本發(fā)明涉及磁共振成像(mri)系統(tǒng)，并且具體涉及mri系統(tǒng)中的梯度放大器系統(tǒng)以及用于將電流供應(yīng)到該mri系統(tǒng)的梯度線圈的方法。

背景技術(shù)：

磁共振成像使用磁場梯度進行空間編碼以用于成像。梯度線圈由梯度放大器驅(qū)動以提供保真度達到滿足磁共振成像要求的命令值的準(zhǔn)確電流。

然而，由于梯度放大器的高頻切換特性，在梯度線圈電流中生成導(dǎo)致差的成像質(zhì)量的共模諧波電流和差模諧波電流。諧波是描述電壓波形或電流波形的畸變的數(shù)學(xué)方式。呈現(xiàn)到梯度放大器上的諧波電流涉及在整數(shù)倍數(shù)的基頻處發(fā)生的梯度線圈電流的諧波分量。如所公知的，功率系統(tǒng)諧波引起大量的注意并且已經(jīng)實施了各種技術(shù)來減小呈現(xiàn)到公用電力系統(tǒng)上的諧波電流，例如，無源濾波、有源濾波和電流波整形系統(tǒng)。然而，電力系統(tǒng)諧波是由非線性負載引起的，并且是諸如50hz或60hz的穩(wěn)定基頻的整數(shù)倍。然而，由高頻切換和基頻引起的梯度放大器諧波隨著成像采集序列的頻率而變化。由于不同的原因和不同的諧波特性，這些技術(shù)并不適用于減小呈現(xiàn)到mri梯度放大器系統(tǒng)上的諧波電流。mri系統(tǒng)的主要制造商，諸如西門子、通用電氣(ge)、安絡(luò)杰、日立等，在梯度放大器系統(tǒng)中全部采用無源電磁干擾(emi)濾波器。

如在圖1中所示的，emi濾波器120被耦合在梯度放大器110與梯度線圈130之間。emi濾波器120通常包括rlc元件，諸如電感器l1、l2；阻尼電阻器r1、r2；以及電容器c1、c2、c3。

包括l1c1和l2c2的lc濾波器被用于對諧波電流進行濾波，然而，lc濾波器可能在對諧波電流進行濾波的同時將lc振蕩電流引入到線圈電流中。這是為什么阻尼電阻器r1和r2被用在emi濾波器中的原因。如在圖2a中所示的，如果阻尼電阻器r1和r2并不被包括在emi濾波器中，則lc振蕩電流會出現(xiàn)在梯度線圈電流igc中。如在圖2b中所示的，阻尼電阻器r1和r2可以通過引入振蕩電流dc對被疊加在梯度線圈電流igc上的lc振蕩電流進行衰減。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

然而，本申請的發(fā)明人認識到，阻尼電阻器r1和r2的大的電阻值會導(dǎo)致差的能量效率。例如，在如在圖1中所示的emi濾波器中，對于r1和r2兩者僅1ω就生成額外的72w的功率損耗。

發(fā)明人還認識到了可能由梯度線圈參數(shù)的變化引起的無源emi濾波器的另一問題。通常，梯度線圈參數(shù)，其等價于電感和電阻，具有至少±10％的變化。在大的變化的情況下，在常規(guī)無源emi濾波器中的阻尼電阻器r1和r2可能不能夠有效地衰減振蕩電流。如在圖2c中所示的，在梯度線圈電流igc上出現(xiàn)的振蕩電流并不會被阻尼電流dc有效地衰減。并且，lc振蕩導(dǎo)致高得多的電流流動通過阻尼電阻器，并且在該范例中導(dǎo)致每個阻尼電阻器的超過1.2kw的功率損耗。

鑒于以上提及的問題，本發(fā)明提供了一種解決方案，所述解決方案可以通過并入有源功率濾波器來改善能量效率并且可以改善魯棒性。備選地，通過使用有源功率濾波器以及l(fā)c濾波器，避免了對阻尼電阻器的需要，并且從而能夠避免源自于阻尼電阻器的功率損耗。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于磁共振成像系統(tǒng)的梯度放大器，所述梯度放大器包括：功率放大器，其被配置為向梯度線圈供應(yīng)梯度線圈電流；無源濾波器，其被耦合到所述功率放大器，并且被配置為對所述梯度線圈電流的諧波分量進行阻尼，其中，由所述無源濾波器的振蕩所引起的振蕩電流存在于所述梯度線圈電流中；以及有源功率濾波器，其被耦合在所述無源濾波器與所述梯度線圈之間，并且被配置為生成補償電流以補償所述振蕩電流。

通過并入有源功率濾波器以補償由無源濾波器的振蕩所引起的振蕩電流，可以顯著地降低用于衰減振蕩電流的功耗，并且針對振蕩電流的補償結(jié)果可以基本上不受梯度線圈參數(shù)的變化影響。更具體地，通過使用有源功率濾波器以及l(fā)c濾波器而不使用阻尼電阻器，能夠避免源自于阻尼電阻器的功率損耗。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述有源功率濾波器包括：逆變器，其被配置為基于在所述梯度線圈電流與預(yù)定參考電流之間的差來輸出第一電壓；變壓器，其被配置為將所述第一電壓提升到第二電壓；以及電感器電路，其由所述第二電壓驅(qū)動以生成所述補償電流。

通過跟蹤在梯度線圈電流與預(yù)定參考電流之間的差，可以基于所述跟蹤來生成適當(dāng)?shù)难a償電流，以補償所述振蕩電流。因為所述補償是基于跟蹤所述梯度線圈電流而被執(zhí)行的，因此所述補償?shù)慕Y(jié)果可以使魯棒的，即使存在梯度線圈參數(shù)的大的變化。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述電感器電路包括第一電感器和第二電感器，并且所述變壓器包括第一次級繞組和第二次級繞組，并且其中，所述第一次級繞組、所述第一電感器、所述梯度線圈、所述第二電感器和所述次級繞組被順序地串聯(lián)耦合，所述第一次級繞組和所述次級繞組的接合節(jié)點被耦合到地，并且所述梯度線圈的中心被耦合到地。

在所述變壓器、所述電感器電路和所述梯度線圈的優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，可以實施各種跟蹤算法并且可以有效地實施對振蕩電流的補償。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述梯度放大器可以包括控制器，所述控制器被配置為生成針對所述逆變器的驅(qū)動信號，并且其中，所述驅(qū)動信號的占空比是通過在所述梯度線圈電流與所述預(yù)定參考電流之間的差來確定的。

所述控制器可以是被用于基于對所述梯度線圈電流的跟蹤來生成所述驅(qū)動信號的數(shù)字信號處理器(dsp)、中央處理單元(cpu)、通用處理器等中的一個。在所生成的驅(qū)動信號的驅(qū)動下，可以由所述逆變器生成適當(dāng)?shù)难a償電流，補償結(jié)果可以是魯棒的，并且功耗可以是高效的。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述逆變器包括h橋逆變器，所述h橋逆變器包括具有被串聯(lián)耦合的高壓側(cè)晶體管和低壓側(cè)晶體管的第一半橋以及具有被串聯(lián)耦合的高壓側(cè)晶體管和低壓側(cè)晶體管的第二半橋，并且其中，所述第一半橋和所述第二半橋中的每個中的所述高壓側(cè)晶體管和所述低壓側(cè)晶體管被交替地開啟，并且針對所述第一半橋中的所述高壓側(cè)晶體管和所述第二半橋中的所述低壓側(cè)晶體管的驅(qū)動信號具有相同的占空比以及彼此180°的相移。

通過使用具有上文所提到的關(guān)系的所述逆變器與所述驅(qū)動信號的優(yōu)選結(jié)構(gòu)，所述逆變器可以高效地產(chǎn)生適當(dāng)?shù)难a償波形。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述h橋逆變器中的所述晶體管中的每個晶體管與集成的二極管并聯(lián)耦合。

在此，所集成的二極管對于能量效率而言是重要的。利用該結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)同步驅(qū)動技術(shù)以減小功率損耗。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述補償電流和所述振蕩電流具有相同的幅值，并且其中，所述補償電流和所述振蕩電流彼此是異相的。

以此方式，可以從所述梯度線圈電流有效地補償或消除所述振蕩電流。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于向磁共振成像系統(tǒng)的梯度放大器中的梯度線圈供應(yīng)電流的方法。所述方法包括：由功率放大器向梯度線圈供應(yīng)梯度線圈電流；由被耦合到所述梯度放大器的無源濾波器對所述梯度線圈電流的諧波分量進行阻尼，其中，由所述無源濾波器的振蕩所引起的振蕩電流存在于所述梯度線圈電流中；并且由被耦合在所述無源濾波器與所述梯度線圈之間的有源功率濾波器生成補償電流，以補償所述振蕩電流。

通過并入有源功率濾波器以補償由所述無源濾波器的振蕩所引起的所述振蕩電流，可以顯著地降低用于衰減所述振蕩電流的功耗，并且針對所述振蕩電流的補償結(jié)果可以基本上不受所述梯度線圈參數(shù)的變化的影響。更具體地，通過使用所述有源功率濾波器以及l(fā)c濾波器而不使用阻尼電阻器，能夠避免源自于所述阻尼電阻器的功率損耗。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述有源功率濾波器包括逆變器、變壓器和電感器電路。生成所述補償電流還包括：由所述逆變器基于在所述梯度線圈電流與預(yù)定參考電流之間的差來生成第一電壓；由所述變壓器將所述第一電壓提升到第二電壓；并且由所述第二電壓驅(qū)動所述電感器電路以生成所述補償電流。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述方法還包括：由所述控制器生成針對所述逆變器的驅(qū)動信號，并且其中，所述驅(qū)動信號的占空比是通過在所述梯度線圈電流與所述預(yù)定參考電流之間的差來確定的。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述逆變器包括h橋逆變器，所述h橋逆變器包括具有被串聯(lián)耦合的高壓側(cè)晶體管和低壓側(cè)晶體管的第一半橋以及具有被串聯(lián)耦合的高壓側(cè)晶體管和低壓側(cè)晶體管的第二半橋。生成所述第一電壓還包括：由驅(qū)動信號驅(qū)動在所述第一半橋和所述第二半橋中的每個中的所述高壓側(cè)晶體管和所述低壓側(cè)晶體管交替地開啟，并且針對所述第一半橋中的所述高壓側(cè)晶體管和所述第二半橋中的所述低壓側(cè)晶體管的驅(qū)動信號具有相同的占空比以及彼此180°的相移。

參考結(jié)合附圖所做出的描述，本發(fā)明的其他目標(biāo)和優(yōu)點將變得更加明顯并且容易理解。

附圖說明

結(jié)合實施例并參考附圖，將在下文更加詳細地描述和解釋本發(fā)明，在附圖中：

圖1圖示了使用現(xiàn)有技術(shù)中的無源emi濾波器的梯度放大器系統(tǒng)；

圖2a圖示了由emi濾波器中的lc振蕩所引起的振蕩電流；

圖2b圖示了由無源emi濾波器中的阻尼電阻器對振蕩電流的阻尼；

圖2c圖示了當(dāng)梯度線圈參數(shù)具有變化時由無源emi濾波器中的阻尼電阻器對振蕩電流的阻尼；

圖3a圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的mri系統(tǒng)中的梯度放大器；

圖3b圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的mri系統(tǒng)中的梯度放大器；

圖3c圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的振蕩電流和用于補償振蕩電流的補償電流；

圖3d圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的由有源功率濾波器對振蕩電流的補償；

圖4a圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的在梯度放大器中所使用的有源功率濾波器；

圖4b圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的在梯度放大器中所使用的有源功率濾波器；

圖4c圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的有源功率濾波器中的逆變器的示范性結(jié)構(gòu)；

圖5a圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于驅(qū)動逆變器的示范性驅(qū)動信號；

圖5b圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的逆變器的晶體管的切換狀態(tài)；

圖5c圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的逆變器的晶體管的功率損耗；

圖5d圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的當(dāng)梯度線圈參數(shù)具有變化時的有源功率濾波器的補償效果；

圖6a圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的針對與梯度線圈耦合的有源功率濾波器的等效電路模型；

圖6b圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于跟蹤補償電流的示范性過程；

圖6c圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于向mri系統(tǒng)中的梯度線圈供應(yīng)電流的方法。

附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相似或?qū)?yīng)的特征和/或功能。

具體實施方式

參考附圖，在下文中將更加詳細地描述本發(fā)明的實施例。

圖3a圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的在mri系統(tǒng)中使用的梯度放大器300。包括功率放大器310、無源濾波器320以及有源功率濾波器340的梯度放大器300可以向梯度線圈330提供具有各種準(zhǔn)確波形的電流。

圖3b更加詳細地圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的梯度放大器300的范例。應(yīng)當(dāng)理解，無源320并不限于如圖3b所示的特定結(jié)構(gòu)，也可以在梯度放大器系統(tǒng)中使用無源濾波器的其他結(jié)構(gòu)。

功率放大器310可以被配置為向梯度線圈330供應(yīng)梯度線圈電流。無源濾波器320被耦合到功率放大器310，并且可以被配置為對梯度線圈電流的諧波分量進行阻尼。在一個實施例中，無源濾波器320是不使用如在圖3b中所示的阻尼電阻器的lc濾波器。由無源濾波器的振蕩(尤其是由l1c1和l2c2的lc振蕩)所引起的振蕩電流iosc存在于梯度線圈電流中。被耦合在無源濾波器320與梯度線圈330之間的有源功率濾波器340可以被配置為生成補償電流iapf以補償振蕩電流iosc。

如在圖3c中所示的，補償電流iapf和振蕩電流iosc具有基本上相同幅值并且彼此異相。以此方式，可以從梯度線圈電流有效地補償或消除振蕩電流iosc，如在圖3d中所圖示的，圖3d示出了補償電流iapf和梯度線圈電流igc。圖3d中的箭頭指示補償使能點。

有利地，通過使用有源功率濾波器340和無源濾波器320而不使用阻尼電阻器，源自于阻尼電阻器的功率損耗能夠被避免，以便提高功率效率。此外，由于補償電流的有源注入，能夠始終跟蹤和補償存在梯度線圈中的振蕩電流，而不管梯度線圈參數(shù)的變化，從而增強梯度放大器的魯棒性。

備選地，即使阻尼電阻器存在于無源濾波器320中，例如，使用常規(guī)的無源emi濾波器，有源功率濾波器340能夠通過生成補償電流自動地補償振蕩電流以更加有效的方式減小諧波來減輕emi濾波器的缺點。此外，有源功率濾波器340提供額外的值添加特征。所述值添加特征包括對梯度線圈參數(shù)的變化的增強的魯棒性、對諧波的自適應(yīng)性、以及先進的mri應(yīng)用中的可靠性。尤其地，對于一些先進的mri應(yīng)用，梯度放大器的電流序列的頻率能夠高達4khz。對于這樣的高頻率，常規(guī)的emi濾波器中的阻尼電阻器可以歸因于嚴重的功率損耗而被損壞。在該實例中，有源濾波器340的引入對于防止阻尼電阻器被損壞是重要的。

圖4a圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的在梯度放大器300中使用的有源功率濾波器340。有源功率濾波器340可以包括逆變器410、變壓器420、以及電感器電路430。逆變器410可以是高頻逆變器，所述高頻逆變器被配置為基于針對梯度線圈330的梯度線圈電流與預(yù)定參考電流之間的差來輸出第一電壓。變壓器420可以被配置為將所述第一電壓提升到第二電壓。電感器電路430可以由所述第二電壓來驅(qū)動以生成用于補償振蕩電流的補償電流。

圖4b圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的在梯度放大器300中使用的有源功率濾波器340的范例。如在圖4b中所示的，有源功率濾波器340被耦合到梯度線圈330。應(yīng)當(dāng)理解，所圖示的包括lgc和rgc的梯度線圈330是等效電路，以便指示梯度線圈參數(shù)，亦即，電感l(wèi)gc和電阻rgc。梯度線圈在物理上應(yīng)當(dāng)是線圈。

如在圖4b中所示的，逆變器410的輸出可以被耦合到變壓器420的初級繞組。變壓器420包括初級繞組t1、第一次級繞組t2以及第二次級繞組t3。電感器電路430包括第一電感器l1和第二電感器l2。在該實施例中，變壓器420的第一次級繞組、電感器電路430的第一電感器、梯度線圈330、電感器電路430的第二電感器，以及變壓器420的次級繞組被順序地串聯(lián)耦合。變壓器420的第一次級繞組和次級繞組的接合節(jié)點nj被耦合到地，并且梯度線圈的中心點nc被耦合到地。所圖示的結(jié)構(gòu)可以促進對mri系統(tǒng)的梯度放大器系統(tǒng)中的有源功率濾波器的控制。

在實施例中，逆變器410可以是h橋逆變器，所述h橋逆變器由驅(qū)動信號驅(qū)動并且將初級電壓vab輸出到變壓器420。如在圖4b中所示的，h橋逆變器410可以包括第一半橋和第二半橋。第一半橋包括串聯(lián)耦合的高壓側(cè)晶體管q1和低壓側(cè)晶體管q2，并且第二半橋包括串聯(lián)耦合的高壓側(cè)晶體管q3和低壓側(cè)晶體管q4。所述晶體管被用作高頻開關(guān)以在驅(qū)動信號的控制下輸出具有所要求的波形的電壓。

所述第一半橋和所述第二半橋中的每個中的高壓側(cè)晶體管和低壓側(cè)晶體管被各自的驅(qū)動信號交替地開啟，并且針對第一半橋中的高壓側(cè)晶體管的驅(qū)動信號以及針對第二半橋中的低壓側(cè)晶體管的驅(qū)動信號具有相同的占空比和彼此180°的相移。并且，為了以交替的方式開啟在第一半橋和第二半橋中的每個中的高壓側(cè)晶體管和低壓側(cè)晶體管，針對半橋中的高壓側(cè)晶體管和低壓側(cè)晶體管的驅(qū)動信號應(yīng)當(dāng)是異相的，換言之，應(yīng)當(dāng)是相位相反的。

如在圖4b中所示的，h橋逆變器中的晶體管q1至q4中的每個與二極管d1至d4中的每個并聯(lián)耦合。二極管可以是集成的二極管，其與對應(yīng)的晶體管一起被包裝在mosfet內(nèi)。

逆變器410中的晶體管q1至q4中的每個可以被耦合到諸如mosfet驅(qū)動器的晶體管驅(qū)動器，所述晶體管驅(qū)動器出于簡明的原因而未被示出。所述驅(qū)動器可以被配置為接收數(shù)字驅(qū)動信號并生成足夠高以開啟晶體管的驅(qū)動信號。

逆變器410并不限于如在圖4b中所示的h橋逆變器的結(jié)構(gòu)。圖4c圖示了逆變器410的范例。在如在圖4c中所示的h橋逆變器中，每個半橋腿包括并聯(lián)耦合的兩個高壓側(cè)晶體管和并聯(lián)耦合的兩個低壓側(cè)晶體管。換言之，如在圖4c中所示的h橋逆變器可以通過如在圖4b中所示將h橋逆變器的每個切換晶體管擴展到并聯(lián)耦合的兩個晶體管來獲得。應(yīng)當(dāng)理解，每個切換晶體管也可以被擴展為超過兩個并聯(lián)耦合的晶體管。通過使用如在圖4c中所示的該結(jié)構(gòu)，如果對于逆變器需要較高的額定功率或較高的電流而單個晶體管負擔(dān)不起，則逆變器可以被容易地擴展以負擔(dān)較高的負載。

應(yīng)當(dāng)理解，逆變器410不限于特定的結(jié)構(gòu)，在有源功率濾波器中也可以使用其他種類的逆變器。例如，高頻逆變器410可以被實施為鉗位型(npc)逆變器，或者可以被實施為包括多級聯(lián)h橋逆變器的級聯(lián)h橋逆變器。

有源功率濾波器340可以包括出于簡明原因而未在附圖中示出的功率整流器。功率整流器可以用于將交流(ac)電壓調(diào)整成dc總線電壓vbus，以向逆變器410提供dc供電。

在實施例中，梯度放大器300可以包括出于簡明的目的而未在附圖中示出的控制器。所述控制器可以被包括在梯度放大器系統(tǒng)中，或者可以不是梯度放大器系統(tǒng)的部分，這取決于具體設(shè)計?？刂破骺梢允莇sp、cup或通用處理器等?？刂破鞅慌渲脼榛谔荻染€圈的梯度線圈電流與預(yù)定參考電流之間的差來跟蹤由有源功率濾波器供應(yīng)的補償電流iapf。具體地，所述控制器可以生成針對逆變器410的驅(qū)動信號以驅(qū)動逆變器410，從而在變壓器420和電感器電路430的輔助下供應(yīng)補償電流iapf。所述驅(qū)動信號的占空比實際上是由所述梯度線圈電流與所述預(yù)定參考電流之間的差來確定的。

圖5a圖示了用于驅(qū)動逆變器410的切換晶體管q1至q4的示范性驅(qū)動信號。圖5b圖示了在針對q1的驅(qū)動信號的開啟電平期間的逆變器410的晶體管q1至q4的切換狀態(tài)。

如在圖5a中所示的，針對q1的驅(qū)動信號是具有特定占空比的切換信號。在該范例中，開啟電平是驅(qū)動信號的高電平，而關(guān)閉電平是驅(qū)動信號的低電平。針對q2的驅(qū)動信號應(yīng)當(dāng)理想地與針對q1的驅(qū)動信號相位相反。然而，為了確保相同橋腿中的q1和q2并不同時開啟，存在這樣的時段：在所述時段期間，針對q1和q2的驅(qū)動信號兩者都處于關(guān)閉電平。該時段指當(dāng)兩個晶體管在該時段期間都處于關(guān)閉狀態(tài)時的死時間。針對q1的驅(qū)動信號具有與針對q4的驅(qū)動信號的180°的相移。并且，針對相同橋腿中的q4和q3的驅(qū)動信號與針對q1和q2的驅(qū)動信號具有相同的關(guān)系。

參考圖5a如在圖5b中所示的，在針對q1的驅(qū)動信號的開啟電平時段期間，存在s1至s4的四個狀態(tài)。

在第一狀態(tài)s1中，針對q4的驅(qū)動信號也處于開啟電平，并且因此，q1和q4在該狀態(tài)中被開啟，并且電流ipri經(jīng)由變壓器420的初級繞組流動通過q1和q4，如在圖4b中所示的。

在第二狀態(tài)s2中，在針對q3和q4的驅(qū)動信號的死時間期間，q3和q4兩者都處于關(guān)閉狀態(tài)，然后電流ipri流動通過或飛輪通過二極管d3。由于二極管的阻抗非常小，因此在q3被開啟前，二極管d3在晶體管q3兩端提供接近于零的非常小的電壓。以此方式，當(dāng)q3被開啟時，q3將幾乎不消耗功率。相反，如果在晶體管被開啟之前在晶體管兩端的電壓為高，則將由于在晶體管被開啟時電壓從高值下降到幾乎為零而由晶體管引起功率損耗。

在第三狀態(tài)s3中，針對q3的驅(qū)動信號在死時間之后處于開啟電平，并且q3被開啟。由于晶體管具有比二極管低得多的開啟電壓，因此電流ipri流動通過晶體管q3而不是繼續(xù)流動通過二極管d3。由于晶體管的阻抗小于二極管的阻抗，因此在該狀態(tài)中可以進一步減小傳導(dǎo)功率損耗。

在第四狀態(tài)s4中，針對q3的驅(qū)動信號從開啟電平變換到關(guān)閉電平，而針對q4的驅(qū)動信號仍然處于關(guān)閉電平。類似于第二狀態(tài)，在針對q3和q4的驅(qū)動信號的該死時間期間，電流ipri流動通過二極管d3。

在該范例中，針對q1的總損耗包括傳導(dǎo)損耗和切換損耗，針對晶體管的損耗參數(shù)被列在以下表1中，在表1中，晶體管是mosfet。如在圖5c中所示的，其示出了在上側(cè)上的晶體管q1的功率損耗pl并且示出了在下側(cè)上的梯度線圈電流igc，在q1中發(fā)生12.6w的平均損耗，使得對于有源功率濾波器中的四個mosfet而言，將生成12.6×4＝50.4w的損耗，其比常規(guī)的無源emi濾波器(即，對于1ω的r1和r2兩者為72w的功率損耗)低30％。

表1功率mosfet損耗參數(shù)

另外，在以上結(jié)合圖2c討論的梯度線圈參數(shù)的相同變化的情況下，有源功率濾波器能夠有效地補償電流振蕩，而不顯著地增加功率損耗。圖5d圖示了在梯度線圈參數(shù)具有±10％的變化的情況下的有源功率濾波器的補償效果。

在mri系統(tǒng)的梯度放大器系統(tǒng)中，逆變器410需要是高頻逆變器。由于有源功率濾波器被用于補償振蕩電流，因此逆變器410的切換頻率需要比振蕩電流高得多。在范例中，主振蕩電流為20khz，并且因此，逆變器410的切換頻率可以被選擇為400khz。應(yīng)當(dāng)注意，切換頻率并不限于特定值。此外，通過引入在q1驅(qū)動信號與q4驅(qū)動信號之間的180°的相移，可以使輸出a與b之間的電壓vab的等效輸出頻率加倍。電壓vab與驅(qū)動信號的占空比d之間的關(guān)系能夠被描述為：

vab＝(2d-1)×vbus公式1

vbus是如在圖4b中所示的逆變器410的dc供應(yīng)電壓。

為了補償振蕩電流，有源功率濾波器340需要通過升壓變壓器420生成比梯度線圈高的電壓。所述梯度線圈電壓由以下公式來管理：

lcoil是梯度線圈的電感；

icoil是梯度線圈的電流；

rcoil是梯度線圈的電阻。

因此，有源功率濾波器需要生成電壓：

vapf＝vcoil+2π×fosc×iosc×(l1+l2)公式3

fosc是振蕩電流的頻率；

iosc是振蕩電流；

l1和l2是電路430的電感器的電感。

兩個次級繞組n2與n3的數(shù)量與初級繞組n1的數(shù)量的匝數(shù)比能夠通過以下公式來確定：

在范例中，由整流器向逆變器410供應(yīng)的dc總線電壓被控制到100v，升高變壓器420的匝數(shù)比為1:10:10，使得逆變器的輸出電壓被變壓器提升到±1000v以驅(qū)動諸如兩個47uf電感器的電感器電路430，從而生成用于補償振蕩電流iosc的補償電流iapf。

圖6a圖示了針對與梯度線圈330耦合的有源功率濾波器340的等效電路模型。逆變器410和變壓器420可以等效于輸出電壓vapf(s)的電壓源。電感器電路430可以等效于在電壓vapf(s)的驅(qū)動下供應(yīng)補償電流iapf(s)的電感l(wèi)1。梯度線圈330可以等效于電阻rgc和電感l(wèi)gc。輸出電壓vapf(s)與占空比d(s)之間的關(guān)系能夠在s域中被描述為如下：

圖6b示出了用于跟蹤補償電流iapf的示范性過程。該過程可以在諸如dsp、cpu等的控制器中執(zhí)行。應(yīng)當(dāng)理解，對振蕩電流的跟蹤不限于特定過程，也可以使用其他跟蹤算法。

如在圖6b中所示的，能夠基于在梯度線圈參考電流igc_ref與梯度線圈反饋電流igc之間的差來獲得補償電流iapf。梯度線圈參考電流igc_ref表示旨在被供應(yīng)到梯度線圈的預(yù)定電流。梯度線圈電流igc表示流動通過梯度線圈的測得的電流并且被反饋給控制器。傳感器可以被設(shè)置在梯度線圈330處以測量梯度線圈電流igc。iapf表示要被跟蹤的補償電流。

如在圖6b中所示的，比例積分(pi)函數(shù)gic(s)可以被用于基于梯度線圈的參考電流、梯度線圈的反饋電流以及要被跟蹤的補償電流并且特別是基于(igc_ref-igc)與iapf的差來確定占空比d。應(yīng)當(dāng)理解，盡管在該范例中針對電流跟蹤采用pi函數(shù)gic(s)，但是也可以使用其他控制算法。

如在公式(7)和圖6b中所示的，占空比d(s)由gic(s)來確定，并且iapf(s)是測得的補償電流并且被反饋給控制器。傳感器可以被設(shè)置在電感器電路430的電感器處，如在圖4b中所示的，以測量補償電流iapf(s)。gid(s)的輸出是被跟蹤的平均補償電流iapf_ave。

函數(shù)ghall是傳遞函數(shù)，其用于將由gid(s)輸出的被跟蹤的補償電流縮小到適合于被gic(s)函數(shù)處理的值，例如，函數(shù)ghall可以是用于縮放gid(s)的輸出的恒定值。因此，ghall的輸出仍然表示被跟蹤的補償電流iapf。

圖6c圖示了根據(jù)本發(fā)明的一實施例的用于向mri系統(tǒng)中的梯度線圈供應(yīng)電流的方法。

在框710處，功率放大器310可以向梯度線圈330供應(yīng)梯度線圈電流。在框720處，被耦合到功率放大器310的emi濾波器320可以對梯度線圈電流的諧波分量進行阻尼，其中，由無源濾波器320的振蕩所引起的振蕩電流存在于梯度線圈電流中。在框730處，被耦合在emi濾波器320與梯度線圈330之間的有源功率濾波器340可以生成補償電流以補償振蕩電流。

在一實施例中，有源功率濾波器340可以通過以下步驟來生成如在框730所示的補償電流：有源功率濾波器340的逆變器410可以基于在梯度線圈電流與預(yù)定參考電流之間的差來生成第一電壓；有源功率濾波器340的變壓器420可以將第一電壓提升到第二電壓；并且有源功率濾波器340的電感器電路430可以由第二電壓驅(qū)動以生成補償電流。

在一實施例中，逆變器410可以是如在圖4b中所示的h橋逆變器。逆變器410可以通過由驅(qū)動信號驅(qū)動第一半橋和第二半橋中的每個中的高壓側(cè)晶體管和低壓側(cè)晶體管以交替地開啟來生成第一電壓，其中，針對第一半橋中的高壓側(cè)晶體管的驅(qū)動信號以及針對第二半橋中的低壓側(cè)晶體管的驅(qū)動信號具有相同的占空比和彼此180°的相移。

在一實施例中，為了驅(qū)動逆變器410，控制器可以生成針對逆變器的驅(qū)動信號。所述驅(qū)動信號的占空比可以由梯度線圈電流與預(yù)定參考電流之間的差來確定。所述控制器可以采用以上結(jié)合圖6a和圖6b所圖示的跟蹤過程，以便跟蹤補償電流并相應(yīng)地生成針對逆變器的驅(qū)動信號。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所述跟蹤方法，而是可以采用各種跟蹤方法來跟蹤在本發(fā)明中所提出的梯度放大器系統(tǒng)中的補償電流。

除了上文結(jié)合圖6c所描述的方法操作以外，該方法可以包括上文結(jié)合圖3a至圖6b所描述的任何操作。

應(yīng)當(dāng)注意，上文所提到的實施例例示而非限制本發(fā)明，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計備選實施例而不脫離權(quán)利要求的范圍。在權(quán)利要求中，詞語“包括”并不排除未在權(quán)利要求或說明書中列出的元件或步驟的存在。在元件前的詞“一”或“一個”并不排除多個這樣的元件的存在。對詞語第一、第二等的使用并不指示任何排序。這些詞語僅被解讀為名稱。