2015, Vol. 32文章信息
- 胡红兵, 王延龙, 赵红菊
- HU Hong-bing, WANG Yan-long, ZHAO Hong-ju
- 基于倍频移相的梯度放大器控制技术
- A Control Technology for Gradient Amplifier Based on Multi-Frequency Shift
- 波谱学杂志, 2015, 32(1): 78-86
- Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2015, 32(1): 78-86
- http://dx.doi.org/10.11938/cjmr20150109
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文章历史
收稿日期: 2014-07-02
收修改稿日期: 2015-01-08
DOI:10.11938/cjmr20150109
梯度放大器是MR(magnetic resonance)系统的关键部件，和梯度线圈一起为系统成像提供梯度磁场，同时要求具有较低的输出电流纹波以保证系统准确的进行图像采集.从电力电子技术上，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)能够提供超过几百安培的电流能力，但是其开关频率受到器件本身特性的严重限制.而具有高频率工作的金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)又无法提供大电流输出[1, 2].通过IGBT全桥相移倍频，即能够达到大电流输出能力，又能够在梯度负载上形成倍频后的小电流纹波值.
本文提出的基于倍频移相的梯度放大器控制技术，在梯度放大器提供高梯度场强同时具有小纹波电流.该电流输出响应快，建立时间短，稳定性和重复性高，达到电流输出的快速精确控制.
1 设计与实现 1.1 系统设计超导梯度放大器系统由梯度电源及X、Y、Z三个梯度模块组成，完成将输入的电压信号转换成对应的电流信号的精确放大.本文研究的梯度放大器是700 VDC，400 A峰值输出的脉宽调制(PWM)型功率放大器，提供精密的、高保真的电流输出[3].
梯度模块子系统接收差分控制信号输入，将电源输出的稳定直流电压转换成对应输入电压信号的电流输出[4, 5].该电流输出，要求响应快，建立时间短，稳定性和重复性高，达到电流输出的快速精确控制.
3个梯度模块的功率及控制部分均采用相同设计，每个模块之间相互通用，通过不同的背板槽位及电缆连接，配制成匹配不同负载线圈的参数.梯度模块由以下部分组成：PID[比例(proportion)、积分(integration)、微分(differentiation)]控制部分、电源部分、缓冲部分、驱动部分、功率输出部分、LC滤波部分组成，梯度放大器功能模块结构图如图 1.
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| 图 1 梯度放大器功能模块结构图 Fig. 1 Functional module structure of gradient amplifier |
散热部分采用水冷方式，体积小、噪音低.
1.2 倍频移相控制技术 1.2.1 工作原理和结构一个梯度模块内部具有4个全桥IGBT拓扑结构，在每个全桥的相同位置，IGBT驱动信号之间相位相差90°，即0°，90°，180°，270°；他们分别在不同的时间工作，目的是在电感性负载中，增加输出信号频率，降低输出电流纹波.
输出功率部分的连接方式见图 2和图 3.当控制信号为大于50%的占空比，在信号为开通阶段(on time)，全桥P1N1的V1、V4 IGBT导通，V2、V3 IGBT关断，负载通过电流增加；当信号为关断阶段(off time)，全桥P1N1的V2、V3 IGBT导通V1、V4 IGBT关断.但由于二级管D2、D3的存在，此时进入续流状态，负载电流续流.其他全桥也按照此方式工作，区别仅是驱动信号时间相差1/4开关周期.
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| 图 2 功率输出全桥结构图 Fig. 2 Structure of output full-bridge |
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| 图 3 输出电感与负载连接图 Fig. 3 Output inductor and load diagram |
当控制信号为小于50%的占空比，信号为开通阶段(on time)，全桥P1N1的V2、V3 IGBT导通V1、V4 IGBT关断，负载通过电流下降；当占空比信号为关断阶段(off time)，全桥P1N1的V1、V4 IGBT导通V2、V3 IGBT关断.但由于二级管D1、D4的存在，此时进入反向续流状态，负载电流续流.
总之，占空比大于50%，负载电流正向增加（或负向减少），占空比小于50%，负载电流正向减少（或负向增加）.占空比在50%左右，负载电流基本恒定.
图 4中从上往下分别是P1，P3，P2，P4点的电压逻辑图.可以看出他们是同周期，同占空比，相位各差90°的关系.并表示出占空比为60%的情况，桥中点电压变化逻辑.
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| 图 4 占空比逻辑时序图 Fig. 4 Duty cycle logical timing diagram |
有效占空比(effective duty cycle)指实际在负载上能够产生有效电压信号（使负载电流发生变化）对应的占空比.
桥中点电压模式如下：
a.当占空比 < 25%，4个全桥中点(P1，P2，P3，P4)电压只有一个为正或者全为负；
b.当25% < 占空比 < 50%，4个全桥中点(P1，P2，P3，P4)电压有一个或者两个为正（工作状态与占空比有关）；
c.当50% < 占空比 < 75%，4个全桥中点(P1，P2，P3，P4)电压有两个或者3个为正；
d.当占空比 > 75%，4个全桥中点(P1，P2，P3，P4)电压有3个或者4个为正；
上面桥中点指P1，P2，P3，P4位置电压状态，正指母线正电压，负指母线负电压（与其对应的N1，N2，N3，N4和他们是反向关系，同一个桥臂上两个IGBT具有1 μs死区控制以避免直通）.
1.2.2 倍频控制方法根据图 3输出电感与负载连接图和图 5输出相对时序图，半桥中点电压信号的PWM(Pulse-Width Modulation)调节为双边调节方式，即以中心线为基准两边占空比增加或者两边占空比减少.其中P1、N2的两个半桥形成一个有效的输出全桥，同理P2、N1形成有效全桥.当占空比=75%时，P1-N2间的电压波形和P2-N1间电压波形如图 5.两组波形完全相同，频率变为原波形2倍，形成两倍频输出.从原理上由于占空比是双边调节，仅由P1-N2（N2和P1关系为180°相移后再取反）一个全桥就可以形成频率翻倍，P2-N1全桥相当于和P1-N2并联输出，提高梯度输出功率.
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| 图 5 输出相对时序图 Fig. 5 Output relative timing diagram |
同理，另外两组全桥P3-N4和P4-N3也并联输出，特性上他们和前两个全桥信号（P1-N2和P2-N1）分别相移90°.因此频率再次翻倍，整体上相当于产生四倍频电流输出到梯度放大器的负载.
相移开关控制技术用以实现以较低的单模块开关频率，实现较低的输出纹波和输出噪声，同时大大减少功率器件开关损耗.这一技术在将来的1 kV以上梯度放大器的开发中尤其重要[6].
1.2.3 关于均流和输出级设计梯度模块关键技术之一为大功率输出的均流技术，目的是实现多个输出部分具有相同的输出功率和损耗功率.用于防止由于损耗不平衡导致的设备不稳定.
随着梯度输出电流越来越大，单个功率模块已无法实现大电流输出以及多模块间电流的微小差别，体现在功率损耗上将是平方关系，损耗差被大幅度放大.多功率输出的均流控制技术，通过把检测到的各部分输出电流加入PWM控制环，达到各输出均流的目的.
梯度模块输出中，需要将高电压的PWM信号，通过LC滤波，变成可控的大电流信号.应用于这种条件下的大电流滤波电感，在设计、材料和实现工艺上都比较复杂.需要满足大电流不饱和、工作损耗小、功率环短路感抗大、电感设计对称、耦合电感小且电感值一致、电磁干扰小等技术要求.功率输出电感匹配技术，通过分析输出电流的相位顺序，对输出电感进行分级分配，并在绕线设计上，进行对称抵消和反向屏蔽设计.
2 结果与讨论 2.1 输出负载电压、电流波形图 6中CH1为输出到负载上的电压波形；CH2为输出到负载上的电流波形；CH4为输出电压监视波形，监视比例100 V/V.
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| 图 6 输出负载电压、电流 Fig. 6 Output voltage and current on load |
负载电压在电流上升阶段为正向脉冲，电流下降阶段为负向脉冲.电压峰值约600 V；在电流梯形波平稳阶段一般为小于100 V的直流，其由输出电流稳态值和负载线圈直流电阻值决定.针对本次测试中输出电流峰值400 A，梯度线圈内阻0.1 W情况，负载直流压降为40 V.由于在实际系统应用中，来自谱仪的梯度信号是带有上升沿和下降沿的输入，对应梯度输出的负载电压信号会产生和边沿数相同的电压切换.
从图 6中可以看出，此控制方案电压波形动态切换快，电流波形稳态平稳输出.
2.2 输入、输出电流跟踪波形图 7中CH2为来自谱仪的输入信号；CH3为梯度放大器输出电流监视信号(40 A/V).
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| 图 7 电流输入、输出对比 Fig. 7 Comparision of current command and output |
图 7的测试结果表明，针对最大电流输出状态(400 A)，输出电流对输入信号有良好的跟踪特性.建立时间（settling time，即从电流拐点位置到电流进入平稳状态的时间）小于100 μs.越快的梯度场建立时间在高场MR快速序列EPI等短梯度脉冲应用中尤为重要，可以有效的减少由于场不稳定带来的图像伪影.
对应电流拐点位置需要根据不同的梯度线圈进行负载匹配调节，方法是通过改变控制部分的PID参数，同时在200 mV的垂直标度下观察输出电流波形是否有震荡或者欠超调，同时观察输出电压切换波形，确保在具备快速性的前提下又能避免超调.
2.3 静态负载电压纹波波形图 8为输入为0时负载电压纹波振荡波形.梯度放大器是输出电流闭环反馈控制，由于控制积分环节的存在，负载静态电压会不断的进行调节，直到误差信号趋近于0.此波形由于两级输出电感在每隔90°出现一次滤波作用，从而形成振荡叠加波形.波形的震荡幅值与电感量直接相关，频率120 kHz，为IGBT驱动频率的四倍频.从图 8可以看出，四倍频可以将输出的电压、电流纹波减小为传统设计的1/4（实际测试峰峰值30 V左右，根据开关电源原理，工作频率和负载输出纹波成线性反比）.更小的输出电流纹波带来更高的梯度场强精度.使得MR系统成像具有更准确的空间定位，有效提高图像诊断的空间分辨率.
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| 图 8 电压静态输出 Fig. 8 Voltage output on static |
图 9中CH1：输出负载电压在长时间标度下的波形；CH2：负载中存在的电流噪声的长时间标度下的波形；M：为CH2的快速傅立叶变换波形；低频的梯度电流噪声会对MR图像产生严重的相位方向伪影.
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| 图 9 电流噪声 Fig. 9 Current noise |
图 9为在快速傅立叶变换下的输出电流的交流噪声测试值，经折算后在低频(1 kHz)下电流噪声低于5 mA（测试方法是利用皮尔森探头接入输出负载中）.实际在MR系统成像过程中不产生图像伪影.实验证明利用此倍频技术的控制方法，对实际负载输出不增加噪声上的影响.
2.5 系统图像测试结果在1.5 T超导系统上，对采用此设计方案设计的梯度放大器进行了图像测试，采用SE序列.序列参数为：重复时间500 ms；回波时间20 ms；翻转角90°；矩阵324×324；层厚3.5 mm；视野461 mm×461 mm；
从图 10可以看出图像没有伪影和噪声，实际测试信噪比为80，满足系统要求（大体线圈测试标准值为65）.
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| 图 10 SE序列图像 Fig. 10 SE sequence image |
从实验结果看，基于倍频移相的梯度放大器控制技术的实际应用，能够有效的降低梯度输出电流纹波，提高电流精度.为MR扫描提供更强的梯度场的同时也具有更准确的梯度场定位精度.
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| [6] | Fukuda, Nakaoka M. High-Frequency ZVS PWM Power Amplifier for Magnetic-Field Current Tracking Control Scheme and Its Design Considerations[C]. Proceedings of IEEE-PEDS, 1995: 238-245. |