面对疾病,IGBT能做什么?

2019岁末,新型冠状病毒突袭人类,引起发热、咳嗽、呼吸窘迫等症状。在严峻的形势面前,能够快速识别并确诊病例成为能否打赢这场战役的重中之重。

新冠病毒诊疗指南指出,COVID-19感染者的肺部影像学表现为:早期呈现多发小斑片影及间质改变,以肺外带明显。进而发展为双肺多发磨玻璃影、浸润影,严重者可出现肺实变,胸腔积液少见。

在疑似患者激增、试剂盒短缺的情况下,肺部影像学的改变已成为临床病例的重要依据。

在现代医学中,医学影像学早已成为疾病诊断及治疗的重要武器。我们熟知的影像学检查方法有超声、X光、CT及MRI等。其中X光及CT具有放射性,在儿童、孕妇以及需要长期重复检查的患者中受到一定限制。相比于CT和X光的辐射问题,MRI的无辐射特性显示出良好的应用前景。

“图1:腹部光梭重建动画效果”
图1:腹部光梭重建动画效果
(图片经上海联影医疗科技秒速时时彩授权使用)

MRI就是我们熟知的核磁共振成像。其工作原理是:将人体置于特殊的磁场中,用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核,引起氢原子核共振,并吸收能量。在射频脉冲停止后,氢原子核按特定频率发出射电信号,并将吸收的能量释放出来,被体外的接收器收录,经电子计算机处理获得图像,这就叫核磁共振成像。

“图2:光梭3.0T磁共振”
图2:光梭3.0T磁共振
(图片经上海联影医疗科技秒速时时彩授权使用)

磁共振成像扫描仪是一个十分复杂的系统,主要由磁体子系统、射频子系统以及梯度子系统三部分构成。其中磁体子系统用以提供强大的静磁场,而且要求较大的空间范围(能容纳病人)、保持高度均匀的磁场强度;射频子系统则主要通过射频线圈向人体发射射频信号,然后通过射频功放和射频收发器将人体发射的射频信号传输至谱仪当中,最后生成梯度脉冲序列;梯度子系统负责将谱仪生成的梯度脉冲序列信号进行功率放大,在成像空间中的X轴、Y轴、Z轴上分别产生一个线性变化的梯度磁场,由此使成像区域各处的磁场各不相同,实现磁场的空间编码。梯度放大器负责给梯度线圈供电。为获得高质量的图像,要求梯度放大器能对电感负载提供精度高、变化快的电流脉冲,其典型输出波形为梯形。

“图3:磁共振成像设备的组成”
图3:磁共振成像设备的组成

梯度放大器需要在很短的时间内输出很大的电流,例如需要在100us~400us左右的时间内将400uH的梯度线圈中的电流上升至最大600A~900A(分别对应1。5T及3T设备),做到这一点需要近千伏甚至数千伏的直流母线电压。放大器的功率模块主开关须能承受近千伏的母线电压和数百安培的电流,同时还需要工作在较高的开关频率下。IGBT可以做到很大的功率,耐高压和耐大电流的能力十分出色,同时能工作在较高的开关频率,因此很适合应用于梯度放大器场合。目前,几乎所有的梯度放大器生产厂商均采用IGBT来作为功率模块的主开关。大功率的全桥开关拓扑是梯度放大器最基本的结构单元,实际应用中可以通过H桥的并联或级联实现更大的输出功率、更高的开关频率,从而改善梯度电流的质量,更快速地获得更清晰的图像。

“图4:梯度放大器的全桥电路”
图4:梯度放大器的全桥电路

下面我们将使用一个简化的H桥拓扑,基于通用的工作条件,运用英飞凌在线仿真工具IPOSIM,选择一款适合梯度放大器的IGBT模块。梯度放大器一般工作在较高的频率(20kHz以上),这就要求IGBT具有较低的开关损耗及较大的容量,而对导通损耗则不是特别敏感。因此这里我们选用了英飞凌S4系列IGBT FF300R12MS4(EconoDual™3封装)与FF300R12KS4(62mm)。S4产品使用的IGBT2技术虽然历史悠久,但是它具有极其优越的高频特性,其IGBT常温饱和导通压降为3.2V,导通损耗17mJ,关断损耗仅有11mJ。与之对比的是英飞凌第四代IGBT产品FF300R12ME4(EconoDual™3封装)与FF300R12KT4(62mm),IGBT常温饱和导通压降下降至1.75V,但开关损耗有所上升,Eon+Eoff分别为34.9mJ(E4)、36mJ(T4)。

“图5”
图5

在仿真中,母线电压Vdc设为750V,输出电流150A,输出频率100Hz,固定散热器温度Th=50℃,开关频率31kHz,输出电流150A。FF300R12MS4最高温度仅有85.9℃,与最高结温125℃之间还有39.1℃的全局修改位裕量;同样是EconoDual™3封装的E4模块FF300R12ME4,IGBT结温达到125.4℃,距离最高结温的margin只有24.6℃。如果把器件换成62mm的S4器件FF300R12KS4,则IGBT最高温度为93.6℃,与最高结温125℃之间有31.4℃的margin,二极管的结温margin达41.4℃,同样的62mm T4模块,IGBT最高结温为125.5℃,有24.5℃的裕量。可见英飞凌S4系列的产品非常适合应用在梯度放大器中。所以,E4/T4产品一般不直接应用于单H桥拓扑的梯度放大器中,但如果通过级联倍频的方式,使功率器件本身的开关频率降低,E4/T4也是适用的。

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“图6”
图6

值得注意的是,在梯度放大器这样开关频率达几十kHz以上的应用中,SiC MOSFET模块也展现出巨大的发展潜力。SiC是第三代宽禁带半导体材料,具有耐高温、耐高压及高开关频率的特性。将SiC MOSFET应用于梯度放大器,可以拓展工作频率、简化拓扑结构、提高响应速度。许多医疗设备厂家都在研发基于SiC的MRI系统。

一线告急,需要大量的医疗诊断设备参战。医疗设备工程师临危受命,奔赴前线,安装调试,为战胜疾病保驾护航。他们也是最美的逆行者,值得我们所有人的尊重与感谢。

愿所有的努力都不被辜负,愿所有的付出都有回报。人类与自然的斗争绵延万年从未停息,无论怎样艰难困顿,也从来不曾拱手认输。眼前的这场战役里,我们每个人都是奉陪到底的战士。反正都已经赢了SARS、MERS,COVID-19还会远吗?

参考文献

[1] 新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第五版)
[2] MRI系统中梯度放大器的研究,陈历曦,西南交通大学硕士论文
[3] 核磁共振成像系统中的梯度放大器,吴漾,西南交通大学硕士论文
[4] FF300R12MS4 datasheet,
https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-FF300R12MS4-DataSheet-v02_01-EN.p...

本文转载自:英飞凌工业半导体
作者:赵佳,张浩
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