核磁共振成像系统中的梯度放大器研究

摘要

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)技术采用了独特的成像原理，使其可以对生物体内部结构进行成像。相对于其它医学成像技术，MRI对人体无任何危害。因此，磁共振成像设备越来越受到人们的关注。目前，国内的医疗行业发展迅速，有多家公司设计和生产了具有自主知识产权的磁共振成像设备，国产MRI与进口设备的差距正在逐年减小。
　　梯度放大器是MRI扫描仪的核心部件之一，为梯度线圈负载提供驱动电流，负载电流跟随计算机谱仪生成的X轴，Y轴，Z轴三个方向的脉冲序列参考信号，产生梯度磁场，实现主磁场的动态修改。尽管MRI扫描仪已经实现国产化，但梯度放大器仍然完全依赖进口。因此，自主研发适合的梯度放大器对国产MRI的发展具有重要意义。
　　本文详细分析了硬开关并联移相控制梯度放大器的工作原理，并根据MRI扫描仪的需求确定了系统整体方案。通过4路全桥拓扑相移并联的方式，使得梯度放大器的等效开关频率变为原开关频率的4倍，减小了输出电流的纹波。同时，采用内、外双环控制:内环为均流控制，保证了每一个桥臂的输出电流为梯度负载电流的四分之一;外环采用了传统的PWM控制。通过仿真验证了该方案的可行性，最后完成了一台应用于1.5T核磁共振成像仪的梯度放大器样机，样机很好地满足了核磁共振成像仪的指标要求。
　　为了满足输出电流纹波频率的要求，硬开关方案的梯度放大器采用了4路全桥电路并联的方案，这使得梯度放大器的电路拓扑十分庞大复杂，为解决这一问题，本文引入辅助谐振换流极(Auxiliary Resonance Commutated Pole，ARCP)变换器，提出了一种软开关梯度放大器电路拓扑，一定程度上解决了提高开关频率而导致的开关损耗增大的问题，使梯度放大器在减少并联桥路模块数目的情况下满足了输出电流纹波频率的要求。详细分析了ARCP变换器的换流过程，对比分析了传统硬开关半桥电路与ARCP电路的损耗情况，并通过仿真验证软开关方案的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 MRI系统中的梯度放大器研究背景

1．3 本文主要研究内容

第2章 梯度放大器原理分析

2．1 引言

2．2 梯度放大器的工作原理分析

2．2．1 梯度负载分析

2．2．2 全桥式梯度放大器工作原理分析

2．2．3 移相并联梯度放大器工作原理分析

2．2．4 仿真分析

2．3 梯度控制器分析

2．3．1 梯度放大器控制原理分析

2．3．2 控制对象分析

2．3．3 前馈控制原理分析

2．3．4 梯度放大器控制原理框图

2．3．5 仿真分析

2．4 本章小结

第3章 系统硬件设计及实验结果

3．1 高压电源模块

3．2 功率模块主开关管设计

3．2．1 主功率开关管的选型

3．2．2 IGBT开关管的驱动电路设计

3．3 功率模块主开关管控制电路设计

3．3．1 基于CPLD芯片的数字控制器

3．3．2 CPLD控制功能的实现

3．4 实验结果

3．5 本章小结

第4章 软开关梯度放大器分析

4．1 引言

4．2 软开关梯度放大器工作原理分析

4．2．1 软开关梯度放大器功率模块分析

4．2．2 软开关梯度放大器辅助开关管控制

4．2．3 ARCP逆变轴模块换流分析

4．2．4 电源模块损耗分析

4．3 软开关梯度放大器仿真研究

4．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果