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面對疾病,IGBT能做什么?

2021/06/02
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2019歲末,新型冠狀病毒突襲人類,引起發(fā)熱、咳嗽、呼吸窘迫等癥狀。在嚴峻的形勢面前,能夠快速識別并確診病例成為能否打贏這場戰(zhàn)役的重中之重。

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新冠病毒診療指南指出,2019-nCoV感染者的肺部影像學表現(xiàn)為:早期呈現(xiàn)多發(fā)小斑片影及間質改變,以肺外帶明顯。進而發(fā)展為雙肺多發(fā)磨玻璃影、浸潤影,嚴重者可出現(xiàn)肺實變,胸腔積液少見。

在疑似患者激增、試劑盒短缺的情況下,在最新版的診療指南中,肺部影像學的改變已成為臨床確診病例的重要依據(jù)。

在現(xiàn)代醫(yī)學中,醫(yī)學影像學早已成為疾病診斷及治療的重要武器。我們熟知的影像學檢查方法有超聲,X線、CT及MRI等。其中X光及CT具有放射性,在兒童、孕婦以及需要長期重復檢查的患者中受到一定限制。相比于CT和X光的輻射問題,MRI的無輻射特性顯示出良好的應用前景。

腹部光梭重建動畫效果

(圖片經(jīng)上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司授權使用)

MRI就是我們熟知的核磁共振成像。工作原理是:將人體置于特殊的磁場中,用無線電射頻脈沖激發(fā)人體內氫原子核,引起氫原子核共振,并吸收能量。在射頻脈沖停止后,氫原子核按特定頻率發(fā)出射電信號,并將吸收的能量釋放出來,被體外的接收器收錄,經(jīng)電子計算機處理獲得圖像,這就叫核磁共振成像。

光梭3.0T磁共振

(圖片經(jīng)上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司授權使用)

磁共振成像掃描儀是一個十分復雜的系統(tǒng),主要由磁體子系統(tǒng)、射頻子系統(tǒng)以及梯度子系統(tǒng)三部分構成。其中主磁體用以提供強大的靜磁場,而且要求較大的空間范圍(能容納病人),保持高度均勻的磁場強度;射頻子系統(tǒng)則主要通過射頻線圈向人體發(fā)射射頻信號,然后通過射頻功放射頻收發(fā)器將人體發(fā)射的射頻信號傳輸至譜儀當中,最后生成梯度脈沖序列。梯度子系統(tǒng)負責將譜儀生成的梯度脈沖序列信號進行功率放大,在成像空間中的X軸、Y軸、Z軸上分別產生一個線性變化的梯度磁場,由此使成像區(qū)域各處的磁場各不相同,實現(xiàn)磁場的空間編碼。梯度放大器負責給梯度線圈供電。為獲得高質量的圖像,要求梯度放大器能對電感負載提供精度高、變化快的電流脈沖,其典型輸出波形為梯形。

磁共振成像設備的組成

梯度放大器需要在很短的時間內輸出很大的電流,例如需要在100us~400us左右的時間將400uH的梯度線圈中的電流上升至最大600A~900A(分別對應1.5T及3T設備),做到這一點需要近千伏甚至幾千V的直流母線電壓。放大器的功率模塊主開關須能承受近千伏的母線電壓和數(shù)百安培的電流,同時還需要工作在較高的開關頻率下。IGBT可以做到很大的功率,耐高壓和耐大電流的能力十分出色,同時能工作在較高的開關頻率,因此很適合應用于梯度放大器場合。目前,幾乎所有的梯度放大器生產廠商均采用IGBT來作為功率模塊的主開關。大功率的全橋開關拓撲是梯度放大器最基本的結構單元,實際應用中可以將通過H橋并聯(lián)或級聯(lián)實現(xiàn)更大的輸出功率、更高的開關頻率,從而改善梯度電流的質量,獲得更快速更清晰的圖像。

梯度放大器的全橋電路

下面我們將使用一個簡化的H橋拓撲,基于通用的工作條件,使用英飛凌在線仿真工具IPOSIM,選擇一款適合梯度放大器的IGBT模塊。梯度放大器一般工作在較高的頻率(20kHz以上),這就要求IGBT具有較低的開關損耗及較大的容量,而對導通損耗則不是特別敏感。因此這里我們選用了英飛凌S4系列IGBT FF300R12MS4(EconoDual™3封裝)與FF300R12KS4(62mm)。S4產品使用的IGBT2技術雖然歷史悠久,但是它具有極其優(yōu)越的高頻特性,其IGBT常溫飽和導通壓降為3.2V,開通損耗17mJ,關斷損耗僅有11mJ。與之對比的是英飛凌第四代IGBT產品FF300R12ME4(EconoDual™3封裝)與FF300R12KT4(62mm),IGBT常溫飽和導通壓降下降至1.75V,但開關損耗有所上升,Eon+Eoff分別為34.9mJ(E4),36mJ(T4)。

在仿真中,母線電壓Vdc設為750V, 輸出電流150A,輸出頻率100Hz,固定散熱器溫度Th=50℃,開關頻率31kHz,輸出電流150A。FF300R12MS4最高溫度僅有85.9℃,與最高結溫125℃還有39.1℃的margin,同樣是EconoDual™3 封裝的E4模塊FF300R12ME4,IGBT結溫達到125.4℃,距離最高結溫的margin只有24.6℃。如果把器件換成62mm 的S4器件FF300R12KS4,則IGBT最高溫度為93.6℃,與最高結溫125℃有31.4℃的margin,二極管的結溫margin達41.4℃,同樣的62mm T4模塊,IGBT最高結溫為125.5℃,有24.5℃的裕量??梢娪w凌S4系列的產品非常適合應用在梯度放大器中。所以,E4/T4產品一般不直接應用于單H橋拓撲的梯度放大器中,但如果通過級聯(lián)倍頻的方式,使功率器件本身的開關頻率降低,E4/T4也是適用的。

值得注意的是,在梯度放大器這樣開關頻率達幾十kHz以上的應用中,SiC MOSFET模塊也展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。SiC是第三代寬禁帶半導體材料,具有耐高溫、耐高壓及高開關頻率的特性。將SiC MOSFET應用于梯度放大器,可以拓展工作頻率、簡化拓撲結構、提高響應速度。許多醫(yī)療設備廠家都在研發(fā)基于SiC的MRI系統(tǒng)。

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一線告急,需要大量的醫(yī)療診斷設備參戰(zhàn)。醫(yī)療設備工程師臨危受命,奔赴前線,安裝調試,為戰(zhàn)勝疾病保駕護航。他們也是最美的逆行者,值得我們所有人的尊重與感謝。

愿所有的努力都不被辜負,愿所有的付出都有回報。人類與自然的斗爭綿延萬年從未停息,無論怎樣艱難困頓,也從來不曾拱手認輸。眼前的這場戰(zhàn)役里,我們每個人都是奉陪到底的戰(zhàn)士。反正都已經(jīng)贏了SARS、MERS,2019-nCoV還會遠嗎?

參考文獻

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[1] 新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案(試行第五版)

[2] MRI系統(tǒng)中梯度放大器的研究,陳歷曦,西南交通大學碩士論文

[3] 核磁共振成像系統(tǒng)中的梯度放大器,吳漾,西南交通大學碩士論文

[4] FF300R12MS4 datasheet, https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-FF300R12MS4-DataSheet-v02_01-EN.pdf?fileId=db3a3043156fd573011619366ea71cde

 

英飛凌

英飛凌

英飛凌科技公司于1999年4月1日在德國慕尼黑正式成立,是全球領先的半導體公司之一。其前身是西門子集團的半導體部門,于1999年獨立,2000年上市。其中文名稱為億恒科技,2002年后更名為英飛凌科技??偛课挥诘聡鳱eubiberg的英飛凌科技股份公司,為現(xiàn)代社會的三大科技挑戰(zhàn)領域--高能效、移動性和安全性提供半導體和系統(tǒng)解決方案。 英飛凌專注于迎接現(xiàn)代社會的三大科技挑戰(zhàn): 高能效、 移動性和 安全性,為汽車和工業(yè)功率器件、芯片卡和安全應用提供半導體和系統(tǒng)解決方案。英飛凌的產品素以高可靠性、卓越質量和創(chuàng)新性著稱,并在模擬和混合信號、射頻、功率以及嵌入式控制裝置領域掌握尖端技術。英飛凌的業(yè)務遍及全球,在美國加州苗必達、亞太地區(qū)的新加坡和日本東京等地擁有分支機構。

英飛凌科技公司于1999年4月1日在德國慕尼黑正式成立,是全球領先的半導體公司之一。其前身是西門子集團的半導體部門,于1999年獨立,2000年上市。其中文名稱為億恒科技,2002年后更名為英飛凌科技??偛课挥诘聡鳱eubiberg的英飛凌科技股份公司,為現(xiàn)代社會的三大科技挑戰(zhàn)領域--高能效、移動性和安全性提供半導體和系統(tǒng)解決方案。 英飛凌專注于迎接現(xiàn)代社會的三大科技挑戰(zhàn): 高能效、 移動性和 安全性,為汽車和工業(yè)功率器件、芯片卡和安全應用提供半導體和系統(tǒng)解決方案。英飛凌的產品素以高可靠性、卓越質量和創(chuàng)新性著稱,并在模擬和混合信號、射頻、功率以及嵌入式控制裝置領域掌握尖端技術。英飛凌的業(yè)務遍及全球,在美國加州苗必達、亞太地區(qū)的新加坡和日本東京等地擁有分支機構。收起

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英飛凌科技股份公司是全球功率系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)領域的半導體領導者。英飛凌以其產品和解決方案推動低碳化和數(shù)字化進程。該公司在全球擁有約58,600名員工,在2023財年(截至9月30日)的營收約為163億歐元。英飛凌在法蘭克福證券交易所上市(股票代碼:IFX),在美國的OTCQX國際場外交易市場上市(股票代碼:IFNNY)。 更多信息,請訪問www.infineon.com