本实用新型专利技术涉及一种基于GaN半导体的低场磁共振梯度功率放大器，属于核磁共振技术领域，包括H桥放大模块和四个隔离门控驱动芯片，所述H桥放大模块包括四个GaNMOS管作为开关元件，其负载依次连接LC输出滤波器和磁共振成像设备的梯度线圈；所述四个隔离门控驱动芯片将CPLD输出的驱动信号与GaN MOS管驱动功能进行隔离；所述的四个隔离门控驱动芯片分别通过门控驱动电路对四个GaNMOS管进行控制；所述H桥放大模块上半桥的两个门控驱动电路中还设有自举电路。本方案开关频率高，开关损耗小，效率高，输出级需要的LC滤波器所需要的电感小，体积小重量小，减小了整个梯度功率放大器体积。减小了整个梯度功率放大器体积。减小了整个梯度功率放大器体积。
【技术实现步骤摘要】
基于GaN半导体的低场磁共振梯度功率放大器
[0001]本技术属于核磁共振
，涉及一种基于GaN半导体的低场磁共振梯度功率放大器。
技术介绍
[0002]梯度功率放大器作为磁共振成像设备的核心部件，接收已输出的具有一定时序的X轴、Y轴、Z轴三个方向的梯度信号进行功率放大，通过梯度线圈驱动电流在空间上生成相应的空间编码和梯度磁场，实现对成像体的空间定位。梯度功率放大器通过变化的电流使梯段线圈周围生成变化的磁场，梯度功率放大器最终的目的是为磁共振成像设备提供一个线性度高、可快速开关和切换的梯度磁场，其性能与成像质量密切相关。
[0003]传统高场磁共振成像系统中常需要对人体全身成像，因此其所需梯度功率放大器输出电流大功率高，设备体积也较大，需要单独的设备室安装电子设备。而在低场磁共振成像系统中，需要将整体系统减小，实现小型化便携可移动，因此就需要将梯度功率放大器体积和重量都大幅减小。且在低场磁共振系统中主磁场相比传统磁共振低一个数量级以上，造成图像信噪比也会下降，为保证图像信噪比，梯度系统输出电流噪声需要尽可能的低。
[0004]梯度功率放大器一般有线性梯度功率放大器和开关式梯度功率放大器，与传统线性梯度功率放大器相比，开关式梯度功率放大器最大的优势在于能效比，部分新型开关功率放大器的能效比是传统线性功率放大器的两倍左右。同时若将传统开关式梯度功率放大器用于开放式磁共振系统，当梯度功率放大器靠近磁体系统时，所产生的电磁噪声会严重降低成像图像信噪比。
技术实现思路
[0005]有鉴于此，本技术的目的在于提供一种采用氮化镓GaN宽禁带半导体材料的MOSFET作为放大器的功率放大芯片，实现最高80A峰值电流输出，低于1mA的电流纹波。
[0006]为达到上述目的，本技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于GaN半导体的低场磁共振梯度功率放大器，包括H桥放大模块和四个隔离门控驱动芯片，所述H桥放大模块包括四个GaNMOS管作为开关元件，其负载依次连接LC输出滤波器和磁共振成像设备的梯度线圈；所述四个隔离门控驱动芯片将CPLD输出的驱动信号与GaN MOS管驱动功能进行隔离；所述的四个隔离门控驱动芯片分别通过门控驱动电路对四个GaNMOS管进行控制；所述H桥放大模块上半桥的两个门控驱动电路中还设有自举电路。
[0008]进一步，所述H桥放大模块左上半桥的门控驱动电路包括电阻R1、R3、R4、R7、R9，二极管D1，稳压二极管D6、D9、D10，肖特基二极管D7，电容C1和自举电容C5；
[0009]其中，隔离门控驱动芯片的VOUT引脚依次串联R3、R4和GaNMOS管的栅极G，所述R7连接隔离门控驱动芯片的CLAMP引脚，并与R3并联；所述R1与D1负极连接，再与R3并联；所述C1与R4并联；所述D6正极与D9正极连接，D6负极连接在R4与栅极G之间，D9负极连接在源极S与隔离门控驱动芯片的GND2引脚之间；以上构成GaNMOS管驱动电路，所述H桥放大模块的右
上半桥、左下半桥、右下半桥的GaNMOS管驱动电路均与此相同；
[0010]所述H桥放大模块左上半桥的自举电路由D7、R9、C5、D10构成，其中所述D7正极与R9串联在隔离门控驱动芯片的VDD2引脚，所述D10和C5的一端连接在R9与VDD2引脚之间，另一端连接在源极S与隔离门控驱动芯片的GND2引脚之间，给D7施加9V电压；所述H桥放大模块右上半桥的自举电路与此相同。
[0011]进一步，所述H桥放大模块下半桥的GaNMOS管的源极、肖特基二极管接地；所述H桥放大模块下半桥的隔离门控驱动芯片的GND2引脚接地，VDD2引脚施加有9V电压，并且还包括电容C10、有极性电容E1，所述C10一端被施加9V电压，一端接地，所述E1与C10并联，其正极被施加9V电压，负极接地。
[0012]进一步，所述隔离门控芯片采用ADuM3121芯片进行门控隔离。
[0013]进一步，所述LC滤波器包括与H桥放大模块两个中点分别连接的两个电感L1、L2，还包括连接在两路间的多组并联电容。电感L1、L2和多组并联电容可以实现续流和滤波。
[0014]进一步，其中一路电感还串联有采样电阻R19，所述采样电阻两端分别连接有PID反馈调节模块和保护模块，生成反馈信号和保护信号，控制梯度信号输出的稳定和异常保护。
[0015]进一步，所述隔离门控驱动芯片的VI
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引脚和GND1引脚接地，VDD1引脚施加5V电压，并串联有接地的电容C12，VI+引脚接收门控信号输入。
[0016]进一步，还包括减法器、比较器、三角波发生器，所述梯度信号输入减法器，所述减法器和三角波发生器分别与比较器连接，所述比较器连接CPLD，所述PID反馈调节模块连接减法器，所述保护模块连接CPLD。所述梯度信号首先输入减法器，与PID反馈调节模块生成的反馈信号作差，再输入比较器，与三角波发生器进行比较，生成一系列秒冲序列作为驱动信号输入CPLD，所述CPLD将驱动信号分为四路SPWM波控制信号输出到四个隔离门控驱动芯片的2引脚，令H桥放大模块的两组上下桥交替开启，所述两组上下桥为：左上半桥与右下半桥为一组，右上半桥与左下半桥为一组；所述保护模块生成的保护信号输入CPLD。
[0017]进一步，所述电压VDD为9V，通过所述GaNMOS管驱动电路的作用将隔离门控驱动芯片的输出电压控制在6V至
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2V，其中6V为GaNMOS管导通电压，
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2V为GaNMOS管关断电压。
[0018]进一步，所述开关元件还包括并联在所述GaNMOS管漏极D和源极S上的体二极管。体二极管用于在四个GaN NMOS管均关断的死区时间阶段进行续流。
[0019]本技术的有益效果在于：基于GaNMOS管的梯度功率放大器开关频率高，开关损耗小，效率高，输出级需要的LC滤波器所需要的电感小，从而使得体积和重量减小，减小了整个梯度功率放大器体积。
[0020]传统梯度功率放大器需要单独放置于屏蔽房外的设备柜，不能直接用于低场开放式磁共振系统，当靠近磁体系统放置时产生的开关噪声会严重影响磁共振信号信噪比，而本方案的基于GaNMOS管的梯度功率放大器由于开关频率高，因此产生的开关噪声频率高，大于低场磁共振工作频段，采用结构较为简单的低通滤波器即可滤除开关噪声，做到极低的电流纹波，可放置于磁体系统下方而对磁共振信号产生极小影响，利于移动磁共振设备一体化设计制造。
[0021]本方案针对低场移动磁共振系统，基于GaN材料的特性，使最大输出峰值电流达到80A，电流噪声小于1mA，可以利用三个本装置构成核磁共振系统中的X,Y,Z三通道放大器，
容纳于一个3U机箱内，有效的缩小了整个设备体积。
[0022]本技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于GaN半导体的低场磁共振梯度功率放大器，其特征在于：包括H桥放大模块和四个隔离门控驱动芯片，所述H桥放大模块包括四个GaN MOS管作为开关元件，其负载依次连接LC输出滤波器和磁共振成像设备的梯度线圈；所述四个隔离门控驱动芯片将CPLD输出的驱动信号与GaN MOS管驱动功能进行隔离；所述的四个隔离门控驱动芯片分别通过门控驱动电路对四个GaN MOS管进行控制；所述H桥放大模块上半桥的两个门控驱动电路中还设有自举电路。2.根据权利要求1所述的基于GaN半导体的低场磁共振梯度功率放大器，其特征在于：所述H桥放大模块左上半桥的门控驱动电路包括电阻R1、R3、R4、R7、R9，二极管D1，稳压二极管D6、D9、D10，肖特基二极管D7，电容C1和自举电容C5；其中，隔离门控驱动芯片的VOUT引脚依次串联R3、R4和GaN MOS管的栅极G，所述R7连接隔离门控驱动芯片的CLAMP引脚，并与R3并联；所述R1与D1负极连接，再与R3并联；所述C1与R4并联；所述D6正极与D9正极连接，D6负极连接在R4与栅极G之间，D9负极连接在源极S与隔离门控驱动芯片的GND2引脚之间；以上构成GaN MOS管驱动电路，所述H桥放大模块的右上半桥、左下半桥、右下半桥的GaN MOS管驱动电路均与此相同；所述H桥放大模块左上半桥的自举电路由D7、R9、C5、D10构成，其中所述D7正极与R9串联在隔离门控驱动芯片的VDD2引脚，所述D10和C5的一端连接在R9与VDD2引脚之间，另一端连接在源极S与隔离门控驱动芯片的GND2引脚之间，给D7施加9V电压；所述H桥放大模块右上半桥的自举电路与此相同。3.根据权利要求2所述的基于GaN半导体的低场磁共振梯度功率放大器，其特征在于：所述H桥放大模块下半桥的GaN MOS管的源极、肖特基二极管接地；所述H桥放大模块下半桥的隔离门控驱动芯片的GND2引脚接地，VDD2引脚施加有9V电压，并且还包括...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐征，温开旭，张伟，
申请(专利权)人：深圳航天科技创新研究院，
类型：新型
国别省市：
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