个开关器件15-18。在典型的情况下，向放大器馈电的直流总线可为400Vdc(伏直流)的数量级，这提供1600V(伏)的总的高电压驱动。开关时，每个桥路相对于相邻的桥路都相移45度，实际上单个桥路的开关频率乘以8。例如，若每一个桥路以31.25kHz(千赫)的频率开关，则有效线圈纹波频率为250kHz。该桥控制高转换速率电流转换，而串联的线性放大器控制梯度电流波形的低转换速率部分。

图2表示与图1类似的系统，但利用新型的电压较高的IGBT，因而只需要两个串联的D类桥式放大器30和32。假定使用同类驱动装置，图2系统可以达到的转换速率是图1的一半，但已经发现对于大部分MRI应用而言已经足够，因为较高的转换速率可能导致不希望有的病人的神经刺激。结果，成本较低的图2系统已经普遍应用于使用梯形梯度电流波形的成象序列。图1和图2的系统可以产生某些任意电流波形，但因为大的开关损耗和伴随的半导体器件温升，长时间维持这样的波形却不实际。