阅读说明：本技术 一种磁共振超导磁体电源及其控制方法 (Magnetic resonance superconducting magnet power supply and control method thereof ) 是由 王恒 于 2020-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁共振超导磁体电源及其控制方法,该磁共振超导磁体电源包括第一变换器即PWM整流器(单元),第二变换器即双有源桥DC-DC变换器单元,第三变换器即H桥单元以及超导磁体升降场及闭环控制模块。本发明可完成电网向(磁共振)超导磁体正向传输能量,超导磁体向电网反向回馈能量以及超导磁体励磁完成后可靠的切入超导开关。本发明所述的一种磁共振超导磁体电源,第二变换器采用高频变压器完成电气隔离,省去了第一变换器的工频变压器,大大减小电源整机体积；第三变换器不仅实现了励磁退磁过程中输出电压极性切换,而且励磁完成后超导磁体电流在第三变换器开关管和超导磁体中流动,提高了之后超导磁体闭环的可靠性。(The invention discloses a magnetic resonance superconducting magnet power supply and a control method thereof. The invention can complete the forward energy transmission from the power grid to the (magnetic resonance) superconducting magnet, the superconducting magnet feeds back energy to the power grid in a reverse direction, and the superconducting switch is reliably switched on after the excitation of the superconducting magnet is completed. According to the magnetic resonance superconducting magnet power supply, the second converter adopts the high-frequency transformer to complete electrical isolation, so that a power frequency transformer of the first converter is omitted, and the overall volume of the power supply is greatly reduced; the third converter not only realizes the output voltage polarity switching in the excitation and demagnetization process, but also improves the reliability of the later superconducting magnet closed loop because the superconducting magnet current flows in the third converter switch tube and the superconducting magnet after the excitation is finished.)

一种磁共振超导磁体电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及超导磁体领域，特别涉及到一种磁共振超导磁体电源及其控制方法。

背景技术

磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging,MRI)是利用核磁共振原理，检测目标核素能级跳跃所释放的能量从而检测目标核素在生物体内的分布，广泛的应用于临床医用和科学研究领域，是重要的影像学设备。超导磁体是MRI的重要部件，在目标区域内产生高均匀度磁场分布。超导磁体的升降场由磁体电源控制完成，要求电源具有双向能量传输的能力，电源可靠性高。

一方面，超导磁体经常励磁和退磁，举例来说，磁共振在运输过程中通常无磁场，到达现场时再升场调试，故而要求磁体电源体积小，便于运输。早期的超导磁体电源采用基于工频变压器隔离的可控硅整流电路，如论文“双反星型整流电路并联运行分析”所述结构，电源体积大且响应速度慢，纹波较大。工频变压器隔离的PWM整流器方案是后期发展的拓扑结构，如论文“高昌磁共振超导磁体电源的拓扑设计与分析”，虽然其动态响应速度有所提高，但还需采用工频变压器，整机体积仍较大。

另一方面，现有文献和专利较少有针对磁共振超导磁体切入超导开关所做的特殊控制电路。超导开关是磁共振超导磁体稳态运行的必不可少的部件，并联在超导磁体两端，保证了目标区域的磁场高均匀度。当(磁共振)超导磁体电流达到设定值后，超导开关通过控制转变为超导态，超导磁体电流逐渐流过超导开关，电源输出电流逐渐降为0，电源断开；该过程负载突变，输出电流突变，电源处于暂态运行工况中，会出现变压器偏磁等问题，影响了电源的可靠运行。

此外，小型化、高可靠性是电能变换装置发展的一个重要趋势，也是磁共振超导磁体系统对磁体电源的要求。

发明内容

本发明目的是提供一种小型化、高可靠性的磁共振超导磁体电源及控制方法。具体的，本发明提出的一种PWM整流器+双有源桥+H桥的拓扑结构，将高频变压器用于电气隔离和能量传输，可省略工频变压器，降低了电源的体积；控制电路双有源桥模块不仅可改变输出电压的极性，进一步的，通过控制，超导磁体闭环电流仅在双有源桥模块和超导磁体中流动，提高了电源在负载突变瞬间运行的可靠性。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种磁共振超导磁体电源，包括依次布置的第一变换器、第二变换器、第三变换器以及电源负载超导磁体单元，所述的第一变换器为PWM整流器单元，所述的第二变换器为双有源桥的隔离DC/DC变换器单元，所述的第三变换器为H桥单元；

所述的电源负载超导磁体单元包括超导磁体、超导开关以及磁体电源，所述的超导开关并联在超导磁体端部；

所述的第二变换器包括两个全桥H1和H2、高频变压器TF、电感L、稳压电容C1和C2，通过控制H1桥和H2桥的开关管S1、S2、S3、S4以及Q1、Q2、Q3、Q4驱动脉冲信号，调整H1桥输出电压VAB和H2桥输入电压VCD交流输出移相角；

所述的第三变换器包括第一开关管K1、第二开关管K2、第三开关管K3和第四开关管K4，所有开关管均处于导通或截止状态，第三变换器的输入电压为第二变换器的输出电压V₂，输出电压为电源负载超导磁体单元端电压V_O。

进一步的，所述的第一变换器在拓扑上包括两电平PWM整流器、三电平PWM整流器。

一种磁共振超导磁体电源的控制方法，第一变换器完成电网侧AC交流电压Vgrid到第二变换器输入侧DC直流电压V1的变换，其中V1侧电压通过控制上保持恒定；当电网向超导磁体传输能量时，第一变换器工作在整流模态，电网电压和电网电流相位夹角小于90度；当超导磁体能量回馈到电网时，第一变换器工作在有源逆变模态，电网电压和电网电流相位夹角大于90度；

第二变换器完成直流侧输入V1到直流侧输出V2的变换，电压V2通过第二变换器模块调整；

当电网向超导磁体传输能量时，H1桥输出电压VAB相位超前H2桥输入电压VCD；当超导磁体向电网回馈能量时，H1桥输出电压VAB相位滞后H2桥输入电压VCD；

当电网向超导磁体传输能量即超导磁体处于励磁状态，第一开关管K1导通，第四开关管K4的反向二极管D4续流，第二开关管K2和第三开关管K3截止，超导磁体端电压为正；

当电网向超导磁体传输能量即超导磁体处于退磁状态，第二开关管K2导通，第三开关管K3的反向二极管D3续流，第一开关管K1和第四开关管K4截止，超导磁体端电压为负；

当超导磁体电流达到设定值后，第一开关管K1导通，第三开关管K3的反向二极管D3续流，第二开关管K2和第四开关管K4截止，这时将超导开关变为超导态。

本发明的技术效果在于：本发明提出的一种PWM整流器+双有源桥+H桥的拓扑结构，将高频变压器用于电气隔离和能量传输，可省略工频变压器，降低了电源的体积；控制电路双有源桥模块不仅可改变输出电压的极性，进一步的，通过控制，超导磁体闭环电流仅在双有源桥模块和超导磁体中流动，提高了电源在负载突变瞬间运行的可靠性。

附图说明

图1是本发明的一种磁共振超导磁体电源结构示意简图；

图2是本发明的第二变换器的拓扑结构示意图；

图3是本发明的第三变换器的拓扑结构示意图；

图4是本发明的电源负载超导磁体单元的(磁共振)超导磁体、磁体电源以及超导开关接线示意简图；

图5是本发明的超导磁体励磁时第三变换器电路运行示意图；

图6是本发明的超导磁体退磁时第三变换器电路运行示意图；

图7是本发明的超导磁体励磁完成后第三变换器电路运行示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照附图，本发明公开了一种磁共振超导磁体电源及其控制方法，该磁共振超导磁体电源包括第一变换器100即PWM整流器(单元)，第二变换器200即双有源桥DC-DC变换器单元，第三变换器300即H桥单元以及超导磁体升降场及闭环控制模块。本发明可完成电网向(磁共振)超导磁体正向传输能量，超导磁体向电网反向回馈能量以及超导磁体励磁完成后可靠的切入超导开关。本发明所述的一种磁共振超导磁体电源，第二变换器200采用高频变压器完成电气隔离，省去了第一变换器100的工频变压器，大大减小电源整机体积；第三变换器300不仅实现了励磁退磁过程中输出电压极性切换，而且励磁完成后超导磁体电流在第三变换器300开关管和超导磁体410中流动，提高了之后超导磁体闭环的可靠性。

结合附图，第一变换器100是PWM整流器，完成电网侧交流电压到第二变换器200输入侧直流电压的变换，其中第二变换器200输入侧直流电压通过控制上保持恒定；第二变换器200是双有源桥，又称直流变压器，完成直流侧输入到直流侧输出的变换，直流侧输出电压由第二变换器200调整；第三变换器300是H桥，完成输出电压极性切换和闭环高可靠性运行。励磁时，通过控制，第一变换器100向第二变换器200传递能量，第二变换器200向第三变换器300传递能量，第三变换器300输出电压为正，超导磁体410电流可控增大，磁体储能。退磁时，通过控制，第三变换器300输出电压为负，超导磁体电流可控减小，磁体泄能，第三变换器300向第二变换器200传递能量，第二变换器100向电网回馈能量。超导磁体闭环时，通过控制，第一变换器100与电网不传递能量，第三变换器300的第一开关管导通，第三开关管的反向二极管续流，第二开关管和第四开关管截止，超导磁体电流在第一开关管和第三开关管的反向二极管续流，再控制超导开关令其处于超导态，将电流转移到超导开关支路中，完成超导磁体的电流闭环。

下面对上述第一变换器100、第二变换器200、第三变换器300做具体解释：

第一变换器100为PWM(Pulse-Width-Modulation)整流器。当电网向超导磁体410传输能量时，PWM整流器工作在整流模态，电网电压和电网电流相位夹角小于90度；当超导磁体410能量回馈到电网时，PWM整流器工作在有源逆变模态，电网电压和电网电流相位夹角大于90度。特别地，第一变换器100的PWM整流器在拓扑上可包括两电平PWM整流器、三电平PWM整流器等。

第二变换器200为双有源桥(Dual-Active-Bridge,DAB)，又称直流变压器，拓扑结构如示意图2所示。它包括两个全桥H1、H2、高频变压器TF、高频电感L、两个稳压电容C1、C2。通过控制H1桥和H2桥的开关管的驱动脉冲信号，即可调整H1桥输出电压和H2桥输入电压交流输出移相角。当电网向超导磁体410传输能量时，H1桥输出电压相位超前H2桥输入电压；当超导磁体410向电网回馈能量时，H1桥输出电压相位滞后H2桥输入电压。

第三变换器300是H桥变换器。当电网向超导磁体410传输能量即超导磁体处于励磁状态，第一开关管导通，第四开关管的反向二极管续流，第二开关管和第三开关管截止，超导磁体端电压为正。当电网向超导磁体410传输能量即超导磁体处于退磁状态，第二开关管导通，第三开关管的反向二极管续流，第一开关管和第四开关管截止，超导磁体端电压为负。当超导磁体电流达到设定值后，第一开关管导通，第三开关管的反向二极管续流，第二开关管和第四开关管截止，超导磁体电流在第一开关管和第三开关管的反向二极管续流(该支路无开关状态的开关管)，再控制超导开关420令其处于超导态，将电流转移到超导开关支路中，完成超导磁体的电流闭环。

具体的：

参照图1所示，一种磁共振超导磁体电源，包括第一变换器即PWM整流器单元100，第二变换器即双有源桥即隔离DC/DC变换器单元200，第三变换器300即H桥单元、以及电源负载超导磁体单元400。

第一变换器100完成电网侧AC交流电压Vgrid到第二变换器200输入侧DC直流电压V1的变换，其中V1侧电压通过控制上保持恒定。当电网向超导磁体410传输能量时，PWM整流器(单元)工作在整流模态，电网电压和电网电流相位夹角小于90度；当超导磁体410能量回馈到电网时，PWM整流器工作在有源逆变模态，电网电压和电网电流相位夹角大于90度。特别地，第一变换器100PWM整流器在拓扑上可包括两电平PWM整流器、三电平PWM整流器等。

参考图2所示，第二变换器200是双有源桥(Dual-Active-Bridge,DAB)，又称直流变压器，完成直流侧输入V1到直流侧输出V2的变换，电压V2通过第二变换器200模块调整；第三变换器是H桥，完成电压极性切换和闭环高可靠性运行。第二变换器200包括两个全桥H1(图2中110)和H2(图2中120)、高频变压器TF、电感L、稳压电容C1和C2。通过控制H1桥和H2桥的开关管S1、S2、S3、S4以及Q1、Q2、Q3、Q4驱动脉冲信号，即可调整H1桥输出电压VAB和H2桥输入电压VCD交流输出移相角。当电网向超导磁体410传输能量时，H1桥输出电压VAB相位超前H2桥输入电压VCD；当超导磁体410向电网回馈能量时，H1桥输出电压VAB相位滞后H2桥输入电压VCD。

参考图3所示，第三变换器300是H桥(单元)，包括第一开关管K1、第二开关管K2、第三开关管K3和第四开关管K4，所有开关管均处于导通或截止状态。第三变换器300的输入电压为第二变换器200单元的输出电压V₂，输出电压为电源负载超导磁体单元400即超导磁体410端电压V_O。

参考图4所示，为本发明磁共振超导磁体、磁体电源以及超导开关接线示意简图，由超导磁体410，超导开关420，低温杜瓦及低温环境区段430以及磁体电源440组成，超导开关420并联在超导磁体410端部。

参考图5所示，为本发明超导磁体410励磁时第三变换器300电路运行示意图。红色线路为电流通路(当然，这里只是示意，后期有补正调整灰度)，虚线开关管为截止开关管。当电网向超导磁体410传输能量即超导磁体410处于励磁状态，第一开关管K1导通，第四开关管K4的反向二极管D4续流，第二开关管K2和第三开关管K3截止，超导磁体410端电压为正。

参考图6所示为本发明超导磁体410退磁时第三变换器300电路运行示意图。红色线路为电流通路(当然，这里只是示意，后期有补正调整灰度)，虚线开关管为截止开关管。当电网向超导磁体410传输能量即超导磁体410处于退磁状态，第二开关管K2导通，第三开关管K3的反向二极管D3续流，第一开关管K1和第四开关管K4截止，超导磁体410端电压为负。

参考图7所示为本发明超导磁体410退磁时第三变换器300电路运行示意图。红色线路为电流通路(当然，这里只是示意，后期有补正调整灰度)，虚线开关管为截止开关管。当超导磁体410电流达到设定值后，第一开关管K1导通，第三开关管K3的反向二极管D3续流，第二开关管K2和第四开关管K4截止，即将超导磁体410电流转移到示意图7中红线部分。相比于传统减小电源输出电流方式，该支路开关管不处于开关状态，仅处于导通和反向二极管续流状态，运行可靠性较高，这时将超导开关420变为超导态，将电流由红色支路转移到超导开关420支路中完成闭环。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。