开关放大器、梯度放大器及估算开关放大器剩余寿命的方法技术

本发明专利技术实施方式涉及一种开关放大器，该开关放大器包括用于给负载供电的功率装置及处理装置。该功率装置由多个电子开关组成，该处理装置用于至少部分根据每个电子开关的功率损耗产生该电子开关的结温数据，其中每个电子开关的结温数据用于评估该电子开关中接合导线的疲劳损伤情况；根据每个电子开关的结温数据计算该电子开关中接合导线的第一累积疲劳损伤值；以及根据多个电子开关中接合导线的各自第一累积疲劳损伤值产生开关放大器的估算剩余寿命。本发明专利技术实施方式还提供一种估算开关放大器剩余寿命的方法及梯度放大器。

Switching amplifier, gradient amplifier, and method for estimating residual life of switching amplifier

The embodiment of the invention relates to a switching amplifier, comprising a power device for supplying a load and a processing device. The power device is composed of a plurality of electronic switch, the processing device for at least partially according to the power loss of each electronic switch the junction temperature data of the electronic switch, the junction temperature data of each electronic switch is used to evaluate the electronic switch in wire bonding to the fatigue damage situation; the first calculation of cumulative fatigue damage of the electronic switch in the joint the wire junction temperature value according to the data of each electronic switch; and the value of remaining life estimate of the switch amplifier according to their first cumulative fatigue damage of a plurality of electronic switch in wire bonding. The embodiment of the invention also provides a method for estimating the residual life of the switching amplifier and a gradient amplifier.

【技术实现步骤摘要】
开关放大器、梯度放大器及估算开关放大器剩余寿命的方法
本专利技术实施方式涉及电子
，特别涉及开关放大器、梯度放大器及估算开关放大器剩余寿命的方法。
技术介绍
开关放大器通常用于驱动磁共振成像系统中的负载、航空系统中的负载、可再生能源系统中的负载或交通运输系统中的负载等等。开关放大器是上述这些系统中的关键部件。以开关放大器为梯度放大器作为举例说明。若梯度放大器损坏，则磁共振成像系统无法成像；导致磁共振成像系统不能正常运作，直到梯度放大器被修理或被替换。为确保磁共振成像系统的可靠运行，梯度放大器的可靠性鉴定和剩余寿命评估对磁共振成像系统是非常重要的。几代梯度放大器的使用都证明功率装置是梯度放大器中损坏可能性最高的部件，因此可通过评估功率装置的剩余寿命来评估梯度放大器的剩余寿命。传统方法中评估梯度放大器的剩余寿命的方法是离线完成的。另外一些评估梯度放大器的剩余寿命的方法需要安装传感器(例如电流传感器、电压传感器或温度传感器等)来测量温度数据，其增加了硬件成本。另外一些评估梯度放大器的剩余寿命的方法是对别的医院中的数据进行分析，这种方法是不准确的。因此，有必要提供一种解决方案以实时估算开关放大器(例如梯度放大器)的剩余寿命。
技术实现思路
现在归纳本专利技术实施方式的一个或多个方面以便于本专利技术实施方式的基本理解，其中该归纳并不是本专利技术实施方式的扩展性纵览，且并非旨在标识本专利技术实施方式的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本专利技术实施方式的一些概念。本专利技术实施方式的一个方面在于提供一种开关放大器，其包括：用于给负载供电的功率装置，该功率装置由多个电子开关组成；以及处理装置，其用于：至少部分根据每个电子开关的功率损耗产生该电子开关的结温数据，其中每个电子开关的结温数据用于评估该电子开关中接合导线的疲劳损伤情况；根据每个电子开关的结温数据计算该电子开关中接合导线的第一累积疲劳损伤值；根据多个电子开关中接合导线的各自第一累积疲劳损伤值产生开关放大器的估算剩余寿命。本专利技术实施方式的另一个方面在于提供一种估算开关放大器剩余寿命的方法，该开关放大器包括用于给负载供电的功率装置，该功率装置由多个电子开关组成；其特征在于：该方法包括：至少部分根据每个电子开关的功率损耗产生该电子开关的结温数据，其中每个电子开关的结温数据用于评估该电子开关中接合导线的疲劳损伤情况；根据每个电子开关的结温数据计算该电子开关中接合导线的第一累积疲劳损伤值；根据多个电子开关中接合导线的各自第一累积疲劳损伤值产生开关放大器的估算剩余寿命。本专利技术实施方式的又一个方面在于提供一种梯度放大器，包括：功率装置，该功率装置包括串联连接在梯度线圈两端的多个电桥电路，每个电桥电路包括多个电子开关；以及处理装置，其用于：至少部分根据电子开关的功率损耗产生每个电子开关的结温数据；其中，每个电子开关的结温数据用于评估该电子开关中接合导线的疲劳损伤情况；根据电子开关的结温数据产生每个电子开关中接合导线的第一累积疲劳损伤值；以及根据每个电桥电路的多个电子开关中接合导线的各自第一累积疲劳损伤值产生梯度放大器的估算剩余寿命。本专利技术实施例提供的开关放大器及估算开关放大器剩余寿命的方法，可以实时地估算开关放大器的剩余寿命，提高了开关放大器的可靠性。附图说明当参照附图阅读以下详细描述时，本专利技术实施方式的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：图1为一示范性实施例的开关放大器的电路图。图2为一示范性实施例的IGBT模块的结构示意图。图3为一示范性实施例的绝缘栅双极型晶体管的结构图。图4为一示范性实施例的控制器控制电桥电路运行的示意图。图5为一示范性实施例的处理装置的功能模块图。图6为一示范性实施例的电子开关和散热器的热模型的示意图。图7为一示范性实施例的二极管和散热器的热模型的示意图。图8为一示范性实施例的电子开关、对应的二极管和散热器的热模型的示意图。图9为一示范性实施例的执行雨流算法以估算开关放大器的剩余寿命的方法。图10为一个实施例示出的四个连续的谷值T1、峰值T2、谷值T3及峰值T4。图11为另一个实施例示出的四个连续的峰值T1、谷值T2、峰值T3及谷值T4。具体实施方式为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本专利技术实施方式所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本专利技术的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本专利技术实施方式的披露。除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术实施方式所属
内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。图1为一示范性实施例的开关放大器100的电路图。开关放大器100包括功率装置102及处理装置104。功率装置102用于给负载200供电。功率装置102由多个电子开关组成，处理装置104用于控制功率装置102中的多个电子开关的开通或关断。在本实施例中，开关放大器100为磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)系统中的梯度放大器，负载200为磁共振成像系统中的梯度线圈。在其它实施例中，开关放大器100用于驱动可再生能源系统、航空系统或交通运输系统等中的负载。功率装置102包括多个电桥电路Bg1,Bg2,...Bgn，多个电桥电路Bg1,Bg2,...Bgn串联连接在负载200的两端。多个电桥电路电压U1,U2,...Un被分别分配到多个电桥电路Bg1,Bg2,...Bgn，使得开关放大器100产生输出电压Uout，其中Uout＝U1+U2+...Un；输出电压Uout用于给负载200供电。在本实施例中，多个电桥电路Bg1,Bg2,...Bgn中的每一者包括两个桥臂电路Lg1,Lg2，该两个桥臂电路Lg1,Lg2与电源单元4电性耦合。桥臂电路Lg1包括两个电子开关Q1、Q4、两个二极管D1、D4及桥臂端，该两个电子开关Q1、Q4串联连接于电源单元4的正负极之间，桥臂端为两个电子开关Q1、Q4之间的连接点。电子开关Q1与二极管D1并联连接，电子开关Q4与二极管D4并联连接。桥臂电路Lg2包括两个电子开关Q2、Q3、两个二极管D2、D3及桥臂端，该两个电子开关Q2、Q3串联连接于电源单元4的正负极之间，桥臂端为两个电子开关Q2、Q3之间的连接点。电子开关Q2与二极管D2并联连接，电子开关Q3与二极管D3并联连接。在其它实施例中，桥臂电路Lg1包括串联连接于电源单元4的正负极之间的两个以上的电子开关，桥臂电路Lg2包括串联连接于电源单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关放大器，其包括：用于给负载供电的功率装置，该功率装置由多个电子开关组成；以及处理装置，其用于：至少部分根据每个电子开关的功率损耗产生该电子开关的结温数据，其中每个电子开关的结温数据用于评估该电子开关中接合导线的疲劳损伤情况；根据每个电子开关的结温数据计算该电子开关中接合导线的第一累积疲劳损伤值；根据多个电子开关中接合导线的各自第一累积疲劳损伤值产生开关放大器的估算剩余寿命。

【技术特征摘要】
1.一种开关放大器，其包括：用于给负载供电的功率装置，该功率装置由多个电子开关组成；以及处理装置，其用于：至少部分根据每个电子开关的功率损耗产生该电子开关的结温数据，其中每个电子开关的结温数据用于评估该电子开关中接合导线的疲劳损伤情况；根据每个电子开关的结温数据计算该电子开关中接合导线的第一累积疲劳损伤值；根据多个电子开关中接合导线的各自第一累积疲劳损伤值产生开关放大器的估算剩余寿命。2.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于：该多个电子开关分别与多个二极管并联连接，该处理装置还用于：至少部分根据每个电子开关的功率损耗和对应二极管的功率损耗的平均值产生该电子开关中焊接层的温度数据；根据每个电子开关中焊接层的温度数据计算该电子开关中焊接层的累积疲劳损伤值；根据多个电子开关中接合导线的各自第一累积疲劳损伤值和多个电子开关中焊接层的各自累积疲劳损伤值中的至少一者产生开关放大器的估算剩余寿命。3.如权利要求2所述的开关放大器，其特征在于：该处理装置还用于：至少部分根据每个二极管的功率损耗产生该二极管的结温数据；每个二极管的结温数据用于评估对应电子开关中接合导线的疲劳损伤情况；根据每个二极管的结温数据产生对应电子开关中接合导线的第二累积疲劳损伤值；根据多个电子开关中接合导线的各自第一累积疲劳损伤值、多个电子开关中接合导线的各自第二累积疲劳损伤值和多个电子开关中焊接层的各自累积疲劳损伤值中的至少一者产生开关放大器的估算剩余寿命。4.如权利要求3所述的开关放大器，其特征在于：该处理装置还用于：根据每个电子开关的结温的多个峰值和多个谷值计算该电子开关中接合导线的第一累积疲劳损伤值；根据每个二极管的结温的多个峰值和多个谷值计算对应电子开关中接合导线的第二累积疲劳损伤值；根据每个电子开关中焊接层的温度的多个峰值和多个谷值计算该电子开关中焊接层的累积疲劳损伤值。5.如权利要求2所述的开关放大器，其特征在于：该多个电子开关与散热器热耦合；该处理装置还用于利用每个电子开关和散热器的热模型来计算该电子开关的结温，每个电子开关的功率损耗作为与该热模型输入端电耦合的电流源；该处理装置还用于利用每个电子开关、对应的二极管以及散热器的热模型计算该电子开关中焊接层的温度，每个电子开关的功率损耗和对应二极管的功率损耗的平均值作为与该热模型输入端电耦合的电流源。6.如权利要求3所述的开关放大器，其特征在于：该多个电子开关与散热器热耦合；该处理装置还用于利用每个二极管和散热器的热模型来计算该二极管的结温，每个二极管的功率损耗作为与该热模型输入端电耦合的电流源。7.如权利要求2所述的开关放大器，其特征在于：每个电子开关的功率损耗根据该电子开关的占空比、开关频率指令以及参考电流指令来计算；每个二极管的功率损耗根据该二极管的占空比、开关频率指令以及参考电流指令来计算。8.如权利要求3所述的开关放大器，其特征在于：该处理装置还用于利用雨流算法来执行下述操作：获取每个电子开关的结温、每个二极管的结温或每个电子开关中焊接层的温度的当前峰值或当前谷值，并将其存储于缓冲器中；如果缓冲器中有足够数据来形成至少四个连续的谷值T1、峰值T2、谷值T3和峰值T4或者形成至少四个连续的峰值T1、谷值T2、峰值T3和谷值T4，则判断ΔT1、ΔT2和ΔT3是否符合下述预定数学关系(1.1)；其中ΔT1、ΔT2和ΔT3分别代表T1至T2、T2至T3以及T3至T4的温度区间：ΔT1≥ΔT2≤ΔT3(1.1)如果ΔT1、ΔT2和ΔT3符合上述预定数学关系(1.1)，则确定循环次数Ni(ΔT)等于1，以及对应的温度差异ΔT等于ΔT2，从缓冲器中删除T2和T3，获取每个电子开关的结温、每个二极管的结温或每个电子开关中焊接层的温度的下一个峰值或下一个谷值并将其存储在缓冲器中；利用下述公式(1.2)，根据每个电子开关的结温计算该电子开关中接合导线的第一累积疲劳损伤值LC，或根据每个电子开关中焊接层的温度计算该电子开关中焊接层的累积疲劳损伤值LC，或根据每个二极管的结温计算对应电子开关中接合导线的第二累积疲劳损伤值LC：其中，Nfi(ΔT)是ΔT的预定函数。9.如权利要求8所述的开关放大器，其特征在于：该处理装置还用于利用雨流算法来执行下述操作：判断缓冲器是否已满；如果ΔT1、ΔT2和ΔT3不符合上述预定数学关系(1.1)并且缓冲器已满，则确定循环次数Ni(ΔT)等于0.5以及对应的温度差异ΔT等于ΔT1，从缓冲器中删除T1，获取每个电子开关的结温、每个二极管的结温或每个电子开关中焊接层的温度的下一个峰值或下一个谷值并将其存储在缓冲器中。10.如权利要求9所述的开关放大器，其特征在于：该处理装置还用于执行雨流算法：如果ΔT1、ΔT2和ΔT3不符合上述预定数学关系(1.1)并且缓冲器未满，则确定循环次数Ni(ΔT)等于0，获取每个电子开关的结温、每个二极管的结温或每个电子开关中焊接层的温度的下一个峰值或下一个谷值并将其存储在缓冲器中。11.一种估算开关放大器剩余寿命的方法，该开关放大器包括用于给负载供电的功率装置，该功率装置由多个电子开关组成；其特征在于：该方法包括：至少部分根据每个电子开关的功率损耗产生该电子开关的结温数据，其中每个电子开关的结温数据用于评估该电子开关中接合导线的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡安·A·萨贝德，L·M·弗里戈，朱鹏程，M·J·弗里曼，玛格利特·A·韦扎，S·A·阿利，许飞，陆熙，吴涛，王汝锡，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US