面對疾病，IGBT能做什么？

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(zhì)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(quán)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(nèi)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(quán)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(gòu)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，然后通過射頻功放和射頻收發(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(chǎn)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(zhì)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(nèi)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(guān)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(guān)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(guān)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(chǎn)廠商均采用IGBT來作為功率模塊的主開關(guān)。大功率的全橋開關(guān)拓撲是梯度放大器最基本的結(jié)構(gòu)單元，實際應用中可以將通過H橋的并聯(lián)或級聯(lián)實現(xiàn)更大的輸出功率、更高的開關(guān)頻率，從而改善梯度電流的質(zhì)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(guān)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(chǎn)品使用的IGBT2技術(shù)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(guān)斷損耗僅有11mJ。與之對比的是英飛凌第四代IGBT產(chǎn)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(guān)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(guān)頻率31kHz，輸出電流150A。FF300R12MS4最高溫度僅有85.9℃，與最高結(jié)溫125℃還有39.1℃的margin，同樣是EconoDual™3 封裝的E4模塊FF300R12ME4，IGBT結(jié)溫達到125.4℃，距離最高結(jié)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(jié)溫125℃有31.4℃的margin,二極管的結(jié)溫margin達41.4℃,同樣的62mm T4模塊，IGBT最高結(jié)溫為125.5℃,有24.5℃的裕量。可見英飛凌S4系列的產(chǎn)品非常適合應用在梯度放大器中。所以，E4/T4產(chǎn)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(guān)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(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)、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(diào)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