mri梯度放大器的设计与研究

mri梯度放大器的设计与研究

1从交流模式到系统运行模式的转变magneticreceive（mri）技术已经取得了很大的进步，包括mri。梯度电源技术也在不断进步，它经历了线性电源模式、混合模式到开关电源模式的转变。高速功率半导体器件的出现使开关模式的梯度电源已成为市场的主流。梯度电源为梯度线圈供电以产生成像所需的梯度磁场，其性能对梯度磁场的上升时间、梯度场强度、线性度等指标都起到了决定性的作用，直接影响到成像时间和成像质量。随着快速成像的迅速发展，尤其是高速成像序列对梯度电源提出了很高要求，要求其在1ms时间内甚至更短时间内达到几十到几百安培的电流强度，同时稳态纹波直接关系成像质量，要达到毫安级。本文根据正在研制的一套MRI设备的梯度系统的指标要求，设计了双电平结构梯度放大器，对其进行了仿真和实验研究。2带模型结构的两级电平结构MRI的梯度系统产生叠加到主磁场的梯度磁场，达到片选、相位编码和频率编码的目的，从而获得成像物体的位置信息。图1示出梯度放大器的典型波形。梯度线圈一般包括x,y,z方向3套线圈。梯度电源的主要负载为梯度线圈，梯度线圈的电感Lgc值一般在数百微亨；梯度线圈的电阻Rgc值一般为几十毫欧，其电路模型可等效为Lgc和Rgc串联，即：由式（1）可见，在电流快速上升和下降阶段，应该在负载线圈的两端提供很高的电压，而在输出梯度波形的稳态阶段，只需补充很小的电压，就能消耗梯度线圈毫欧级的电阻能量。因此，为了输出高精度的梯度电流，采用两个电压等级为梯度线圈供电，根据电流上升率决定由哪一级电平来输出功率，这是一种合理的选择。为获得四象限运行特性，开关模式梯度电源一般采用H桥为功率输出的基本结构。图2示出本文采用的两级电平结构梯度电源主电路拓扑结构。其输出滤波器由滤波电感L、滤波电容C和阻尼电阻Rc组成；H桥由VT1～VT4构成；选择环节由VT5,VT6构成，用以对高压电源Uh和低压电源Ul进行选择；直流电压源由整流电路获得。3滤波器的选择表1示出现有系统的3套梯度线圈测量参数表。根据该参数表，首先确定仿真Lgc=0.5mH,Rgc=0.05Ω，梯度电流幅值Igc=150A，上升到稳态电流的时间为0.5ms。根据上述确定的Lgc、电流上升时间和最大稳态电流值参数，可确定高电平等级Uh′=150V，考虑到电阻消耗和裕量，选择Uh=200V;Ul主要用于补偿电阻损耗和解决超调，因为Ul的大小直接关系到稳态纹波的大小，所以该参数在能够满足电流回调和补充能量损耗的基本要求下越小越好。控制周期率Ts=50μs，设在电流上升的最后一个控制周期占空比误差达到0.1，即：设允许处理超调的最短时间为0.2ms，则定为5V即可，但考虑电路中各环节可能存在的电阻，设其为0.1Ω，而电流为150A，则这一项需要的电压为15V，综上考虑选择20V的低电平。滤波器设计综合考虑以下几点，首先保证输出能够满足电流上升率的要求，滤波电感应满足：其次，在满足滤除开关频率fs纹波的同时还要不影响梯形波所含频率分量的幅值和相位。根据对上升时间为0.5ms梯形波的频谱分析，其频带集中于2kHz以内，所以滤波器的谐振频率f1应满足2kHz垲f1垲20kHz。根据LC滤波器的传递函数和滤波器的波特图分析，取f1=9kHz附近可满足上述要求。经过设计计算，主电路仿真参数设计为：fs=20kHz,L=75μH,C=1μF,Rc=1Ω，Lgc=0.5mH,Rgc=0.05Ω。直流源端电容的参数关系到储能量，其主要作用是平滑电压波形，足够大的电容值才能保证输出电压的相对平稳。仿真中高电平端和低电平端都用了20mF的电容。实验中选用电容还要综合考虑其耐纹波电流及等效串联电阻等参数。4pi控制输出正弦波的分段设置本文直接以负载线圈的电流为控制目标，为了便于滤波器设计，选择了固定fs的电流型控制方式，同时为了提高响应速度，在PI控制的基础上增加了前馈环节，图3示出具体的控制框图。该电路拓扑的主要工作原理是Uh在负载电流需要快速变化时，提供能量；Ul在负载电流变化不快时，补充线圈的能量损耗，从而达到电流上升速度快，稳态精度高的目的。对于梯度电源的典型电流输出梯形波来说，电流迅速变化时，选择Uh工作；电流稳态时，选择Ul工作。对于其它输出电流波形，也可根据di/dt的大小和所设计的两级电平的供电能力来判断选择采用由哪一级电平来供电。PI控制具有稳态精度快，控制简单的优点，但因两级电平的电路结构特点，输出梯度电流时，电源互相切换，应对前一段时间的积分进行适当调整，才能更好地保证输出波形的精确性。另外，PI控制的比例积分系数的设定和所选用的电平与di/dt的正负都有关系，所以PI系数必须根据输出电流的波形分段设置。图4给出PI控制输出正弦波的分段控制示意图。用以输出正弦电流来说明电平选择、PI系数设置和不同时段VT1～VT4的开关状态设置。由图可见，输出电压的开关状态与负载线圈的电流方向有着密切的关系，每个时段的续流状态有两种，一般都选择其中的一种，根据前述控制算法计算出每个控制周期图2中a,b两点所需的输出电压，再转换为占空比和每周期导通时间ton，每个控制周期一个开关动作，可输出所需电压。为了减小电流纹波，常用两路或多路H桥并联的方法。本文通过改进PWM策略，将每周期的ton用两次不同的续流状态一分为二，从而达到fs不变，电压频率加倍的效果。图5示出负载电流以图2所示正方向增大时，VT1和VT4的导通时序及a,b两点间的输出电压uab波形。可见，uab的频率是fs的两倍，这将在低压供电基础上进一步降低稳态电流纹波。其它时段的开关器件导通时序可类推。5加入前馈控制的igc仿真波形基于双电平主电路结构进行了上升时间为0.5ms，以及4个不同幅值的梯形波电流仿真。图6a示出PI控制下不同稳态电流值的输出电流igc仿真波形，也可针对不同幅值的波形分别调节PI系数，以获得更为精确的波形，在控制中加入前馈环节可获得更快的响应速度。图6b示出加入前馈与PI控制相结合的igc仿真波形。在电流上升阶段显示了加入前馈控制后效果明显。图6c,d示出幅值为75A，频率为200Hz时的igc和a,b两点输出电压uab仿真波形。控制的各项参数用图4方法设置。图6e,f示出两种不同PWM策略下，75A梯形波时igc的纹波的仿真波形。可见，改进后的新PWM策略大大降低了“平顶”时段的电流纹波。表2给出根据仿真结果进行数据分析的两种开关策略的开关纹波有效值比较。可见，提高fs和降低系统损耗是进一步减小纹波的有效途径。6控制系统设计按图2主电路拓扑制作了两级电平结构的梯度电源实验平台。主开关器件选用了100A/600VCM100DY-12H型IGBT；选择两级电平的储能电容C1=20.4mF,C2=60mF；直流高电平调在75V，低电平调在20V；输出端的L=162.5μH,C=2μF,Rc=2Ω；Lgc=0.325mH。控制系统包括主控制器和外围控制电路两部分。主控制器及其A/D模块主要完成信号采集及转换，实现控制算法并产生IGBT脉冲序列。中央处理器选择了高速数字处理器DSP芯片TMS320F2812，具有12路PWM输出。外围控制电路包括信号调理与保护电路、IGBT触发电路。考虑到开关器件的额定电流等限制因素，在上述实验平台上实现了在0.5ms电流上升到60A的闭环控制，图7a示出实验产生的梯度波形。图7b,c示出fs=20kHz，稳态输出电流为30A时两种PWM策略下测量其交流纹波电流iw的实验结果。可见，改进PWM策略后，纹波频率加倍，同时幅度大大降低。通过对负载电流实验数据作频谱分析，原PWM策略得到的电流纹波集中在20kHz，总纹波有效值为0.055A；改进后的PWM策略得到的电流纹波集中在40kHz，总纹波有效值为0.029