(57)【要約】      （修正有）【課題】勾配電源ドライバー段回路、勾配電源システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】勾配電源ドライバー段回路は、勾配コイル及び複数の勾配ドライバーモジュールを備え、複数の勾配ドライバーモジュールは電気的に接続されて出力端子を形成し、出力端子と前記勾配コイルは電気的に接続され、ここで、各勾配ドライバーモジュールは、並列接続される前段電源及びブリッジ増幅器を備え、複数の勾配ドライバーモジュールの前段電源の出力電圧は同じであり、各勾配ドライバーモジュールは、勾配コイル上で誘導性電圧降下及び抵抗性電圧降下を提供するために使用される。【選択図】図３
2019122765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
勾配コイル及び複数の勾配ドライバーモジュールを備え、前記複数の勾配ドライバーモジュールは電気的に接続されて出力端子を形成し、前記出力端子と前記勾配コイルは電気的に接続され、ここで、各勾配ドライバーモジュールは、並列接続される前段電源及びブリッジ増幅器を備え、前記複数の勾配ドライバーモジュールの前段電源の出力電圧は同じであり、各前記勾配ドライバーモジュールは、前記勾配コイル上で誘導性電圧降下及び抵抗性電圧降下を提供するために使用される
勾配電源ドライバー段回路。
【請求項２】
前記複数の勾配ドライバーモジュールのトポロジは同じであり、
前記複数の勾配ドライバーモジュールの制御信号インターフェースは同じである
請求項１に記載の勾配電源ドライバー段回路。
【請求項３】
各ブリッジ増幅器は、１つのフルブリッジ回路を備え、各フルブリッジ回路は、４つのスイッチアセンブリから構成され、
ここで、各フルブリッジ回路の第１のスイッチアセンブリの第２端部と第２のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第１のブリッジアームを構成し、その接続点は第１のブリッジアーム中点であり、各フルブリッジ回路の第３のスイッチアセンブリの第２端部と第４のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第２のブリッジアームを構成し、その接続点は第２のブリッジアーム中点であり、第１のスイッチアセンブリの第１端部及び第３のスイッチアセンブリの第１端部は前段電源の第１の出力端子に電気的に接続され、第２のスイッチアセンブリの第２端部及び第４のスイッチアセンブリの第２端部は前段電源の第２の出力端子に電気的に接続され、
ここで、前記複数の勾配ドライバーモジュールのフルブリッジ回路は直列であり、各フルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は次のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点に直列接続され、直列された最初のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は前記勾配コイルの第１端部に電気的に接続され、最後のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は前記勾配コイルの第２端部に電気的に接続される
請求項１または２に記載の勾配電源ドライバー段回路。
【請求項４】
前記勾配電源ドライバー段回路は、少なくとも１つの結合インダクタンスを備え、各前記ブリッジ増幅器は、第１のフルブリッジ回路及び第２のフルブリッジ回路を備え、前記第１のフルブリッジ回路と前記第２のフルブリッジ回路は並列接続され、前記第１のフルブリッジ回路及び第２のフルブリッジ回路はいずれも４つのスイッチアセンブリから構成され、
ここで、各フルブリッジ回路の第１のスイッチアセンブリの第２端部と第２のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第１のブリッジアームを構成し、その接続点は第１のブリッジアーム中点であり、各フルブリッジ回路の第３のスイッチアセンブリの第２端部と第４のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第２のブリッジアームを構成し、その接続点は第２のブリッジアーム中点であり、
ここで、各ブリッジ増幅器では、第１のフルブリッジ回路と第２のフルブリッジ回路は並列接続され、それらの第１のスイッチアセンブリの第１端部及び第３のスイッチアセンブリの第１端部はいずれも前段電源の第１の出力端子に電気的に接続され、第２のスイッチアセンブリの第２端部及び第４のスイッチアセンブリの第２端部はいずれも前段電源の第２の出力端子に電気的に接続され、
ここで、各ブリッジ増幅器では、第１のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は第１の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線を介して第２のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点に電気的に接続され、第１の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線の接続点はこのブリッジ増幅器に対応する第１のアウトレットであり、第１のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は第２の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線を介して第２のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点に電気的に接続され、第２の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線の接続点はこのブリッジ増幅器に対応する第２のアウトレットであり、
ここで、前記複数の勾配ドライバーモジュールのブリッジ増幅器は直列接続であり、各ブリッジ増幅器に対応する第２のアウトレットは次のブリッジ増幅器に対応する第１のアウトレットに接続され、直列された最初のブリッジ増幅器に対応する第１のアウトレットは前記勾配コイルの第１端部に電気的に接続され、直列された最後のブリッジ増幅器に対応する第２のアウトレットは前記勾配コイルの第２端部に電気的に接続される
請求項１または２に記載の勾配電源ドライバー段回路。
【請求項５】
前記勾配電源ドライバー段回路は、少なくとも１つの結合インダクタンスを備え、各前記ブリッジ増幅器は、第１のフルブリッジ回路及び第２のフルブリッジ回路を備え、前記第１のフルブリッジ回路及び第２のフルブリッジ回路はいずれも４つのスイッチアセンブリから構成され、
ここで、各フルブリッジ回路の第１のスイッチアセンブリの第２端部と第２のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第１のブリッジアームを構成し、その接続点は第１のブリッジアーム中点であり、各フルブリッジ回路の第３のスイッチアセンブリの第２端部と第４のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第２のブリッジアームを構成し、その接続点は第２のブリッジアーム中点であり、
ここで、各ブリッジ増幅器では、第１のフルブリッジ回路と第２のフルブリッジ回路は並列接続され、それらの第１のスイッチアセンブリの第１端部及び第３のスイッチアセンブリの第１端部はいずれも前段電源の第１の出力端子に電気的に接続され、第２のスイッチアセンブリの第２端部及び第４のスイッチアセンブリの第２端部はいずれも前段電源の第２の出力端子に電気的に接続され、
ここで、前記複数の勾配ドライバーモジュールのブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路は直列接続であり、第２のフルブリッジ回路は直列接続であり、各ブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は次のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点に電気的に接続され、各ブリッジ増幅器の第２のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は次のブリッジ増幅器の第２のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点に電気的に接続され、最初のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は第１の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線を介して最初のブリッジ増幅器の第２のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点に電気的に接続され、最初のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は第１の結合インダクタンスの第１の巻線を介して前記勾配コイルの第１端部に電気的に接続され、最後のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は第２の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線を介して最後のブリッジ増幅器の第２のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点に電気的に接続され、最後のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は第２の結合インダクタンスの第１の巻線を介して前記勾配コイルの第２端部に接続される
請求項１または２に記載の勾配電源ドライバー段回路。
【請求項６】
各ブリッジ増幅器は少なくとも１つのフルブリッジ回路を備え、前記フルブリッジ回路は少なくとも１つのスイッチアセンブリを備え、前記スイッチアセンブリは複数のスイッチチューブが並列して形成され、前記勾配ドライバーモジュールの最低スイッチング周波数が第１の閾値より小さい場合、前記勾配電源ドライバー段回路はフィルタをさらに備える
請求項１または２に記載の勾配電源ドライバー段回路。
【請求項７】
前記勾配ドライバーモジュールは、複数の作動勾配ドライバーモジュール及び少なくとも１つの冗長勾配ドライバーモジュールを備え、正常な作動状態では、前記複数の作動勾配ドライバーモジュールは運転するが、少なくとも１つの冗長勾配ドライバーモジュールは運転せず、前記作動勾配ドライバーモジュール内の１つが破損された場合、前記少なくとも１つの冗長勾配ドライバーモジュール内の１つが、破損された作動勾配ドライバーモジュールの代わりに運転する
請求項１〜６のいずれか１項に記載の勾配電源ドライバー段回路。
【請求項８】
コントローラ及び請求項１〜７のいずれか１項に記載の勾配電源ドライバー段回路を備え、前記コントローラは前記勾配電源ドライバー段回路を制御するために使用される
勾配電源システム。
【請求項９】
勾配コイル及び複数の勾配ドライバーモジュールを備える勾配電源ドライバー段回路の制御方法であって、
前記複数の勾配ドライバーモジュールは電気的に接続されて出力端子を形成し、前記出力端子と前記勾配コイルは電気的に接続され、ここで、各勾配ドライバーモジュールは、並列接続される前段電源及びブリッジ増幅器を備え、前記複数の勾配ドライバーモジュールの前段電源の出力電圧は同じであり、各前記勾配ドライバーモジュールは、前記勾配コイル上で誘導性電圧降下及び抵抗性電圧降下を提供するために使用され、前記勾配電源ドライバー段回路は勾配電源システム内に備えられ、前記勾配電源システムは、コントローラをさらに備え、前記コントローラは前記勾配電源ドライバー段回路を制御するために使用され、
前記方法は、
前記複数の勾配ドライバーモジュールを複数のモジュールグループに分け、各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式が同じであるステップと、
各モジュールグループの外部制御命令又は作動状態の変更に応じて、グループ化方式又は各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式を変更するステップと、を含む
勾配電源ドライバー段回路の制御方法。
【請求項１０】
前記コントローラは電流基準信号に基づいて前記勾配電源ドライバー段回路を制御し、前記外部制御命令の変更は、電流基準信号変化率の変更又は電流基準信号振幅の変更を含み、前記作動状態の変更は、前記勾配電源ドライバー段回路の温度変更、スイッチング周波数の変更及び変調方式の変更を含み、
前記グループ化方式は、グループ内のモジュール数又はモジュールの組み合せ方式を含む
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記各モジュールグループの外部制御命令又は作動状態の変更に応じて、グループ化方式又は各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式を変更するステップは、前記勾配電源システムの温度が第１の閾値より高い場合に、すべてのモジュールグループにユニポーラ変調方式を使用して制御するステップを含む
請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記各モジュールグループの外部制御命令又は作動状態の変更に応じて、グループ化方式又は各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式を変更するステップは、前記勾配電源システムの温度が第１の閾値以下である状態で、電流基準制御信号の振幅が第３の閾値以下である状態が継続して第１の時間を超え、又は電流基準信号変化率が第２の閾値より大きい場合に、すべてのモジュールグループが備えるスイッチアセンブリが第１のスイッチング周波数で作動し、電流基準制御信号の振幅がこの第３の閾値より小さい状態が継続してこの第１の時間を超えず、且つ、電流基準信号変化率がこの第２の閾値以下であり、又は電流基準信号変化率がこの第２の閾値以下で、且つ、電流基準制御信号の振幅がこの第３の閾値より大きい場合に、前記すべてのモジュールグループのスイッチング周波数が第２のスイッチング周波数で作動するステップを含む
請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記各モジュールグループの外部制御命令又は作動状態の変更に応じて、グループ化方式又は各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式を変更するステップは、前記勾配電源システムの温度が第１の閾値以下である状態で、電流基準制御信号の振幅が第３の閾値以下である状態が継続して第１の時間を超え、又は電流基準信号変化率が第２の閾値より大きい場合に、すべてのモジュールグループに周波数倍増変調方式を使用し、電流基準制御信号の振幅がこの第３の閾値より小さい状態が継続してこの第１の時間を超えず、且つ、電流基準信号変化率がこの第２の閾値以下であり、又は電流基準信号変化率がこの第２の閾値以下で、且つ、電流基準制御信号の振幅がこの第３の閾値より大きい場合に、すべてのモジュールグループにユニポーラ変調方式を使用するステップを含む
請求項９または１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源技術に関し、特に勾配電源ドライバー段回路、勾配電源システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）技術は、情報量が多く、多方向イメージング、及び高解像度などの多くの利点を有し、したがって、１９８０年の最初の応用以来、ＭＲＩ技術が急速に発展され、臨床疾患診断における重要な手段の１つとして広く応用されている。
【０００３】
勾配電源はＭＲＩイメージャの重要なアセンブリの１つとして、ＭＲＩイメージャ内の勾配コイルを励磁し、磁場勾配を生成して、位置情報を提供するために使用される。イメージング時間を減少し、イメージング品質を確保するために、ＭＲＩシステムは短時間内でコイル上で高解像度、高精度、安定な強い磁場を確立することが要求される。したがって、勾配電源は高圧及び高精度の大電流を出力する能力を具備する必要がある。ここで、核磁気共鳴装置内の勾配コイルは、一般的に長さ２ｍ、直径９０ｃｍの中空インダクタンスである。磁場確立時間をできるだけ短縮するために、磁場の確立時に、インダクタンス内の電流が迅速に設定値に到達するように、コイル内の電流が比較的大きい変化率を有することが要求され、磁場の確立後は、コイル内で必要とする大電流値を精確で安定的に維持する必要があり、このとき、電流変化率は比較的低い。図１の典型的な勾配コイルの励磁電流波形、即ち、台形波を例として、磁場を確立する過程は、台形波の上昇段階及び下降段階に対応し、この段階は電流変化率が極めて高く、磁場が確立された後、電流は極めて高い精度で安定的に設定値を保持し、このとき、電流変化率は極めて低い。したがって、勾配コイルを励磁するための勾配電源は、比較的高い電流変化率を得るために、高圧出力能力が必要とされるとともに、低出力電圧下で、高精度の大電流の出力を維持する能力を有することが必要とされる。
【０００４】
現在、市場の勾配電源は一般的にフルブリッジコンバータ技術を用いている。シリコン系素子の特性に制限され、ほとんどの勾配電源ドライバー段は高低圧ブリッジ直列の構造を使用しているが、このような構造は、発熱が均一せず、素子利用率が低く、信頼度が悪く、システムが複雑で拡張しにくいなどの欠点がある。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、勾配電源ドライバー段回路、勾配電源システム及びその制御方法を提供する。
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、勾配電源ドライバー段回路を提供し、前記勾配電源ドライバー段回路は、勾配コイル及び複数の勾配ドライバーモジュールを備え、前記複数の勾配ドライバーモジュールは電気的に接続されて出力端子を形成し、前記出力端子と前記勾配コイルは電気的に接続され、ここで、各勾配ドライバーモジュールは、並列接続される前段電源及びブリッジ増幅器を備え、前記複数の勾配ドライバーモジュールの前段電源の出力電圧は同じであり、各前記勾配ドライバーモジュールは、前記勾配コイル上で誘導性電圧降下及び抵抗性電圧降下を提供するために使用される。
【０００７】
ここで、前記複数の勾配ドライバーモジュールのトポロジは同じである。
【０００８】
ここで、前記複数の勾配ドライバーモジュールの制御信号インターフェースは同じである。
【０００９】
ここで、前記複数の勾配ドライバーモジュールの前段電源は絶縁型又は非絶縁型回路である。
【００１０】
ここで、前記複数の勾配ドライバーモジュールの前段電源はＤＣ／ＤＣ又はＡＣ／ＤＣ回路である。
【００１１】
ここで、前記複数の勾配ドライバーモジュールの前段電源は絶縁型ＤＣ／ＤＣ回路である。
【００１２】
一実施例では、各ブリッジ増幅器は、１つのフルブリッジ回路を備え、各フルブリッジ回路は、４つのスイッチアセンブリから構成され、ここで、各フルブリッジ回路の第１のスイッチアセンブリの第２端部と第２のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第１のブリッジアームを構成し、その接続点は第１のブリッジアーム中点であり、各フルブリッジ回路の第３のスイッチアセンブリの第２端部と第４のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第２のブリッジアームを構成し、その接続点は第２のブリッジアーム中点であり、第１のスイッチアセンブリの第１端部及び第３のスイッチアセンブリの第１端部は前段電源の第１の出力端子に電気的に接続され、第２のスイッチアセンブリの第２端部及び第４のスイッチアセンブリの第２端部は前段電源の第２の出力端子に電気的に接続され、ここで、前記複数の勾配ドライバーモジュールのフルブリッジ回路は直列であり、各フルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は次のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点に直列接続され、直列された最初のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は前記勾配コイルの第１端部に電気的に接続され、最後のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は前記勾配コイルの第２端部に電気的に接続される。
【００１３】
一実施例では、前記勾配電源ドライバー段回路は、少なくとも１つの結合インダクタンスを備え、各前記ブリッジ増幅器は、第１のフルブリッジ回路及び第２のフルブリッジ回路を備え、前記第１のフルブリッジ回路と前記第２のフルブリッジ回路は並列接続され、前記第１のフルブリッジ回路及び第２のフルブリッジ回路はいずれも４つのスイッチアセンブリから構成され、ここで、各フルブリッジ回路の第１のスイッチアセンブリの第２端部と第２のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第１のブリッジアームを構成し、その接続点は第１のブリッジアーム中点であり、各フルブリッジ回路の第３のスイッチアセンブリの第２端部と第４のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第２のブリッジアームを構成し、その接続点は第２のブリッジアーム中点であり、ここで、各ブリッジ増幅器では、第１のフルブリッジ回路と第２のフルブリッジ回路は並列接続され、それらの第１のスイッチアセンブリの第１端部及び第３のスイッチアセンブリの第１端部はいずれも前段電源の第１の出力端子に電気的に接続され、第２のスイッチアセンブリの第２端部及び第４のスイッチアセンブリの第２端部はいずれも前段電源の第２の出力端子に電気的に接続され、ここで、各ブリッジ増幅器では、第１のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は第１の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線を介して第２のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点に電気的に接続され、第１の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線の接続点はこのブリッジ増幅器に対応する第１のアウトレットであり、第１のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は第２の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線を介して第２のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点に電気的に接続され、第２の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線の接続点はこのブリッジ増幅器に対応する第２のアウトレットであり、ここで、前記複数の勾配ドライバーモジュールのブリッジ増幅器は直列接続であり、各ブリッジ増幅器に対応する第２のアウトレットは次のブリッジ増幅器に対応する第１のアウトレットに接続され、直列された最初のブリッジ増幅器に対応する第１のアウトレットは前記勾配コイルの第１端部に電気的に接続され、直列された最後のブリッジ増幅器に対応する第２のアウトレットは前記勾配コイルの第２端部に電気的に接続される。
【００１４】
一実施例では、前記勾配電源ドライバー段回路は、少なくとも１つの結合インダクタンスを備え、各前記ブリッジ増幅器は、第１のフルブリッジ回路及び第２のフルブリッジ回路を備え、前記第１のフルブリッジ回路及び第２のフルブリッジ回路はいずれも４つのスイッチアセンブリから構成され、ここで、各フルブリッジ回路の第１のスイッチアセンブリの第２端部と第２のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第１のブリッジアームを構成し、その接続点は第１のブリッジアーム中点であり、各フルブリッジ回路の第３のスイッチアセンブリの第２端部と第４のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第２のブリッジアームを構成し、その接続点は第２のブリッジアーム中点であり、ここで、各ブリッジ増幅器では、第１のフルブリッジ回路と第２のフルブリッジ回路は並列接続され、それらの第１のスイッチアセンブリの第１端部及び第３のスイッチアセンブリの第１端部はいずれも前段電源の第１の出力端子に電気的に接続され、第２のスイッチアセンブリの第２端部及び第４のスイッチアセンブリの第２端部はいずれも前段電源の第２の出力端子に電気的に接続され、ここで、前記複数の勾配ドライバーモジュールのブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路は直列接続であり、第２のフルブリッジ回路は直列接続であり、各ブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は次のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点に電気的に接続され、各ブリッジ増幅器の第２のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は次のブリッジ増幅器の第２のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点に電気的に接続され、最初のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は第１の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線を介して最初のブリッジ増幅器の第２のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点に電気的に接続され、最初のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は第１の結合インダクタンスの第１の巻線を介して前記勾配コイルの第１端部に電気的に接続され、最後のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は第２の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線を介して最後のブリッジ増幅器の第２のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点に電気的に接続され、最後のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は第２の結合インダクタンスの第１の巻線を介して前記勾配コイルの第２端部に接続される。
【００１５】
ここで、前記スイッチアセンブリはワイドバンドギャップ素子である。
【００１６】
ここで、各ブリッジ増幅器は少なくとも１つのフルブリッジ回路を備え、前記フルブリッジ回路は少なくとも１つのスイッチアセンブリを備え、前記スイッチアセンブリは複数のスイッチチューブが並列して形成され、前記勾配ドライバーモジュールの最低スイッチング周波数が第１の閾値より小さい場合、前記勾配電源ドライバー段回路はフィルタをさらに備える。
【００１７】
前記勾配ドライバーモジュールは、複数の作動勾配ドライバーモジュール及び少なくとも１つの冗長勾配ドライバーモジュールを備え、正常な作動状態では、前記複数の作動勾配ドライバーモジュールは運転するが、少なくとも１つの冗長勾配ドライバーモジュールは運転せず、前記作動勾配ドライバーモジュール内の１つが破損された場合、前記少なくとも１つの冗長勾配ドライバーモジュール内の１つが、破損された作動勾配ドライバーモジュールの代わりに運転する。
【００１８】
本発明の第２の態様によれば、勾配電源システムを提供し、前記勾配電源システムは、コントローラ及び上記の勾配電源ドライバー段回路を備え、前記コントローラは前記勾配電源ドライバー段回路を制御するために使用される。
【００１９】
本発明の第３の態様によれば、勾配コイル及び複数の勾配ドライバーモジュールを備える勾配電源ドライバー段回路の制御方法を提供し、前記複数の勾配ドライバーモジュールは電気的に接続されて出力端子を形成し、前記出力端子と前記勾配コイルは電気的に接続され、ここで、各勾配ドライバーモジュールは、並列接続される前段電源及びブリッジ増幅器を備え、前記複数の勾配ドライバーモジュールの前段電源の出力電圧は同じであり、各前記勾配ドライバーモジュールは、前記勾配コイル上で誘導性電圧降下及び抵抗性電圧降下を提供するために使用され、前記勾配電源ドライバー段回路は勾配電源システム内に備えられ、前記勾配電源システムは、コントローラをさらに備え、前記コントローラは前記勾配電源ドライバー段回路を制御するために使用され、前記方法は、前記複数の勾配ドライバーモジュールを複数のモジュールグループに分け、各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式が同じであるステップと、各モジュールグループの外部制御命令又は作動状態の変更に応じて、グループ化方式又は各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式を変更するステップと、を含む。
【００２０】
ここで、前記コントローラは電流基準信号に基づいて前記勾配電源ドライバー段回路を制御し、前記外部制御命令の変更は、電流基準信号変化率の変更又は電流基準信号振幅の変更を含み、前記作動状態の変更は、前記勾配電源ドライバー段回路の温度変更を含む。
【００２１】
ここで、前記作動方式の変更は、スイッチング周波数の変更及び変調方式の変更を含む。
【００２２】
ここで、前記グループ化方式は、グループ内のモジュール数又はモジュールの組み合せ方式を含む。
【００２３】
ここで、前記各モジュールグループの外部制御命令又は作動状態の変更に応じて、グループ化方式又は各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式を変更するステップは、前記勾配電源システムの温度が前記第１の閾値より高い場合に、すべてのモジュールグループにユニポーラ変調方式を使用して制御するステップを含む。
【００２４】
ここで、前記各モジュールグループの外部制御命令又は作動状態の変更に応じて、グループ化方式又は各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式を変更するステップは、前記勾配電源システムの温度が前記第１の閾値以下である状態で、電流基準制御信号の振幅が第３の閾値より小さい状態が継続して第１の時間を超え、又は電流基準信号変化率が第２の閾値より大きい場合に、すべてのモジュールグループが備えるスイッチアセンブリが第１のスイッチング周波数で作動し、電流基準制御信号の振幅がこの第３の閾値より小さい状態が継続してこの第１の時間を超えず、且つ、電流基準信号変化率がこの第２の閾値以下であり、又は電流基準信号変化率がこの第２の閾値以下で、且つ、電流基準制御信号の振幅がこの第３の閾値より大きい場合に、前記すべてのモジュールグループのスイッチング周波数が前記第２のスイッチング周波数で作動するステップを含む。
【００２５】
ここで、前記各モジュールグループの外部制御命令又は作動状態の変更に応じて、グループ化方式又は各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式を変更するステップは、電流基準制御信号の振幅が第３の閾値より大きい状態が継続して第１の時間を超え、且つ、電流基準信号変化率が第２の閾値より低い場合に、すべてのモジュールグループにユニポーラ変調方式を使用し、電流基準制御信号の振幅が第３の閾値より大きい状態が継続してこの第１の時間を超えず、且つ、電流基準信号変化率がこの第２の閾値より低くく、又は電流基準信号変化率がこの第２の閾値以上で、又は電流基準制御信号の振幅がこの第３の閾値以下である場合に、すべてのモジュールグループに周波数倍増変調方式を使用するステップを含む。
【００２６】
なお、前記一般的な記載及び後述の詳細な記載は、単なる例示ので解釈的な記載であり、本発明を限定しない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
ここの図面は、明細書に組み入れて本明細書の一部を構成し、本発明に該当する実施例を例示するとともに、明細書とともに本発明の原理を解釈する。
【図１】従来技術における典型的な勾配コイルの励磁電流波形を示す。
【図２Ａ】従来技術における勾配電源ドライバー段構造を示す。
【図２Ｂ】従来技術における別の電源ドライバー段構造を示し、ここでは、交差並列の低圧ブリッジで図２Ａの単一の低圧ブリッジを置き換えたものである。
【図３】本発明の一実施例に係る勾配電源システム構造図である。
【図４】本発明の一実施例に係る勾配電源ドライバー段回路のトポロジ構造を示す。
【図５】本発明の別の実施例に係る勾配電源ドライバー段回路のトポロジ構造を示す。
【図６】本発明の一実施例に係る勾配電源ドライバー段のフルブリッジ増幅器のトポロジ構造を示す。
【図７】本発明の別の実施例に係る勾配電源ドライバー段のフルブリッジ増幅器のトポロジ構造を示す。
【図８】本発明のさらに別の実施例に係る勾配電源ドライバー段のフルブリッジ増幅器のトポロジ構造を示す。
【図９】本発明の一実施例に係る勾配ドライバーモジュールの制御方法の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、例示的な実施例を詳しく説明し、その例示を図面に示す。以下の記載が図面に関わる場合、特に別の説明がない限り、異なる図面における同一の符号は、同じ又は類似する要素を示す。以下の例示的な実施形態に記載の実施例は、本発明と一致する全ての実施例を代表するものではない。即ち、それらは、特許請求の範囲に記載の本発明のある側面に一致する機器及び方法の例に過ぎない。
【００２９】
勾配電源自身の作動方式及びシリコン系素子特性の影響で、素子はスイッチング中に比較的大きい逆回復電流に耐えることが必要される。この問題を解決するために、勾配電源では一般的にＩＧＢＴ素子を使用する。しかし、高圧ＩＧＢＴ素子は速度が比較的遅く、システム性能を向上するために、図２Ａに示すように、勾配電源ドライバー段回路が提供され、このような勾配電源ドライバー段回路では、２つの高圧フルブリッジコンバータと１つの低圧フルブリッジコンバータが直列され、２つの直列交差の高圧フルブリッジコンバータは、高圧を出力し、大電流変化率を処理する段階のみに使用され、他の段階では作動せず、高精度の安定電流を出力する小電流変化率の段階は、低圧フルブリッジコンバータにより処理される。小電流変化率の段階において出力される電流リップルを減少させるためには、システム全体のスイッチング周波数を上昇させる必要があるが、素子特性に制限されて、これによると、スイッチング周波数の上昇余地が制限されているだけでなく、低圧ブリッジが損失し、発熱が制御されにくく、また、電流が比較的大きいため、単一のスイッチ素子ではこの電流を処理できない。
【００３０】
したがって、図２Ｂに示すトポロジ構造を使用でき、即ち、図２Ａの単一の低圧ブリッジの代わりに交差並列の低圧ブリッジを使用できる。この方法の利点は、出力電流リップル周波数を効果的に向上できるとともに、各低圧ブリッジのスイッチング周波数が比較的低いレベルを維持して、スイッチ損失を減少できることにある。しかし、このようなトポロジ構造は依然として問題を根本的に解決していない。高圧ブリッジは大電流変化率の段階でのみ作動し、この段階は継続時間が非常に短いため、損失はほとんど低圧ブリッジに集中し、スイッチ素子利用率が極めて低く、素子の発熱が不均一な問題が比較的深刻であり、このため、システム全体の信頼度が大幅に低下し、放熱設計上で極大な挑戦に面することになり、それとともに、高低圧ブリッジバスバー電圧に差異が比較的大きいため、高低圧ブリッジコンバータ及びその前段電源構造に差異が比較的大きく、コントローラ内部においても高低圧ブリッジを別々に制御する必要があるので、システム全体の複雑さが比較的高い。また、異なるレベルの核磁気共鳴システムに対し、異なる高低圧ブリッジコンバータ及びその前段電源を再設計する必要があるので、システム拡張が困難である。
【００３１】
本発明によれば、勾配電源ドライバー段回路、この勾配電源ドライバー段回路を備える勾配電源システム、及びその制御方法を提供する。
【００３２】
本発明によれば、勾配電源ドライバー段回路を設計し、この勾配電源ドライバー段回路はフルブリッジ回路を備え、すべての勾配ドライバーモジュールに適用され、高低圧ブリッジを区分する必要がなくなって、フルブリッジ回路の利用率を向上させ、フルブリッジ回路は、時間分割作動が必要とされなくなって、熱平衡性能が良好であり、勾配電源ドライバー段回路にモジュール分割及びグループ化制御を行うことで、各モジュールグループ内の勾配電源ドライバー段構造が一致で、制御方式が一致であって、システム拡張が簡便になり、コントローラ内のインターフェースが同じであって、制御線路の設計が容易である。実際の応用では、モジュールグループの分割は、状況に応じて再分割及び別々に制御でき、システムの柔軟性を向上させる。
【００３３】
図３は、本発明の一実施例に係る勾配電源システム構造図であり、この勾配電源システムは、制御モジュール及びドライバー段回路を備え、勾配電源システムの負荷は勾配コイルであり、システム内のドライバー段回路は、内部構造、機能、及び制御インターフェースが完全に同じである幾つかの直列された勾配ドライバーモジュールを備える。
【００３４】
ここで、各勾配ドライバーモジュールは、前段電源及びフルブリッジ増幅器の２つの部分で構成され、前段電源とフルブリッジ増幅器との間は並列に結合される。
【００３５】
前段電源は、バスバーにより入力された電圧を変換してからフルブリッジ増幅器に送るために使用され、前段電源は、最終的な勾配電源システム組立体の異なる構造に応じて、絶縁方式又は非絶縁方式を使用でき、ＡＣ／ＤＣコンバータ又はＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。例えば、一例示的な実施例では、前段電源は、移相ブリッジトポロジ構造の絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ方式を使用できる。
【００３６】
フルブリッジ増幅器は、前段電源が提供する直流電力を変換し、負荷端に必要なエネルギーを提供して、勾配コイル内の電流が基準信号を高精度で効果的に追跡できるように確保するために使用される。
【００３７】
コントローラモジュールは、各勾配ドライバーモジュールの作動タイミングを制御し、外部制御基準信号、現在のシステム発熱状態などの条件に基づき、合理的な作動タイミング方式を策定して、システム全体が安定で確実に作動できるように確保するために使用される。各モジュールの構造、機能、制御インターフェースが完全に同じであるため、本発明では高圧又は低圧ブリッジはもはや区分せず、すべてのフルブリッジ増幅器モジュールは制御モジュールにとって完全に平等であり、したがって、このようなドライバー段回路の構造によれば、制御システムを設計する複雑さを効果的に低減できる。
【００３８】
図３に示すように、本発明が提供する勾配電源ドライバー段回路は、勾配コイル及び複数の勾配ドライバーモジュールを備え、複数の勾配ドライバーモジュールは電気的に接続されて出力端子を形成し、この出力端子と勾配コイルは電気的に接続され、ここで、各勾配ドライバーモジュールは、並列接続される前段電源及びブリッジ増幅器を備え、複数の勾配ドライバーモジュールの前段電源の出力電圧は同じであり、各勾配ドライバーモジュールは、勾配コイル上で誘導性電圧降下及び抵抗性電圧降下を提供するために使用される。ここで、勾配コイルは、一つのインダクタと一つの抵抗との直列的構成に等価することができ、誘導性電圧降下は、勾配コイルのインダクタ部分に作用していると見なすことができ、コイル内の勾配電流を励起して、外部の電流基準コマンドを素早く追跡するために使用され、抵抗性電圧降下は、勾配コイルの抵抗部分にわたる電圧降下を補償するために使用され、抵抗部分がコイルの内部エネルギーを消費することを防ぎ、コイル内の電流が安定的に電流基準コマンドを追跡することを保証する。ここで、複数の勾配ドライバーモジュールのトポロジは同じであり、複数の勾配ドライバーモジュールの制御信号インターフェースは同じである。
【００３９】
図４及び図５は、それぞれ異なる前段電源を用いた勾配電源ドライバー段回路の例を示す。図４は、本発明の一実施例に係る勾配電源ドライバー段回路のトポロジ構造を示し、ここで、三相交流電力は整流されて直流電圧に変換されてから前段電源に送られ、前段電源は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータである。図５は、本発明の別の実施例に係る勾配電源ドライバー段回路のトポロジ構造を示し、ここで、三相交流電力は交流トランスにより絶縁されてから、それぞれ各勾配ドライバーモジュールに送られ、この場合、勾配ドライバーモジュールの入力電圧は交流電力であり、前段電源は非絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータである。
【００４０】
図６は、本発明の一実施例に係る勾配電源ドライバー段回路中のフルブリッジ増幅器のトポロジ構造を示し、ここで、各勾配ドライバーモジュール中のフルブリッジ増幅器は、単一の同じ構造のフルブリッジから構成され、複数の勾配ドライバーモジュールは直列されてドライバー段回路を構成する。
【００４１】
図６に示すように、各ブリッジ増幅器は、１つのフルブリッジ回路を備え、各フルブリッジ回路は４つのスイッチアセンブリから構成される。ここで、各フルブリッジ回路の第１のスイッチアセンブリの第２端部と第２のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第１のブリッジアームを構成し、その接続点は第１のブリッジアーム中点である。各フルブリッジ回路の第３のスイッチアセンブリの第２端部と第４のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第２のブリッジアームを構成し、その接続点は第２のブリッジアーム中点である。第１のスイッチアセンブリの第１端部及び第３のスイッチアセンブリの第１端部は前段電源の第１の出力端子に電気的に接続され、第２のスイッチアセンブリの第２端部及び第４のスイッチアセンブリの第２端部は前段電源の第２の出力端子に電気的に接続される。
【００４２】
ここで、複数の勾配ドライバーモジュールのフルブリッジ回路は直列であり、各フルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は次のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点に直列接続され、直列された最初のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は勾配コイルの第１端部に電気的に接続され、最後のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は勾配コイルの第２端部に電気的に接続される。
【００４３】
図７は、本発明の別の実施例に係る勾配電源ドライバー段のフルブリッジ増幅器のトポロジ構造を示し、ここで、各勾配ドライバーモジュール中のフルブリッジ増幅器は、２つの構造が完全に一致であるフルブリッジから構成され、単一のモジュール内の２つのグループのフルブリッジが結合インダクタンスを介して並列された後、複数の勾配ドライバーモジュールが直列してドライバー段回路を構成する。
【００４４】
図７に示すように、勾配電源ドライバー段回路は、少なくとも１つの結合インダクタンスを備え、各ブリッジ増幅器は、第１のフルブリッジ回路及び第２のフルブリッジ回路を備え、第１のフルブリッジ回路と第２のフルブリッジ回路は並列接続され、第１のフルブリッジ回路及び第２のフルブリッジ回路はいずれも４つのスイッチアセンブリから構成される。ここで、各フルブリッジ回路の第１のスイッチアセンブリの第２端部と第２のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第１のブリッジアームを構成し、その接続点は第１のブリッジアーム中点であり、第１のフルブリッジ回路の第３のスイッチアセンブリの第２端部と第４のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第２のブリッジアームを構成し、その接続点は第２のブリッジアーム中点である。
【００４５】
各ブリッジ増幅器では、第１のフルブリッジ回路と第２のフルブリッジ回路は並列接続され、それらの第１のスイッチアセンブリの第１端部及び第３のスイッチアセンブリの第１端部はいずれも前段電源の第１の出力端子に電気的に接続され、第２のスイッチアセンブリの第２端部及び第４のスイッチアセンブリの第２端部はいずれも前段電源の第２の出力端子に電気的に接続される。
【００４６】
各ブリッジ増幅器では、第１のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は第１の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線を介して第２のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点に電気的に接続され、第１の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線の接続点はこのブリッジ増幅器に対応する第１のアウトレットであり、第１のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は第２の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線を介して第２のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点に電気的に接続され、第２の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線の接続点はこのブリッジ増幅器に対応する第２のアウトレットである。
【００４７】
複数の勾配ドライバーモジュールのブリッジ増幅器は直列接続され、各ブリッジ増幅器に対応する第２のアウトレットは次のブリッジ増幅器に対応する第１のアウトレットに接続され、直列された最初のブリッジ増幅器に対応する第１のアウトレットは勾配コイルの第１端部に電気的に接続され、直列された最後のブリッジ増幅器に対応する第２のアウトレットは勾配コイルの第２端部に電気的に接続される。
【００４８】
図８は、本発明のさらに別の実施例に係る勾配電源ドライバー段のフルブリッジ増幅器のトポロジ構造を示し、ここで、各勾配ドライバーモジュール中のフルブリッジ増幅器は、２つのグループの構造が完全に一致であるフルブリッジから構成され、複数の勾配ドライバーモジュール内の１つのグループのフルブリッジ増幅器は直列された後、結合インダクタンスを介して別のグループの直列のフルブリッジ増幅器と並列してドライバー段を構成する。
【００４９】
図８に示すように、勾配電源ドライバー段回路は、少なくとも１つの結合インダクタンスを備え、各ブリッジ増幅器は、第１のフルブリッジ回路及び第２のフルブリッジ回路を備え、第１のフルブリッジ回路及び第２のフルブリッジ回路はいずれも４つのスイッチアセンブリから構成されて、第１のブリッジアーム及び第２のブリッジアームを備える。
【００５０】
各フルブリッジ回路の第１のスイッチアセンブリの第２端部と第２のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第１のブリッジアームを構成し、その接続点は第１のブリッジアーム中点であり、各フルブリッジ回路の第３のスイッチアセンブリの第２端部と第４のスイッチアセンブリの第１端部とが接続されて第２のブリッジアームを構成し、その接続点は第２のブリッジアーム中点である。
【００５１】
各ブリッジ増幅器では、第１のフルブリッジ回路と第２のフルブリッジ回路は並列接続され、それらの第１のスイッチアセンブリの第１端部及び第３のスイッチアセンブリの第１端部はいずれも前段電源の第１の出力端子に電気的に接続され、第２のスイッチアセンブリの第２端部及び第４のスイッチアセンブリの第２端部はいずれも前段電源の第２の出力端子に電気的に接続される。
【００５２】
複数の勾配ドライバーモジュールのブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路は直列接続であり、第２のフルブリッジ回路は直列接続であり、各ブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は次のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点に電気的に接続され、各ブリッジ増幅器の第２のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は次のブリッジ増幅器の第２のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点に電気的に接続され、最初のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は第１の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線を介して最初のブリッジ増幅器の第２のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点に電気的に接続され、最初のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第１のブリッジアーム中点は第１の結合インダクタンスの第１の巻線を介して勾配コイルの第１端部に電気的に接続され、最後のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は第２の結合インダクタンスの第１の巻線及び第２の巻線を介して最後のブリッジ増幅器の第２のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点に電気的に接続され、最後のブリッジ増幅器の第１のフルブリッジ回路の第２のブリッジアーム中点は第２の結合インダクタンスの第１の巻線を介して勾配コイルの第２端部に接続される。
【００５３】
上記実施例では、複数の勾配ドライバーモジュールの前段電源は絶縁型又は非絶縁型回路であってもよく、複数の勾配ドライバーモジュールの前段電源はＤＣ／ＤＣ又はＡＣ／ＤＣ回路であってもよいことが理解されるべきである。例えば、複数の勾配ドライバーモジュールの前段電源は絶縁型ＤＣ／ＤＣ回路であってもよい。
【００５４】
上記実施例では、各ブリッジ増幅器は、少なくとも１つのフルブリッジ回路を備え、フルブリッジ回路は、少なくとも１つのスイッチアセンブリを備え、スイッチアセンブリは複数のスイッチチューブが並列して形成され、勾配ドライバーモジュールの最低スイッチング周波数が第１の閾値より小さい場合、勾配電源ドライバー段回路はフィルタをさらに備える。
【００５５】
通常、勾配電源ドライバー段回路はいずれもフィルタを備えるが、スイッチング周波数が第１の閾値より高い場合、本発明の一実施例ではフィルタを省略できる。
【００５６】
この実施例では、勾配ドライバーモジュールのスイッチング周波数が第１の閾値より小さい場合、即ち、Ｒｓｙｓｔｅｍ＊（ＵＩＮ−ＩＯ＊Ｒｓｙｓｔｅｍ）／（ＵＩＮ＊ｋ＊ｎ＊Ｌｃｏｉｌ）場合に、勾配電源ドライバー段回路はフィルタをさらに備える。
【００５７】
ただし、ＵＩＮは単段ドライバー入力電圧であり、ｎは作動するフルブリッジ回路数であり、Ｒｓｙｓｔｅｍはシステムオン抵抗であり、Ｉｏは勾配コイルに流す出力電流であり、ｋはリップル係数であり、Ｌｃｏｉｌは勾配コイルのインダクタンス値である。
【００５８】
本発明で提案されるドライバー段回路は、新しいスイッチ素子を使用して、作動周波数が、従来の素子に比べて大幅に上昇し、本発明で提案された制御方式と組み合わせると、出力電流リップル周波数が大幅に向上でき、一実施例では、勾配増幅器は入力電圧が４００Ｖである直列交差作動の６つのモノブリッジ構造ドライバーから構成され、そのシステム内部抵抗が４２．４ｍΩであり、出力電流が９００Ａで、勾配コイルのインダクタンス量が９９８ｕＨである条件下で、スイッチング周波数が６５ＫＨｚ以上まで上昇した場合に、リップル電流は出力電流の０．０１％より小さくなることができ、この場合は出力フィルタを省略でき、さらにシステム空間を節約できる。
【００５９】
本発明の勾配電源ドライバー段回路では、選択的に、勾配ドライバーモジュールは、複数の作動勾配ドライバーモジュール及び少なくとも１つの冗長勾配ドライバーモジュールを備えてもよい。正常な作動状態で、複数の作動勾配ドライバーモジュールは運転するが、少なくとも１つの冗長勾配ドライバーモジュールは運転しない。作動勾配ドライバーモジュール内の１つが破損された場合、少なくとも１つの冗長勾配ドライバーモジュール内の１つが、破損された作動勾配ドライバーモジュールの代わりに運転する。
【００６０】
上述の勾配電源ドライバー段回路では、スイッチアセンブリはワイドバンドギャップ素子である。本発明は、ワイドバンドギャップスイッチ素子の特性を利用して、新しい勾配電源ドライバー段構造及びその制御方式を提案し、従来の勾配電源に存在している発熱が均一せず、素子利用率が低く、信頼度が悪く、システムが複雑で拡張しにくいなどの多くの難題を効果的に解決できる。
【００６１】
近来、ＳｉＣ、ＧａＮなどの新しいワイドバンドギャップスイッチ素子は、半導体シリコンなどの第１世代材料に対して、新たな材料はバンドギャップが広く、熱伝導率が高く、電子の飽和ドリフト速度が大きく、化学的安定性がよく、高耐圧であり、逆回復が無く、オン抵抗が低く、及びスイッチング速度が速いなどの利点を有する。このような新たな材料を使用して制作されたパワースイッチ素子は、従来のシリコン系ＩＧＢＴなどの素子に比べて、高耐圧であり、逆回復が無く、オン抵抗が低く、及びスイッチング速度が速いなどの多くの利点がある。ワイドバンドギャップスイッチ素子のこのような特性を利用して、本発明では、勾配電源ドライバー段回路を設計し、そのうちの複数の勾配ドライバーモジュールのフルブリッジ増幅器トポロジは同じであり、フルブリッジ増幅器は勾配ドライバーモジュール内で作動するとき、高低圧ブリッジを区分する必要が無くなって、高低圧端が時間分割で作動する必要が無くなる。ドライバーモジュール内の各フルブリッジ増幅器は構造が同じであるので、例えば、前段電源の出力電圧及び構造が同じで、フルブリッジ増幅器の制御信号インターフェースが同じである様々な便利を提供し、コントローラはそれを柔軟に制御し、フルブリッジ増幅器又は複数のフルブリッジ増幅器から構成される勾配ドライバーモジュールグループの作動状態及びグループ化方式を柔軟に変更でき、これにより、損失と性能の間で効果的にバランスを取って、従来の勾配電源における発熱が均一せず、素子利用率が低く、信頼度が悪く、システムが複雑で拡張しにくいなどの欠点を効果的に解決できる。
【００６２】
本発明の一実施形態によれば、勾配電源ドライバー段回路の制御方法をさらに提供する。図９は、本発明の一実施例に係る勾配ドライバーモジュールの制御方法の模式図である。
【００６３】
図９に示すように、勾配電源ドライバー段回路は、勾配コイル及び複数の勾配ドライバーモジュールを備え、複数の勾配ドライバーモジュールが電気的に接続されて出力端子を形成し、出力端子と勾配コイルは電気的に接続され、ここで、各勾配ドライバーモジュールは、並列接続される前段電源及びブリッジ増幅器を備え、複数の勾配ドライバーモジュールの前段電源の出力電圧は同じであり、各勾配ドライバーモジュールは、勾配コイル上で誘導性電圧降下及び抵抗性電圧降下を提供するために使用され、勾配電源ドライバー段回路は勾配電源システム内に備えられ、勾配電源システムは、制御モジュール（図示せず）をさらに備える。制御モジュールは勾配電源ドライバー段回路を制御するために使用される。ここで、勾配コイルは、一つのインダクタと一つの抵抗との直列的構成に等価することができ、誘導性電圧降下は、勾配コイルのインダクタ部分に作用していると見なすことができ、コイル内の勾配電流を励起して、外部の電流基準コマンドを素早く追跡するために使用され、抵抗性電圧降下は、勾配コイルの抵抗部分にわたる電圧降下を補償するために使用され、抵抗部分がコイルの内部エネルギーを消費することを防ぎ、コイル内の電流が安定的に電流基準コマンドを追跡することを保証する。
【００６４】
この勾配電源ドライバー段回路の制御方法は、複数の勾配ドライバーモジュールを複数のモジュールグループ、即ち、モジュール１、モジュール２……モジュールｍに分け、ここで、モジュール１は、勾配ドライバーモジュール１〜勾配ドライバーモジュールｐ−１を含み、モジュール２は、勾配ドライバーモジュールｐ〜勾配ドライバーモジュールｋを含み、モジュールｍは、勾配ドライバーモジュールｍ〜勾配ドライバーモジュールｎを含み、各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式は同じであるステップと、各モジュールグループの外部制御命令又は作動状態の変更に応じて、グループ化方式又は各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式を変更するステップと、を含む。このグループ化制御方式は、コントローラがシステム内の各ドライバーモジュールの作動状態に従ってリアルタイムでグループ化作動状況を調整することを可能にし、システム内の温度および電流などのパラメータの動的制御を実現し、速い応答速度および高い柔軟性の利点を有する。
【００６５】
この実施例では、制御モジュールは、電流基準信号に基づいて勾配電源ドライバー段回路を制御し、外部制御命令の変更は、電流基準信号変化率の変更又は電流基準信号振幅の変更を含み、作動状態の変更は、勾配電源ドライバー段回路の温度変更を含み、作動方式の変更は、スイッチング周波数、変調方式の変更及び交差作動方式の変更を含み、グループ化方式は、グループ内のモジュール数又はモジュールの組み合せ方式を含む。図９では、制御モジュールに対して、各勾配ドライバーモジュールはレベルが同じであるので、実際の応用では、すべての勾配ドライバーモジュールを任意の勾配ドライバーモジュールグループに分けることができ、各グループ間において、その内部モジュール数は同じであっても異なっていてもよく、モジュールグループ内部において、各モジュールの変調方式、スイッチング周波数、交差モードはいずれも同じであり、異なるモジュールグループ間において、各モジュールの変調方式、スイッチング周波数、交差モードは同じであっても異なっていてもよい。
【００６６】
勾配電源ドライバー段回路では、各モジュールグループの作動状態の変更に応じて、グループ化方式又は各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式を変更できる。一実施例では、電源システム温度が第１の閾値以下である場合に、すべてのモジュールグループは、電流基準制御信号の振幅及び電流基準信号変化率に応じて周波数倍増変調方式又はユニポーラ変調方式を選択して使用でき、システム温度が第１の閾値より高い場合に、すべてのモジュールグループはユニポーラ変調方式を使用する。別の実施例では、電源システム温度が第１の閾値以下である場合に、すべてのモジュールグループ内のスイッチアセンブリは、電流基準制御信号の振幅及び電流基準信号変化率に応じて第１のスイッチング周波数又は第２のスイッチング周波数で作動することを選択でき、システム温度が第１の閾値より高い場合に、すべてのモジュールグループ内のスイッチアセンブリは、第２のスイッチング周波数で作動する。さらに別の実施例では、電源システム温度が第１の閾値以下である場合に、すべてのモジュールは、電流基準制御信号の振幅及び電流基準信号変化率に応じて周波数倍増変調方式を選択して使用でき、すべてのモジュールグループ内のスイッチアセンブリが第１のスイッチング周波数で作動し、電源システム温度が第１の閾値より高い場合に、すべてのモジュールを２つのグループに分けて、そのうちの２つの温度が比較的低いモジュールを第１のモジュールグループとして選択し、他のモジュールを第２のモジュールグループとして選択し、ここで、第１のモジュールグループは周波数倍増変調方式を使用し、且つ、そのスイッチアセンブリは第１のスイッチング周波数で作動し、第２のモジュールグループはユニポーラ変調方式を使用して作動し、且つ、そのスイッチアセンブリは第２のスイッチング周波数で作動する。勾配電源ドライバー段回路では、また、各モジュールグループの外部制御命令の変更に応じてグループ化方式又は各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式を変更できる。一実施例では、勾配電源システムの温度が第１の閾値以下である状態で、電流基準制御信号の振幅が第３の閾値以下である状態が継続して第１の時間を超え、又は電流基準信号変化率が第２の閾値より大きい場合に、すべてのモジュールグループは周波数倍増変調方式を使用し、電流基準制御信号の振幅がこの第３の閾値より小さい状態が継続してこの第１の時間を超えず、且つ、電流基準信号変化率がこの第２の閾値以下で、又は電流基準信号変化率がこの第２の閾値以下で、且つ、電流基準制御信号の振幅がこの第３の閾値より大きい場合に、すべてのモジュールグループはユニポーラ変調方式を使用する。別の実施例では、勾配電源システムの温度が第１の閾値以下である状態で、電流基準制御信号の振幅が第３の閾値以下である状態が継続して第１の時間を超え、又は電流基準信号変化率が第２の閾値より大きい場合に、すべてのモジュールグループ内のスイッチアセンブリは第１のスイッチング周波数で作動し、電流基準制御信号の振幅がこの第３の閾値より小さい状態が継続してこの第１の時間超えず、且つ、電流基準信号変化率がこの第２の閾値以下で、又は電流基準信号変化率がこの第２の閾値以下で、且つ、電流基準制御信号の振幅がこの第３の閾値より大きい場合に、すべてのモジュールグループ内のスイッチアセンブリは第２のスイッチング周波数で作動する。さらに別の実施例では、勾配電源システムの温度が第１の閾値以下である状態で、電流基準制御信号の振幅が第３の閾値以下である状態が継続して第１の時間を超え、又は電流基準信号変化率が第２の閾値より大きい場合に、すべてのモジュールを２つのグループに分け、そのうちのいずれか３つのモジュールを第１のモジュールグループとして選択し、他のモジュールを第２のモジュールグループとして選択し、ここで、第１のモジュールグループは作動を停止し、第２のモジュールグループは周波数倍増変調方式を使用し、且つ、そのスイッチアセンブリが第１のスイッチング周波数で第２の時間作動した後、第２のモジュールグループが作動を停止し、第１のモジュールグループが周波数倍増変調方式を使用して第１のスイッチング周波数で作動し、電流基準制御信号の振幅がこの第３の閾値より小さい状態が継続してこの第１の時間を超えず、且つ、電流基準信号変化率がこの第２の閾値以下であり、又は電流基準信号変化率がこの第２の閾値以下で、且つ、電流基準制御信号の振幅がこの第３の閾値より大きい場合に、すべてのモジュールは同一のモジュールグループ内に存在し、いずれもユニポーラ変調方式を使用し、第２のスイッチング周波数で作動する。上記の実施例では、コントローラがシステム内の各ドライバーモジュールの温度状況、外部の電流指令などの制御条件に従って、グループ化制御方式を通じて各モジュールの作動周波数、変調方式などの作動状態を柔軟に設定し、モジュール間の熱の不均衡およびシステム電流コマンドに対する迅速な応答を実現している。従来の制御方式と比較して、このグループ化制御方法は各モジュールの作動状態を独立して制御することができ、柔軟性とシステム動的性能がともに向上する。
【００６７】
勾配電源ドライバー段回路では、また、同時に各モジュールグループの作動状態及び外部制御命令の変更に応じてグループ化方式又は各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式を変更でき、且つ、作動状態が変更された場合に、コントローラは優先的に処理すべきである。
【００６８】
選択可能な作動方式は様々であり、勾配電源システムの温度、電流基準制御信号の振幅及び電流基準信号変化率から任意選択された外部制御命令又は作動状態に応じて、各モジュールグループ内の勾配ドライバーモジュールの作動方式を制御でき、ここでは、一々列挙せず、したがって、本発明で提案された制御方式は従来の制御方式に比べてより柔軟性が高く、利点が顕著である。
【００６９】
当業者は、明細書に対する理解、及び明細書に記載された発明に対する実施を介して、本発明の他の実施形態を容易に取得することができる。本発明は、本発明に対する任意の変形、用途、又は適応的な変化を含み、このような変形、用途、又は適応的な変化は、本発明の一般的な原理に従い、本発明では開示していない本技術分野の公知知識、又は通常の技術手段を含む。明細書及び実施例は、単に例示的なものであって、本発明の本当の範囲と主旨は、以下の特許請求の範囲によって示される。
【００７０】
本発明は、上記で記述され、図面で図示した特定の構成に限定されず、その範囲を離脱しない状況で、様々な修正や変更を実施してもよい。本発明の範囲は、添付される特許請求の範囲のみにより限定される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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