[发明专利]用于驱动负载的功率设备和方法

说明书

本发明的实施例提供了一种功率设备。所述功率设备包括：开关模式功率转换电路，其具有功率半导体，用于响应于控制信号而驱动负载；控制器，其被耦合到所述开关模式功率转换电路，以基于要被提供到所述负载的预定的电流分布以及所述功率半导体的最大接合点温度来生成所述控制信号；以及电流注入器，其被耦合到所述开关模式功率转换电路和所述控制器，用于生成偏移电流。所述开关模式功率转换电路被控制为响应于所述控制信号而输出所述预定的电流分布或经调节的电流分布，并且所述经调节的电流分布具有相对于所述预定的电流分布的偏移。所述偏移电流等于所述经调节的电流分布与所述预定的电流分布之间的所述偏移，并且还在所述控制信号控制所述开关模式功率转换电路以输出所述经调节的电流分布的情况下与所述经调节的电流分布相加，以生成所述预定的电流分布来流动通过所述负载。

技术领域

本发明涉及用于驱动负载的功率设备和方法，并且更具体地涉及用于利用梯度放大器系统来驱动梯度线圈和磁共振成像设备的梯度放大器系统。

背景技术

功率半导体设备是被用作功率电子器件中的开关或整流器的半导体。随着金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发展，功率半导体更广泛地用于功率设备，例如，开关模式电源、功率放大器、以及功率转换器。对于功率设备而言，由功率半导体所耗散的功率是作为热来耗散的，其引起功率半导体的温度上升。当功率半导体的接合点温度达到预定的最大接合点温度T_JMAX时，功率设备过热而出现故障。所述接合点温度是晶体管的屏蔽层温度。在一些情景中，功率耗散在功率设备的功率半导体之中是不均匀分布的。为了防止故障，功率设备的最大功率容量必须是过度保守的，以考虑在功率半导体之中的功率耗散的不均匀分布。

这样的功率设备的一个范例是在磁共振成像(MRI)系统中的梯度功率放大器，其生成在X、Y和Z三个轴上的磁场，以便提供必要的空间分辨率，以用于接收由检查目标的氢质子所发出的磁共振信号。已经提出了针对梯度放大器的各种拓扑结构，以将指定的电流分布递送至梯度线圈，例如具有以堆栈配置的多个全桥电路的级联式全桥拓扑结构，或者具有在其输入部/输出部处并联连接的多个全桥电路的多个桥功率转换拓扑结构。

图1A图示了常规的全桥电路110的示意图。图1B图示了流动通过梯度线圈的示范性电流分布110。用在各种拓扑结构的梯度放大器中的全桥电路100的调制方案控制流动通过梯度线圈的电流分布110。出于简洁的目的，在图IA中仅示出了全桥电路100，以图示全桥电路的调制方案与电流分布之间的关系。然而，本领域技术人员将理解，梯度放大器可以包括如上所述的多个全桥电路。

参考图1A，全桥电路100包括高压侧功率半导体101和103，以及低压侧功率半导体105和107，例如，IGBT。所述高压侧功率半导体101和所述低压侧功率半导体105在节点A处串联连接以形成第一桥臂(bridge leg)。类似地，所述高压侧功率半导体103和所述低压侧功率半导体107在节点B处串联连接以形成第二桥臂。梯度线圈109被连接在节点A与B之间。在图1B中图示了流动通过梯度线圈109的电流分布110。如图1B所示，电流分布110表示周期性波形。在周期时间的T1的持续时间期间，所述调制方案开启高压侧功率半导体101和低压侧功率半导体107，并且关闭高压侧功率半导体103和低压侧功率半导体105。归因于对全桥电路100的调制方案，电流分布110在T1的持续时间期间以电流水平I1流动通过高压侧功率半导体101、梯度线圈109和低压侧功率半导体107。在周期时间的T2的持续时间期间，所述调制方案关闭高压侧功率半导体101和低压侧功率半导体，并且开启高压侧功率半导体103和低压侧功率半导体105。归因于对全桥电路100的调制方案，电流分布110以电流水平I2流动通过高压侧功率半导体103、梯度线圈109和低压侧功率半导体105。这样，跨功率半导体101到107中的每个功率半导体的功率耗散是由流动通过每个功率半导体的电流的电流水平和持续时间来确定的。更具体地，通过等式(1)给出了跨功率半导体101和107中的每个功率半导体的平均功率耗散：