諧振電源、磁共振成像系統及控制方法
2023-05-13 18:27:31 1
專利名稱：諧振電源、磁共振成像系統及控制方法
技術領域：
本發明涉及諧振電源和開關型變換器，特別涉及一種對串聯諧振變換器的控制機制進行改進的系統以及相關的控制方法，還涉及基於該諧振電源的磁共振成像系統。
背景技術：
作為開關型變換器的一種，串聯諧振變換器已在諸如通信，醫療，焊接等工業場合取得一定程度的應用。通常，串聯諧振變換器在運作時，可以對從電源輸入的電能進行調節轉換，並將調節好的電能作用到負載，以供負載使用。該串聯諧振變換器一般包括多個配置成半橋型或者全橋型架構的開關器件，該等開關器件在開關信號的作用下被開通或者關斷，以執行能量調節變換。傳統上，作為控制方式的一種，串聯諧振變換器採用頻率控制機制來控制串聯諧振變換器的運行。也即，作用到開關器件的開關信號的頻率相對串聯諧振變換器中的振蕩電路而言可以調節，以在串聯諧振變換器的輸出端獲得期望的輸出電壓。然而，變動的開關信號頻率會給與串聯諧振變換器相關的磁性器件例如變壓器以及濾波器等器件的設計帶來困難。此外，當輸入能量發生波動或者輸出負載發生變化時，通過傳統的控制機制可能很難獲得理想的輸出電壓。因此，有必要提供一種系統和方法運用改進的控制機制或者算法來解決上述技術問題。
發明內容
有鑑於上述提及之技術問題，在一些實施方式中，本發明提供一種諧振電源。該諧振電源包括串聯諧振變換器以及變換器控制器。該串聯諧振變換器運作時將輸入直流電壓轉換成輸出直流電壓。該串聯諧振變換器包括開關級，諧振電感，諧振電容以及隔離變壓器。該變換器控制器連接於該串聯諧振變換器。該變換器控制器被配置成根據諧振電感處檢測到的諧振電感電流，諧振電容處檢測到的諧振電容電壓，以及與該隔離變壓器相關的電壓獲取實際軌跡半徑信號，其中，該實際軌跡半徑信號代表通過該串聯諧振變換器實際傳輸的能量。該變換器控制器還被配置成根據直流電壓指令信號和在串聯諧振變換器輸出處檢測到的直流電壓反饋信號產生軌跡半徑指令信號，其中，該直流電壓指令信號指示期望在串聯諧振變換器輸出處獲得的直流電壓，該軌跡半徑指令信號代表期望通過該串聯諧振變換器傳輸的能量。該變換器控制器進一步被配置根據該實際軌跡半徑信號和該軌跡半徑指令信號產生作用到該串聯諧振變換器的開關級的控制信號。在一些實施方式中，上述提供的諧振電源中，平均值計算單元被用來計算諧振電感電流平均值，諧振電容電壓平均值以及與該隔離變壓器相關的電壓平均值。軌跡半徑計算單元被用來根據諧振電感電流平均值，諧振電容電壓平均值以及與該隔離變壓器相關的電壓平均值計算該實際軌跡半徑信號的平均值。在一些實施方式中，上述提供的諧振電源中，低通濾波器被用來濾除諧振電感電流，諧振電容電壓以及與該隔離變壓器相關的電壓中的高頻信號，以進一步獲得該實際軌跡半徑信號的平均值。在一些實施方式中，上述提供的諧振電源中，隔離變壓器的初級側電壓被作為狀態變量之一來計算實際軌跡半徑信號的平均值。在一些實施方式中，上述提供的諧振電源中，隔離變壓器的次級側電壓或者串聯諧振變換器的輸出電壓被作為狀態變量之一來計算實際軌跡半徑信號的平均值。在一些實施方式中，上述提供的諧振電源中，變換器控制器被配置成產生固定頻率的控制信號，以用於將該控制信號作用到該串聯諧振變換器的開關級。在一些實施方式中，上述提供的諧振電源中，該變換器控制器在被配置成運行在電流斷續模式。在一些實施方式中，上述提供的諧振電源中，該變換器控制器結合電壓限制單元來檢測該串聯諧振變換器的輸出電壓，並在該檢測到的輸出電壓幅值超過預定的電壓閾值時，提供指令信號，以限制該串聯諧振變換器的輸出電壓。在一些實施方式中，上述提供的諧振電源中，該變換器控制器結合電流限制單元來檢測流過諧振電感的諧振電感電流，並在該檢測到的諧振電感電流的數值超過預定的電流閾值時，提供指令信號，以限制該諧振電感電流。在一些實施方式中，本發明還提供一種諧振電源，該諧振電源包括串聯諧振變換器以及變換器控制器，該串聯諧振變換器運作時將輸入直流電壓轉換成輸出直流電壓，該變換器控制器連接於該串聯諧振變換器。該變換器控制器被配置成接收在該串聯諧振變換器輸出端檢測到的直流電壓反饋信號，該變換器控制器還被配置成根據該直流電壓反饋信號和預設的電壓閾值信號產生作用到該串聯諧振變換器的控制信號，該串聯諧振變換器在該控制信號的作用下對該輸出直流電壓作限制。在一些實施方式中，本發明還提供一種諧振電源，該諧振電源包括串聯諧振變換器以及變換器控制器，該串聯諧振變換器運作時將輸入直流電壓轉換成輸出直流電壓，該變換器控制器連接於該串聯諧振變換器。該變換器控制器被配置成接收代表流過該串聯諧振變換器的諧振電流反饋信號，該變換器控制器還被配置成根據該諧振電流反饋信號和預設的電流閾值信號產生作用到該串聯諧振變換器的控制信號，該串聯諧振變換器在該控制信號的作用下將流過該串聯諧振變換器的諧振電流限制在該預設的電流閾值以下。在一些實施方式中，本發明還提供第一種變換器控制器，以用於控制串聯諧振變換器的運作，其中，該串聯諧振變換器包括開關級，諧振電感，諧振電容以及隔離變壓器。該變換器控制器被設置成根據諧振電感處檢測到的諧振電感電流，諧振電容處檢測到的諧振電容電壓，以及與該隔離變壓器相關的電壓獲取實際軌跡半徑信號，其中，該實際軌跡半徑信號代表通過該串聯諧振變換器實際傳輸的能量。該變換器控制器還被配置成根據直流電壓指令信號和在串聯諧振變換器輸出處檢測到的直流電壓反饋信號產生軌跡半徑指令信號，其中，該直流電壓指令信號指示期望在串聯諧振變換器輸出處獲得的直流電壓，該軌跡半徑指令信號代表期望通過該串聯諧振變換器傳輸的能量。該變換器控制器進一步被配置根據該實際軌跡半徑信號和該軌跡半徑指令信號產生作用到該串聯諧振變換器的開關級的控制信號。在一些實施方式中，本發明還提供第二種變換器控制器，其用於控制串聯諧振變換器的運行，其中，該串聯諧振變換器包括開關級，諧振電感，諧振電容以及隔離變壓器。該變換器控制器包括處理模塊，其通過檢測諧振電感，諧振電容以及隔離變壓器的相關狀態變量來控制通過串聯諧振變換器傳遞給負載的能量。該串聯諧振變換器結合電壓限制單元調節串聯諧振變換器的輸出電壓，以抑制輸出電壓在瞬態事件發生時所產生的電壓波動。在一些實施方式中，本發明還提供第三種變換器控制器，其用於控制串聯諧振變換器的運行，其中，該串聯諧振變換器包括開關級，諧振電感，諧振電容以及隔離變壓器。該變換器控制器包括處理模塊，其通過檢測諧振電感，諧振電容以及隔離變壓器的相關狀態變量來控制通過串聯諧振變換器傳遞給負載的能量。該串聯諧振變換器結合電流限制單元調節流過串聯諧振變換器中的振蕩電路的電流，以避免大電流問題。在一些實施方式中，本發明還提供一種控制串聯諧振變換器運行的方法，該串聯諧振變換器運作時將輸入直流電壓轉換成輸出直流電壓，該串聯諧振變換器包括開關級，諧振電感，諧振電容以及隔離變壓器。該方法至少包括如下步驟根據諧振電感處檢測到的諧振電感電流，諧振電容處檢測到的諧振電容電壓，以及與該隔離變壓器相關的電壓獲取實際軌跡半徑信號，該實際軌跡半徑信號代表通過該串聯諧振變換器實際傳輸的能量；根據直流電壓指令信號和在串聯諧振變換器輸出處檢測到的直流電壓反饋信號產生軌跡半徑指令信號，該直流電壓指令信號指示期望在串聯諧振變換器輸出處獲得的直流電壓，該軌跡半徑指令信號代表期望通過該串聯諧振變換器傳輸的能量；以及根據該實際軌跡半徑信號和該軌跡半徑指令信號產生作用到該串聯諧振變換器的開關級的控制信號。在一些實施方式中，上述提供的控制串聯諧振變換器運行的方法還包括檢測該串聯諧振變換器的輸出電壓；以及在該檢測到的輸出電壓幅值超過預定的電壓閾值時，提供指令信號，以限制該串聯諧振變換器的輸出電壓。在一些實施方式中，上述提供的控制串聯諧振變換器運行的方法還包括檢測流過諧振電感的諧振電感電流；在該檢測到的諧振電感電流的數值超過預定的電流閾值時，提供指令信號，以限制該諧振電感電流。在一些實施方式中，本發明還提供一種具有改進的諧振電源的磁共振成像系統。該磁共振成像系統包括主磁體，梯度線圈，梯度放大器，串聯諧振變換器以及變換器控制器。該主磁體用於產生主磁場；該梯度線圈用於在選定的梯度軸上將梯度磁場作用到主磁場；該梯度放大器與該梯度線圈相連接，用於驅動該梯度線圈產生該梯度磁場。該串聯諧振變換器與該梯度放大器相連接，用於向該梯度放大器提供能量，該串聯諧振變換器運作時將輸入直流電壓轉換成輸出直流電壓，該變換器控制器連接於該串聯諧振變換器。該變換器控制器被配置成接收在串聯諧振變換器輸出端檢測到的直流電壓反饋信號或者流過該串聯諧振變換器的諧振電流反饋信號，該變換器控制器還被配置成根據該直流電壓反饋信號和預設的電壓閾值信號產生作用到該串聯諧振變換器的控制信號，該串聯諧振變換器在該控制信號的作用下對輸出直流電壓作限制，或者該變換器控制器還被配置成根據該諧振電流反饋信號和預設的電流閾值信號產生作用到該串聯諧振變換器的控制信號，以使得該串聯諧振變換器根據該控制信號對流過該串聯諧振變換器的諧振電流作限制。本發明提供的諧振電源，串聯諧振變換器，變換器控制器以及相關控制方法，通過改進其控制機制，特別對串聯諧振變換器所檢測到的狀態變量執行平均值計算，得到狀態軌跡的平均半徑，以控制通過串聯諧振變換器傳輸的能量，使諧振電源穩定運行，進一步，通過執行電壓限制機制限制輸出電壓所遇到的瞬態狀況例如過電壓狀態，還通過執行電流限制機制限制流經諧振電路的電流，以避免大電流問題。
通過結合附圖對於本發明的實施方式進行描述，可以更好地理解本發明，在附圖中圖1所示為磁共振成像系統子系統的一種實施方式的模塊示意圖。圖2所示為圖1所示的諧振電源的一種實施方式的示意圖。圖3所示為圖1所示的諧振電源的另一種實施方式的示意圖。圖4所示為在圖2和圖3所示的諧振電源中存在的一種實施方式的各種波形之間的時序關係不意圖。圖5所示為圖2所示的變換器控制器的一種實施方式的詳細控制框圖。圖6所示為圖3所示的變換器控制器的一種實施方式的詳細控制框圖。圖7所示為圖2或者圖3所示的變換器控制器的另一種實施方式的詳細控制框圖。圖8所示為圖2或者圖3所示的變換器控制器的又一種實施方式的詳細控制框圖。圖9所示為圖1所示的梯度放大器的一種實施方式的示意圖。圖10所示為在圖9所示的逆變器控制器中執行的一種實施方式的詳細控制框圖。圖11所示為磁共振成像系統的一種實施方式的示意框圖。
具體實施例方式本發明揭露的一個或者多個實施方式涉及向負載提供調節電能的電源。更具體而言，該電源為一種串聯諧振變換器(series resonant converter)類型的電源,其可以應用在磁共振成像系統(magnetic resonance system)中，並被設置成向梯度放大器供電，以使得該梯度放大器可以驅動梯度線圈產生梯度磁場，方便該磁共振成像系統進行成像。特別地，該串聯諧振變換器使用定頻(fixed frequency)控制算法對輸入的電能進行調節和變換。在此所謂的「定頻控制算法」是指在串聯諧振變換器中使用的開關器件，其開關頻率即便輸入電壓發生波動或者調節後的輸出電壓遭遇瞬態狀況時，被維持在恆定的頻率值。在一些實施方式中，通過調節驅動開關器件的開關信號之間的相位差或者相位延遲來實現電壓的調節控制。為了使得串聯諧振變換器能夠快速響應負載側的瞬態狀況，該「定頻控制算法」具體被設計成兩個控制迴路。其中第一個控制迴路為平均軌跡半徑控制迴路，第二個控制迴路為電壓控制迴路。該平均軌跡半徑控制迴路也為控制內環，其可以被設計成具有較大的帶寬，以使得該串聯諧振變換器可以快速響應負載側發生的瞬態狀況並且可以消除由於輸出電壓波動而受到的影響。該電壓控制迴路也為控制外環，其用於根據電壓指令信號調節輸出電壓。在一些實施方式中，可以進一步設置或者可選地設置過電壓保護機制或者過電流保護機制以保護該串聯諧振變換器所遇到的過電壓問題或者過電流問題。可以理解的是，通過設置過電壓保護機制或者過電流保護機制，可以在不關閉電源的情況下，給串聯諧振變換器的運作提供軟保護機制，以使得諧振電源更穩定的工作。此外，本發明揭露的一個或者多個實施方式涉及驅動梯度線圈的梯度放大器。特別地，通過補償信號來補償輸入電壓所產生的電壓波動。以下將描述本發明的一個或者多個具體實施方式
。首先要指出的是，在這些實施方式的具體描述過程中，為了進行簡明扼要的描述，本說明書不可能對實際的實施方式的所有特徵均作詳盡的描述。應當可以理解的是，在任意一種實施方式的實際實施過程中，正如在任意一個工程項目或者設計項目的過程中，為了實現開發者的具體目標，或者為了滿足系統相關的或者商業相關的限制，常常會做出各種各樣的具體決策，而這也會從一種實施方式到另一種實施方式之間發生改變。此外，還可以理解的是，雖然這種開發過程中所作出的努力可能是複雜並且冗長的，然而對於與本發明公開的內容相關的本領域的普通技術人員而言，在本公開揭露的技術內容的基礎上進行的一些設計，製造或者生產等變更只是常規的技術手段，不應當理解為本公開的內容不充分。除非另作定義，在本說明書和權利要求書中使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬技術領域內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權利要求書中使用的「第一」或者「第二」以及類似的詞語並不表示任何順序、數量或者重要性，而只是用來區分不同的組成部分。「一個」或者「一」等類似詞語並不表示數量限制，而是表示存在至少一個。「或者」包括所列舉的項目中的任意一者或者全部。「包括」或者「包含」等類似的詞語意指出現在「包括」或者「包含」前面的元件或者物件涵蓋出現在「包括」或者「包含」後面列舉的元件或者物件及其等同元件，並不排除其他元件或者物件。「連接」或者「相連」等類似的詞語並非限定於物理的或者機械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。此外，「電路」或者「電路系統」以及「控制器」等可以包括單一組件或者由多個主動元件或者被動元件直接或者間接相連的集合，例如一個或者多個集成電路晶片，以提供所對應描述的功能。首先請參閱圖1，圖1所示為磁共振成像系統中子系統20的一種實施方式的模塊示意圖。在一種實施方式中，該子系統20包括諧振電源100，其用於接收從外接電源(圖未示出)輸入的電能102，並將輸入電能102調節變換成輸出電能104。該輸出電能104被提供給梯度放大器400，以使得該梯度放大器400可以驅動一個或者多個梯度線圈600 (例如，三個軸向上的梯度線圈)產生梯度磁場602，以方便該磁共振成像系統進行成像。在一種實施方式中，該諧振電源100包括串聯諧振變換器，其在運作時可以將直流電壓形式的未處理輸入電能102調節變換成處理後的直流電壓形式的輸出電能104。需要指出的是，從本領域或者相關領域普通技術人員的角度來看，圖1僅僅概括性地描述了該諧振電源100一種應用，以向系統中的一個或者多個元件供電，然而，這樣的描述不應當理解為只將本發明限制在磁共振成像系統中，實際上，這裡描述的諧振電源100可以被合理地應用到其他相關的場合，例如，通信，醫療，以及焊接等等。請參閱圖2,圖2所示為圖1所示的諧振電源100的一種實施方式的示意圖。概括而言，在圖2所示的實施方式中，該諧振電源100包括開關級110，諧振電路120，隔離變壓器136，輸出級130以及變換器控制器140。該開關級110經由兩個輸入埠 105，106接收輸入直流電壓102，並在變換器控制器140發送的控制信號的作用下，選擇性地提供直流電壓102給諧振電路120。該隔離變壓器136被提供來對諧振電路120與輸出級130進行電氣隔離。該隔離變壓器136包括初級繞組138和次級繞組142。該初級繞組138連接於該諧振電路120，而該次級繞組142連接於該輸出級130。該輸出級130經由兩個輸出埠152，154輸出調節後的直流電壓157，以將其作用到負載156。在一種實施方式中，該負載156為如圖1所示的梯度放大器400。在一種實施方式中，該開關級110被設置成全橋型架構，其包括四個開關元件108，112，114，116 和四個二極體 118，122，124，126。該四個開關元件 108，112，114，116 可以是任何合適的固態半導體開關器件，例如，絕緣柵雙極型電晶體(Insulated Gate BipolarTransistor, IGBTs)和金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal Oxide Sem1-conductorField Effect Transistors，MOSFETs)。每一個二極體 118，122，124，126 分別以反並聯方式與每一個開關元件108，112，114，116相連接。第一開關元件108和第二開關元件112被串接在第一橋臂111中，該第一橋臂111可以被稱為滯後橋臂。第三開關元件114和第四開關元件116被串接在第二橋臂121，該第二橋臂121可以被稱為超前橋臂。在此所謂的「超前」是指在相應橋臂中的開關元件在一個開關周期內最先改變其開關狀態。在此所謂的「滯後」是指在相應橋臂中的開關元件在一個開關周期內相對超前橋臂中的開關元件，經過一定的相位延遲後再改變其開關狀態。在一些實施方式中，例如，將結合圖2所作詳細描述，滯後橋臂111中的兩個開關元件108，112以互補的方式運作，也即，當第一開關元件108開通時，該第二開關元件112關斷。類似地，超前橋臂121中的兩個開關元件114，116也以互補的方式運作。在其他實施方式中，該開關級110也可以採用半橋型架構以及任何其他合適的為本領域普通技術人員所知的拓撲架構。請繼續參閱圖2，在一種實施方式中，該諧振電路120連接在第一結點(A) 109和第二結點(B) 115之間，其中，第一結點109為第一開關元件108和第二開關元件112之間的連接點，第二結點115為第三開關元件114和第四開關元件116之間的連接點。在一種實施方式中，該諧振電路120包括諧振電感132，諧振電容134。該諧振電感132和諧振電容134以串接的方式與隔離變壓器136的初級繞組138連接在第一結點109和第二結點115之間。請繼續參閱圖2，在一種實施方式中，輸出級130包括由二極體器件構成的全橋整流器114，該全橋整流器114連接於該隔離變壓器136的次級繞組142。該全橋整流器144被配置成對次級繞組142產生的電壓進行整流處理。該輸出級130進一步包括與該全橋整流器144並聯連接的輸出電容146。該輸出電容146運作時具有低通濾波器的功能，以濾除經全橋整流器144產生的直流電壓中的波動信號。可以理解的是，在其他實施方式中，該輸出級130也可以在具體實施時省去該輸出電容146。請繼續參閱圖2，該變換器控制器140與多個信號探測器或者傳感器連接，以用於檢測並監控串聯諧振變換器100特別是諧振電路120的多個狀態變量。該變換器控制器140進一步與開關級110連接，以提供開關信號182，184，186，188給開關級110中的開關元件108，112，114，116，並控制該等開關元件的開關動作。在一種實施方式中，該變換器控制器140通過執行軌跡控制(trajectory control)算法,根據所檢測到的狀態變量以及指令信號產生該開關信號182，184，186，188。在此所謂的「軌跡控制」是指根據檢測的各種狀態變量決定串聯諧振變換器的瞬時狀態。在一種實施方式中，上述的狀態變量包括流經諧振電感132的諧振電感電流，在諧振電容134處的諧振電容電壓，以及隔離變壓器136初級繞組138處的初級電壓。該諧振電感電流可以通過電流傳感器192來檢測，其提供諧振電感電流信號168給變換器控制器140。該諧振電容電壓可以通過第一電壓傳感器194來檢測，其提供諧振電容電壓信號172給變換器控制器140。該初級電壓可以通過第二電壓傳感器196來檢測，其提供初級電壓信號174給變換器控制器140。該變換器控制器140進一步接收通過電壓傳感器158檢測到的輸出電壓反饋信號162以及電壓指令信號164以控制串聯諧振變換器100的運行，其中，輸出電壓反饋信號162為作用到負載156的輸出電壓。請參閱圖3，其所示為圖1所示的諧振電源的另一種實施方式的示意圖。在此可替換的實施方式中，上述的狀態變量包括流經諧振電感132的諧振電感電流，在諧振電容134處的諧振電容電壓，以及諧振變換器100的輸出電壓。圖3所示的示意圖基本與圖2所示的示意圖相類似。其中一個不同之處為，圖3省去了用於檢測隔離變壓器136初級繞組138電壓的電壓傳感器196。在此可替換的實施方式中，該變換器控制器140根據檢測到的諧振電感電流信號168,諧振電容電壓信號172,電壓反饋信號162以及電壓指令信號164產生分別用於驅動開關元件108，112，114，116的開關信號182，184，186，188。在一種實施方式中，該電壓反饋信號162為在負載156處所檢測到的電壓信號，在其他實施方式中，該電壓反饋信號162也可以為在隔離變壓器136的次級繞組142處檢測到的電壓信號。圖4所示為在圖2和圖3所示的諧振電源中存在的一種實施方式的各種波形之間的時序關係示意圖。如圖4所示，第一波形182和第二波形184所示為分別驅動在滯後橋臂111中第一開關元件108和第二開關元件112的開關信號波形圖。在一種實施方式中，該第一波形182和第二波形184被同步成互補方式動作，也即，當第一波形182為開通狀態時，第二波形184為關斷狀態；而當第一波形182為關斷狀態時，第二波形184為開通狀態。類似地，第三波形186和第四波形188所示為分別驅動超前橋臂121中第三開關元件114和第四開關元件116的開關信號波形圖。該第三波形186和第四波形188也以互補方式動作，也即，當第三波形186為開通狀態時，第四波形188為關斷狀態；而當第三波形186為關斷狀態時，第四波形188為開通狀態。特別地，第三波形186和第四波形188相對第一波形182和第二波形184具有可以調節的相位差或者相位延遲193 (Alpha)。圖4還進一步示出了在第一結點109和第二結點115之間的電壓波形圖189以及流經諧振電路120中諧振電感132的諧振電流的電流波形圖191。在一種實施方式中，如圖4所示，第一結點109和第二結點115之間的電壓波形189呈現出三個電壓值，正值輸入電壓102，零電壓，負值輸入電壓102。在一種實施方式中，如圖4所示，流經諧振電感132或者諧振電路120的諧振電流以接近正弦的形式在變化，並且運行在電流斷續模式。在一種實施方式中，圖2或者圖3所示的串聯諧振變換器100通過移相方式控制時，具有六個工作模式。請進一步結合參閱2和圖3，在第一模式下，第一開關元件108和第四開關元件116處於開通狀態，此時，第一結點109和第二結點115之間的電壓等於輸入直流電壓102的正值，流經諧振電感132的諧振電流以接近正弦的方式逐漸增加。當諧振電流增加到最大值時，進入第二模式。在第二模式下，第一開關元件108被關斷，而第四開關元件118仍然被維持在開通狀態，並且二極體122 (D2)處於導通狀態，以使得電流在閉合迴路中流動。在此第二模式下，第一結點109和第二結點115之間的電壓降為零，並且流經諧振電感132的電流以接近正弦的方式下降。在諧振電流降為零以後，該四個開關元件108，112，114，116的開關狀態在一定的時間範圍內維持不變，以將諧振電流維持為零一段時間，此狀態可以被稱為第三模式，也即，串聯諧振變換器100工作在電流斷續模式。此後，串聯諧振變換器100進入第四模式。此時，第二開關元件112和第三開關元件114處於開通狀態，而第一結點109和第二結點115之間的電壓等於輸入直流電壓102的負值，同時流經諧振電感132的諧振電流以接近正弦的方式在相反的方向逐漸增加。當諧振電流在反方向增加到最大值時，進入第五模式。在第五模式下，第二開關元件112被關斷，而第三開關元件114仍然被維持在開通狀態，並且二極體124 (D3)處於導通狀態，以使得電流在閉合迴路中流動。在此第五模式下，第一結點109和第二結點115之間的電壓降為零，並且流經諧振電感132的電流以接近正弦的方式變化為零。在諧振電流變化為零以後，該四個開關元件108，112，114，116的開關狀態在一定的時間範圍內維持不變，以將諧振電流維持為零一段時間，此狀態可以被稱為第六模式，也即，串聯諧振變換器100仍然工作在電流斷續模式。圖5所示為圖2所示的變換器控制器140的一種實施方式的詳細控制框圖。圖5所示的各種功能模塊可以通過硬體的形式來實現，也可以通過軟體的形式來實現，或者通過硬體結合軟體的形式來實現。在實際的應用中，該變換器控制器140可以通過微控制器來執行，也可以通過數位訊號處理器(digital signal processor,DSP)來執行。該變換器控制器140可以為比例積分控制器，比例控制器，狀態空間控制器，非線性控制器，或者任何其他合適的控制器。基本而言，圖5所示的控制框圖包括兩個控制環路，也即，控制外環210和控制內環220。該控制外環210是一個電壓環，其被設計成根據電壓指令信號以及反饋電壓，調節輸出串聯諧振變換器100的輸出電壓或者作用到負載的電壓。更具體而言，該變換器控制器140包括求和元件202，該求和元件202被配置成接收諧振變換器100的輸出級130的輸出電壓反饋信號162，並接收指示希望在串聯諧振變換器100的輸出級130獲得的輸出電壓的電壓指令信號204。該求和元件202將該電壓指令信號204與該輸出電壓反饋信號162相減，並得到電壓誤差信號206。經過相減獲得的電壓誤差信號206被提供給電壓調節器208，以用於產生軌跡半徑指令信號212，以在穩態運行時將電壓誤差信號206調節到零。控制內環220為平均軌跡半徑控制環路，該控制環路被設計成根據軌跡半徑指令信號212調節實際軌跡半徑信號。該軌跡半徑指令信號212代表期望通過串聯諧振變換器100傳輸給負載的能量。更具體而言，該變換器控制器140包括處理模塊252，該處理模塊252用於根據檢測到的諧振電感電流信號168，諧振電容電壓信號232以及初級側電壓信號233計算實際的軌跡半徑。請進一步參閱圖5，在一種實施方式中，該處理模塊250包括平均值計算單元234以及與該平均值計算單元234相連接的軌跡半徑計算單元242。該平均值計算單元234被配置接收諧振電感電流信號168，諧振電容電壓信號232以及初級側電壓信號233，並藉此計算接收到的諧振電感電流信號168，諧振電容電壓信號232以及初級側電壓信號233的平均值。諧振電容電壓232隨時間變化的函數可以表述為如下的公式:
權利要求
1.一種諧振電源，其特徵在於:該諧振電源包括:串聯諧振變換器以及變換器控制器，該串聯諧振變換器運作時將輸入直流電壓轉換成輸出直流電壓，該變換器控制器連接於該串聯諧振變換器，該變換器控制器被配置成接收在該串聯諧振變換器輸出端檢測到的直流電壓反饋信號，該變換器控制器還被配置成根據該直流電壓反饋信號和預設的電壓閾值信號產生作用到該串聯諧振變換器的控制信號，該串聯諧振變換器在該控制信號的作用下對該輸出直流電壓作限制。
2.如權利要求1所述的諧振電源，其特徵在於:該變換器控制器包括電壓限制模塊，該電壓限制模塊被配置成接收該直流電壓反饋信號，該電壓限制模塊還被配置成在該直流電壓反饋信號被判定成超過該預設的電壓閾值信號時提供指令信號，以用於修正該作用到該串聯諧振變換器的控制信號，該串聯諧振變換器根據該修正後的控制信號將該串聯諧振變換器的輸出直流電壓的幅值限制在該預設的電壓閾值之下。
3.如權利要求2所述的諧振電源，其特徵在於:該電壓限制模塊包括:電壓參考單元，第一求和元件以及限幅元件；該電壓參考單元被配置成用於產生該預設的電壓閾值信號；該第一求和元件被配置成接收該直流電壓反饋信號和該預設的電壓閾值信號，並產生代表該直流電壓反饋信號和該預設的電壓閾值信號之間差值的第一電壓偏差信號；該限幅元件被配置成將由該第一求和元件提供的第一電壓偏差信號限制在上限值和下限值以內。
4.如權利要求3所述的諧振電源，其特徵在於:該電壓限制模塊還包括:第二求和元件，該第二求和元件被配置成接收第二電壓偏差信號，該第二電壓偏差信號代表期望在該串聯諧振變換器輸出端獲得的直流電壓指令信號和該直流電壓反饋信號之間的差值，該第二求和元件還被配置成接收由 該限幅元件提供的限制的第一電壓偏差信號，該第二求和元件還被配置成產生代表該第二電壓偏差信號和該限制的第一電壓偏差信號之間差值的第二電壓偏差號。
5.如權利要求3所述的諧振電源，其特徵在於:該變換器控制器進一步包括電壓調節器，該電壓調節器被配置成接收該第三電壓偏差信號，並根據該第三電壓偏差信號產生軌跡半徑指令信號，該軌跡半徑指令信號代表期望通過該串聯諧振變換器傳輸的能量。
6.如權利要求5所述的諧振電源，其特徵在於:該串聯諧振變換器包括開關級，諧振電感，諧振電容以及隔離變壓器；該變換器控制器進一步包括處理模組，該處理模組被配置成根據諧振電感處檢測到的諧振電感電流，諧振電容處檢測到的諧振電容電壓，以及與該隔離變壓器相關的電壓產生實際軌跡半徑信號，該實際軌跡半徑信號代表通過該串聯諧振變換器實際傳輸的能量；該變換器控制器進一步被配置根據該實際軌跡半徑信號和該電壓調節器提供的軌跡半徑指令信號產生作用到該串聯諧振變換器的控制信號。
7.如權利要求6所述的諧振電源，其特徵在於:該變換器控制器包括平均值計算單元以及軌跡半徑計算單元，該平均值計算單元被配置成接收該諧振電感電流，該諧振電容電壓以及與該隔離變壓器相關的電壓，並被配置成計算諧振電感電流平均值，諧振電容電壓平均值以及與該隔離變壓器相關的電壓平均值；該軌跡半徑計算單元連接於該平均值計算單元，該軌跡半徑計算單元被配置成根據諧振電感電流平均值，諧振電容電壓平均值以及與該隔離變壓器相關的電壓平均值計算該實際軌跡半徑信號的平均值。
8.如權利要求7所述的諧振電源，其特徵在於:該與該隔離變壓器相關的電壓包括該隔離變壓器的初級側電壓，該軌跡半徑計算單元被配置成依據下面的公式計算該實際軌跡半徑信號的平均值=RADIUS2 = (Z0*ILr)2+ (V&+VpH)2，其中，Z0是該諧振電感和該諧振電容的特性阻抗，ILr是該諧振電感電流平均值，Vra是該諧振電容電壓平均值，Vph是該隔離變壓器的初級側電壓平均值，RADIUS是狀態軌跡的平均半徑。
9.如權利要求7中所述的諧振電源，其特徵在於:該與該隔離變壓器相關的電壓包括輸出電壓，該軌跡半徑計算單元被配置成依據下面的公式計算該實際軌跡半徑信號的平均值:
10.一種諧振電源，其特徵在於:該諧振電源包括:串聯諧振變換器以及變換器控制器，該串聯諧振變換器運作時將輸入直流電壓轉換成輸出直流電壓，該變換器控制器連接於該串聯諧振變換器，該變換器控制器被配置成接收代表流過該串聯諧振變換器的諧振電流反饋信號，該變換器控制器還被配置成根據該諧振電流反饋信號和預設的電流閾值信號產生作用到該串聯諧振變換器的控制信號，該串聯諧振變換器在該控制信號的作用下將流過該串聯諧振變換器的諧振電流限制在該預設的電流閾值以下。
11.如權利要求10所述的諧振電源，其特徵在於:該變換器控制器包括電流限制模塊，該電流限制模塊被配置成接收該諧振電流反饋信號，該電流限制模塊還被配置成在該諧振電流反饋信號被判定成超過該預設的電流閾值信號時提供指令信號，以用於修正該作用到該串聯諧振變換器的控制信號，該串聯諧振變換器根據該修正後的控制信號將流過該串聯諧振變換器的諧振電流的幅值限制在該預設的電流閾值之下。
12.如權利要求10所述的諧振電源，其特徵在於:該電流限制模塊包括參考電流單元，第一求和元件，電流調節器以及限幅元件，該參考電流單元被配置成產生該預設的電流閾值信號；該第一求和元件被配置成接收該諧振電流反饋信號以及該預設的電流閾值信號，該第一求和元件還被配置成產生代表該諧振電流反饋信號和該預設的電流閾值信號之間差值的電流偏差信號；該電流調節器被配置成接收該電流偏差信號，並根據該電流偏差信號產生調製指數修正信號；該限幅元件被配置成將由該電流調節器提供的調製指數修正信號限制在上限值和下限值之內。
13.如權利要求12所述的諧振電源，其特徵在於:該變換器控制器進一步包括軌跡半徑調節單元，該軌跡半徑調節單元被配置成接收代表軌跡半徑指令信號和實際軌跡半徑信號之間差值的軌跡半徑偏差信號，該軌跡半徑指令信號代表期望通過該串聯諧振變換器傳輸的能量，該實際軌跡半徑信號代表通過該串聯諧振變換器實際傳輸的能量；該軌跡半徑調節單元還被配置成根據該軌跡半徑偏差信號產生調製指數信號；該電流限制模塊進一步包括第二求和元件，該第二求和元件被配置成接收該調製指數信號和限制的調製指數修正信號，並產生代表該調製指數信號和限制的調製指數修正信號之間差值的調製指數偏差信號，該調製指數偏差信號被該變換器控制器用來產生該作用到串聯諧振變換器的控制信號。
14.一種控制串聯諧振變換器運行的方法，該其特徵在於:該方法至少包括如下步驟: 接收直流電壓反饋信號或者諧振電流反饋信號，該直流電壓反饋信號代表該串聯諧振變換器的直流電壓輸出，該諧振電流反饋信號代表流過該串聯諧振變換器的諧振電流；以及 根據該直流電壓反饋信號和預設的電壓閾值信號產生作用到該串聯諧振變換器的控制信號，以使得該串聯諧振變換器根據該控制信號對該串聯諧振變換器的直流電壓輸出作限制；或者根據該諧振電流反饋信號和預設的電流閾值信號產生作用到該串聯諧振變換器的控制信號，以使得該串聯諧振變換器根據該控制信號對流過該串聯諧振變換器的諧振電流作限制。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於:該方法還包括如下步驟:比較該直流電壓反饋信號和該預設的電壓閾值信號；以及 當該直流電壓反饋信號被判定成超過該預設的電壓閾值信號時提供指令信號，以用於修正該作用到該串聯諧振變換器的控制信號，該串聯諧振變換器根據該修正後的控制信號將其輸出直流電壓的幅值限制在該預設的電壓閾值之下。
16.如權利要求14所述的方法，其特徵在於:該方法還包括如下步驟: 比較該諧振電流反饋信號和該預設的電流閾值信號；以及 當該諧振電流反饋信號被判定成超過該預設的電流閾值信號時提供指令信號，以用於修正該作用到該串聯諧振變換器的控制信號，該串聯諧振變換器根據該修正後的控制信號將流過該串聯諧振變換器的 諧振電流的幅值限制在該預設的電流閾值之下。
17.—種磁共振成像系統，其特徵在於:該磁共振成像系統包括:主磁體，梯度線圈，梯度放大器，串聯諧振變換器以及變換器控制器，其中，該主磁體用於產生主磁場；該梯度線圈用於在選定的梯度軸上將梯度磁場作用到主磁場；該梯度放大器與該梯度線圈相連接，用於驅動該梯度線圈產生該梯度磁場，該串聯諧振變換器與該梯度放大器相連接，用於向該梯度放大器提供能量，該串聯諧振變換器運作時將輸入直流電壓轉換成輸出直流電壓，該變換器控制器連接於該串聯諧振變換器，該變換器控制器被配置成接收在串聯諧振變換器輸出端檢測到的直流電壓反饋信號或者流過該串聯諧振變換器的諧振電流反饋信號，該變換器控制器還被配置成根據該直流電壓反饋信號和預設的電壓閾值信號產生作用到該串聯諧振變換器的控制信號，該串聯諧振變換器在該控制信號的作用下對輸出直流電壓作限制，或者該變換器控制器還被配置成根據該諧振電流反饋信號和預設的電流閾值信號產生作用到該串聯諧振變換器的控制信號，以使得該串聯諧振變換器根據該控制信號對流過該串聯諧振變換器的諧振電流作限制。
全文摘要
本發明揭示一種諧振電源，其包括串聯諧振變換器以及變換器控制器。串聯諧振變換器運作時將輸入直流電壓轉換成輸出直流電壓。變換器控制器接收在串聯諧振變換器輸出端檢測到的直流電壓反饋信號。變換器控制器根據該直流電壓反饋信號和預設的電壓閾值信號產生作用到該串聯諧振變換器的控制信號，該串聯諧振變換器在該控制信號的作用下對輸出直流電壓作限制。本發明還揭示控制串聯諧振變換器運行的方法以及磁共振成像系統。
文檔編號H02M3/335GK103078510SQ20111032662
公開日2013年5月1日 申請日期2011年10月25日 優先權日2011年10月25日
發明者陸熙, 馬濤, 施貽蒙, 朱鵬程, 加倫.莫裡斯, 胡安.薩貝德, 傑弗裡.斯勞尼克, 韋斯利.史格芬頓, 瑪格利特.韋扎 申請人:通用電氣公司