重復(fù)經(jīng)顱磁刺激器電容充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

雷發(fā)勝， 趙曉昕， 張廣浩， 霍小林

(1. 中國科學院生物電磁學北京市重點實驗室， 中國科學院電工研究所， 北京 100190；2. 中國科學院大學電子電氣與通信工程學院， 北京 100049；3. 工業(yè)和信息化部電信研究院， 北京 100191)

重復(fù)經(jīng)顱磁刺激器電容充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

雷發(fā)勝1,2， 趙曉昕3， 張廣浩1， 霍小林1

(1. 中國科學院生物電磁學北京市重點實驗室， 中國科學院電工研究所， 北京 100190；2. 中國科學院大學電子電氣與通信工程學院， 北京 100049；3. 工業(yè)和信息化部電信研究院， 北京 100191)

經(jīng)顱磁刺激(TMS)是一種非侵入式、無創(chuàng)無痛的神經(jīng)檢測和治療技術(shù)。其中，重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(rTMS)具有調(diào)節(jié)病變區(qū)皮質(zhì)興奮性等復(fù)雜機制，在神經(jīng)性疾病治療研究方面具有巨大潛在價值，已經(jīng)成為當今的研究熱點。電容器充電技術(shù)是重復(fù)經(jīng)顱磁刺激的核心技術(shù)，直接影響rTMS的性能，研制高效和可靠的電容充電電源成為rTMS技術(shù)發(fā)展的迫切需求。目前比較成熟的電容器充電技術(shù)中，高頻開關(guān)變換器充電方式較其他方式具有明顯的優(yōu)勢，隨著電力電子器件的發(fā)展已成為當今的主流。本文首先詳細介紹了兩種高頻變換器拓撲結(jié)構(gòu)：PWM變換器和諧振變換器，隨后從效率、充電速度、體積等幾方面闡述了可用于rTMS系統(tǒng)的電容器充電電源技術(shù)的最新研究進展，最后指明了rTMS電源技術(shù)未來的發(fā)展方向。

重復(fù)經(jīng)顱磁刺激； 電容器充電電源； PWM變換器； 諧振變換器

1 引言

經(jīng)顱磁刺激(TMS)技術(shù)是一種利用時變脈沖磁場作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使之產(chǎn)生感應(yīng)電流，影響腦內(nèi)代謝和神經(jīng)電活動，從而引起一系列的生理化學反應(yīng)的磁刺激技術(shù)[1，2]。1985年Barker等[3]成功研制出第一臺經(jīng)顱磁刺激儀，由于其相對于電刺激具有安全、無創(chuàng)和無痛苦的特點，備受人們青睞，與正電子發(fā)射型計算機斷層顯像(PET)、功能性磁共振成像(FMRI)和腦磁圖描記術(shù)(MEG)并稱為“二十一世紀四大腦科學技術(shù)”。

通過TMS可以檢測運動誘發(fā)電位(MEP)、中樞運動傳導時間(CMCT)、皮質(zhì)靜息期和運動皮質(zhì)興奮性等[4],對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷、評價和監(jiān)測有重要意義,可提供疾病病理生理機制方面的重要信息，典型應(yīng)用是脊髓損傷程度的評估[5]。重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(rTMS)是在某一特定皮質(zhì)部分給與重復(fù)刺激,其具有調(diào)節(jié)病變區(qū)皮質(zhì)興奮性等復(fù)雜機制,使其在脊髓損傷[6]、癲癇[7，8]、中風[9]、藥物成癮性[10]、抑郁癥[11，12]、偏頭痛[13-15]、帕金森病[16，17]等疾病的實驗性和應(yīng)用性治療研究方面具有的巨大潛在價值,并逐漸被應(yīng)用于臨床神經(jīng)學、神經(jīng)康復(fù)學和精神心理學領(lǐng)域。其中，對抑郁癥和偏頭痛的治療已經(jīng)通過美國FDA認證。另外，rTMS對神經(jīng)遞質(zhì)[18，19]、腦電圖(EEG)[20]的調(diào)控作用也是研究熱點。

TMS的基本原理為：給一組高壓大容量的電容上充電，用電力電子開關(guān)器件(一般用晶閘管)向磁場刺激線圈放電，不到1ms的時間流過數(shù)千安培的脈沖電流，瞬時功率達到幾十兆瓦，刺激線圈表面產(chǎn)生的脈沖磁場峰峰值最高可達6T；磁場以非侵入的方式穿過頭皮、顱骨，作用于腦組織，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在線圈下的顱內(nèi)大腦皮質(zhì)會產(chǎn)生反向感應(yīng)電流，改變細胞膜電位，當感應(yīng)電流強度超過神經(jīng)組織的興奮閾值時，就會引起局部大腦神經(jīng)去極化，引起興奮性動作，產(chǎn)生一系列生理化學反應(yīng),TMS的工作原理如圖1所示。

圖1 TMS的工作原理[1]Fig.1 Working principle of TMS[1]

重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(rTMS)是當前的研究主流。不同頻率的rTMS對運動皮質(zhì)的調(diào)節(jié)作用不同：高頻rTMS(高于1Hz)使大腦皮質(zhì)興奮性增加，低頻rTMS(低于1Hz)使大腦皮質(zhì)興奮性降低。目前rTMS工作頻率可以高達100Hz，這就要求供電電源能滿足快速充電。要產(chǎn)生不同頻率的脈沖磁場，一般由一組高壓電容的快速充放電來實現(xiàn)。電容器電壓的精度和穩(wěn)定度直接影響脈沖磁場的磁場強度，影響皮質(zhì)細胞內(nèi)的感應(yīng)電流大小，還會影響刺激深度，使得腦內(nèi)產(chǎn)生的神經(jīng)電活動與預(yù)期的有差異，導致實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差。因此，電容器充電電源(CCPS)是rTMS的核心技術(shù)，直接影響rTMS的性能，研制高穩(wěn)定性和可靠性的電容器充電電源成為迫切需求。目前，比較成熟的電容器充電技術(shù)主要有三種：傳統(tǒng)的帶限流電阻的直接高壓充電、80年代興起的工頻LC諧振式恒流充電以及90年代逐漸發(fā)展起來的高頻開關(guān)變換器充電[21-24]。前面兩種由于效率低，精度差，體積大等缺點，已經(jīng)被高頻變換器充電技術(shù)取代，下面主要介紹幾種常用的高頻變換器拓撲結(jié)構(gòu)。

2 電容器充電電源的拓撲結(jié)構(gòu)

為了滿足系統(tǒng)的需求，人們對電容器充電電源的拓撲結(jié)構(gòu)進行了大量研究。目前比較常用的高頻變換器主要有PWM變換器和諧振變換器。

2.1 PWM變換器

PWM變換器主要有Boost變換器、Flyback變換器和Ward變換器。P. K. Bhadani等采用了單個Boost變換器對電容器充電[25]。Boost變換器必須工作在較大的占空比下才能獲得較高的電壓增益，由于開關(guān)管的占空比較大，二極管的導通時間比較小，這就使得開關(guān)頻率比較低。同時還存在二極管反向恢復(fù)所帶來的開關(guān)管損耗增加的問題，進一步降低了電源效率。在沒有輔助軟開關(guān)電路的情況下，就進一步限制變換器的頻率，一般只能工作在幾kHz。為了解決上述問題,L.Huber等提出了一種級聯(lián)Boost變換器充電的方法[26]，級聯(lián)Boost變換器電路如圖2所示。通過級聯(lián)升壓可以降低每個Boost的電壓增壓，解決了單個Boost充電占空比過大的問題。同時前一級的變換器可以使用電壓等級較低的開關(guān)管和二極管，這就降低了導通損耗和反向恢復(fù)所帶來的損耗。但是后一級變換器仍然受制于二極管的反向恢復(fù)問題而無法提高開關(guān)頻率。由于是級聯(lián)變換，因此電源的效率也不夠高。

圖2 級聯(lián)Boost變換器Fig.2 Cascading of two Boost converter

F.P.Dawson和N.O.Sokal等人提出的Flyback變換器充電[27，28]具有對原邊的開關(guān)器件固有的短路保護能力，對充電電源是非常好的特性，F(xiàn)lyback變換器電路如圖3所示。Flyback變換器充電非常適合電壓等級低于10kV，功率等級低于100W的充電電源。當電壓等級與功率等級升高時，開關(guān)管的關(guān)斷電流會非常大，產(chǎn)生較大的關(guān)斷損耗；變壓器必須儲存更大的能量，輸出側(cè)的二極管也會承受較大的電壓應(yīng)力，這些因素使得Flyback拓撲不再適用。為了解決傳統(tǒng)的電容器充電電源只能適用于恒功率或者準恒功率條件下的缺陷， R. M. Nelms等提出了Ward變換器充電[29，30]，Ward變換器電路如圖4所示。Ward變換器可以適應(yīng)寬負載變化的情況，還能實現(xiàn)開關(guān)管的零電流關(guān)斷，有比較高的效率，同時也具有內(nèi)在的抗負載短路的特性。當然也存在一些缺點，Ward變換器包含了三個開關(guān)管，它們開通關(guān)斷時序的協(xié)調(diào)比較困難，變壓器的退磁也比較復(fù)雜。

圖3 Flyback變換器Fig.3 Flyback convertor

圖4 Ward變換器Fig.4 Ward converter

2.2 諧振變換器

在給電容負載充電的過程中，開始階段電容負載近乎短路，屬于重負載；到充電結(jié)束階段電容負載近乎開路，屬于輕載或空載。電容器充電過程負載變化范圍很大，這就要求充電電源能夠適應(yīng)寬負載變化范圍[31]。相對于PWM變換器，諧振變換器在負載變化范圍比較大的情況下具有比較好的性能，抗負載短路能力強，同時又可以工作在軟開關(guān)狀態(tài)，輸出整流自然換流，開關(guān)損耗和電磁干擾小，因而在電容器充電領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。諧振變換器可以分為串聯(lián)諧振(SRC)、并聯(lián)諧振(PRC)、串并聯(lián)諧振(SPRC或者LCC)以及LCL-T諧振變換器。

串聯(lián)諧振變換器電路如圖5所示，在串聯(lián)諧振電路中，電壓傳輸特性隨負載變化而變化，在諧振頻率附近輸出電壓最高，電壓調(diào)節(jié)能力差。電流傳輸特性很好，表現(xiàn)出恒流特性，在諧振頻率附近具有很高的電流值[32]。文獻[33]采用串聯(lián)諧振的拓撲結(jié)構(gòu)，負載分別采用1μF和10μF的電容，輸出電壓1.5kV，充電速率1.5kJ/s，充放電頻率800Hz。文獻[34]利用LC串聯(lián)諧振研制了一臺電容器充電電源，開關(guān)頻率為33kHz，開關(guān)器件選用IGBT，負載電容33nF，輸出電壓40kV，充放電頻率是1kHz；實驗得到最高充電速率38kJ/s，轉(zhuǎn)換效率為80.4%。串聯(lián)諧振充電具有電流恒定，可工作在開環(huán)狀態(tài)，電路實現(xiàn)簡單，應(yīng)用技術(shù)成熟等優(yōu)點，在高壓電容器充電電源中得到廣泛應(yīng)用。當然也存在開關(guān)器件所受的應(yīng)力大，高頻變壓器分布參數(shù)對電路工作影響大等不足。

圖5 串聯(lián)諧振變換器Fig.5 Series resonant converter

并聯(lián)諧振變換器電路如圖6所示，并聯(lián)諧振電路中，負載與諧振電容并聯(lián)，電壓傳輸特性好，具有恒壓源的特性。電流傳輸特性較差，易隨負載變化。文獻[35]設(shè)計了一個三電平并聯(lián)諧振電容器充電電源，開關(guān)器件選用了MOSFET，采用軟開關(guān)技術(shù)，開關(guān)頻率達到超高頻700kHz，應(yīng)用恒功率調(diào)節(jié)策略，諧振變換器中的循環(huán)流動的能量顯著減少，轉(zhuǎn)換效率達到88%。與串聯(lián)諧振相比，并聯(lián)諧振抗負載開路能力強，但電流隨負載變化較大，只適合負載固定時的電路。

圖6 并聯(lián)諧振變換器Fig.6 Parallel resonant converter

串并聯(lián)諧振變換器電路如圖7所示，串并聯(lián)諧振電路中，負載和諧振電容的一部分串聯(lián)。串并聯(lián)諧振兼有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的優(yōu)點，電壓傳輸特性和電流傳輸特性受負載的影響都很小，既有串聯(lián)諧振的恒流源的特性又有并聯(lián)諧振恒壓源的特性。文獻[36]設(shè)計了一個全橋串并聯(lián)諧振器，用高頻變壓器的漏電感作為諧振電感，分布電容作為并聯(lián)諧振電容，再串接一個電容作為串聯(lián)諧振電容，這樣就構(gòu)成了串并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，有效減小了外加諧振電感給充電電源帶來的體積增加，提高了電源的功率密度，還詳述了其工作原理，并將該串并聯(lián)諧振電源作為高壓靜電除塵(ESP)電源，效果良好。實際應(yīng)用中，LC串聯(lián)諧振電路由于其分布電容的影響實際為串并聯(lián)諧振。串并聯(lián)諧振與串聯(lián)諧振相比，在減小供電電源功率、提高充電精度、實現(xiàn)小型化方面具有明顯的優(yōu)勢[30]。

圖7 串并聯(lián)諧振變換器Fig.7 Series parallel resonant converter

LCL-T諧振變換器電路如圖8所示，LCL-T諧振相對于并聯(lián)諧振，增加了一個串聯(lián)諧振電感，可工作在恒流和恒壓兩種模式，主要由開關(guān)頻率決定。在諧振頻率附近，電流增益變化緩慢，所以不能通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來改變電流增益，常用的方法是定頻調(diào)寬方式。LCL-T諧振更有利于并聯(lián)運行，在空載的時候環(huán)流較小。另外，并聯(lián)模塊采用適當?shù)囊葡?，輸出電流的紋波峰峰值減小，紋波頻率升高，降低了對濾波器的要求。文獻[37]詳細介紹了LCL-T諧振的原理，設(shè)計了一個200W，20A的電容器充電電源，驗證了LCL-T的性能。

圖8 LCL-T諧振變換器Fig.8 LCL-T resonant converter

綜上比較，每一種高頻變換器都有各自的優(yōu)勢與不足，各諧振變換器的優(yōu)缺點如表1所示。其中串聯(lián)諧振變換器充電精度高，易于滿足大容量電容器充電精度和充電重復(fù)頻率的要求；其充電電流的峰值完全由特征阻抗決定，峰值電流較低；變壓器電壓在充電過程中逐漸升高，降低了對變壓器繞組絕緣的要求；且具有抗短路能力強、可靠性高等優(yōu)點，目前仍是電容器充電電源首選的拓撲結(jié)構(gòu)。

3 電容器充電電源的研究現(xiàn)狀

電容器充電是獲取脈沖能量的主要方式，隨著rTMS在臨床和科學研究中的地位不斷提高，rTMS系統(tǒng)對電源也提出越來越高的要求，更高的效率、更快的充電速度和更小的體積是科研和工程技術(shù)人員追求的共同目標?？蒲腥藛T在電容器充電電源方面做了大量的研究，目前最新的研究成果將有可能用于rTMS電容器充電電源，從而提高rTMS系統(tǒng)性能。

表1 諧振變換器的比較Tab.1 The comparison of resonant converter

提高效率不僅是充分利用能源的需求，也是確保rTMS系統(tǒng)充電率、器件安全以及電磁兼容性的需要。華中科技大學的研究者[38]指出影響效率的主要因素有：逆變器的功耗、LC諧振、電壓上升以及諧波產(chǎn)生的失真，并采用了軟開關(guān)技術(shù)和減小雜散電容的方法，總的效率達到了83%，功率因數(shù)達到0.94，最后還指出進一步提高效率的研究方向是提高初始充電時的功率因素。德克薩斯A&M大學的S. H. Kim等[39]在移相PWM全橋逆變電路的基礎(chǔ)上，使用以測量得到的溫度為反饋量進行控制的旋臂式控制方法(leg-rotation control method)，來減小IGBT產(chǎn)生的熱能損耗。移相PWM逆變系統(tǒng)帶有容性負載時，在開關(guān)器件兩端會產(chǎn)生不平衡電流，不平衡電流會產(chǎn)生較大的熱能損耗。實驗證明，旋臂式控制方法可以有效地減小該熱能損耗，減低器件溫度，提升效能。中國科學院電工研究所的高迎慧等[40]對主要的發(fā)熱元件的功耗進行了詳細分析，給出了相應(yīng)的經(jīng)驗計算公式，提出了瞬態(tài)熱設(shè)計方法，并設(shè)計了一個30kV/7kW的電容器充電電源進行實驗驗證。瞬態(tài)熱設(shè)計可以減小能量損耗，提升效能，同時也是開關(guān)電源小型化的核心技術(shù)。德克薩斯理工大學的S. L. Holt等[41]在輸出級串接一個大電感來延緩充電周期早期部分的不連續(xù)電流，在滿足快速充電的要求下，提高了效率，同時還給電源提供了反壓保護，但是額外增加的電感在回路中產(chǎn)生了明顯的共振，給控制帶來了挑戰(zhàn)。該諧振可以被軟開關(guān)諧振利用，或者通過分割電感來抑制，來降低諧振頻率使之低于開關(guān)頻率。

充電速度也是電容器充電電源很重要的性能指標，rTMS系統(tǒng)需要在滿足一定功率的前提下具有較高的充放電頻率，實現(xiàn)高頻閾上刺激[42]。德克薩斯理工大學的T. T. Vollmer等[43]采用高性能的數(shù)字信號控制器來提高充電速率。數(shù)字信號控制器很容易實現(xiàn)各種控制函數(shù)，其中包括電流控制回路的實時穩(wěn)定函數(shù)，可以減少器件的數(shù)量，具有明顯的控制性能，為將來實現(xiàn)先進的控制算法提供了平臺。南京理工大學的研究者[44]采用全橋串聯(lián)諧振拓撲，結(jié)合零電流關(guān)斷技術(shù)、干式變壓器以及主動冷卻技術(shù)等，設(shè)計了一個輸出電壓為12kV的電容器充電電源，平均充電電流達到5A。

電源的小型化，提高功率密度也是rTMS系統(tǒng)發(fā)展的目標。開關(guān)頻率越高，電源的體積和重量就可以設(shè)計得越小，所以提高開關(guān)頻率可以提高功率密度。但是開關(guān)頻率越高產(chǎn)生的開關(guān)損耗越大，產(chǎn)生的電磁干擾也越大，這就為電源小型化造成阻礙。北京理工大學的研究者[45]采用準諧振光電變壓器變換器，所需器件少結(jié)構(gòu)簡單，有利于實現(xiàn)軟開關(guān)實現(xiàn)高頻化。H. G. Sheng等人[46]采用三電平并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一個20kW的電容器充電電源，開關(guān)頻率達到200kHz。西華大學的研究者[47]設(shè)計一種不要反饋控制環(huán)節(jié)的電容器充電源，同時還能實現(xiàn)恒流充電，逆變采用半橋網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)更加簡單。LCL-T諧振網(wǎng)絡(luò)其實是串并聯(lián)諧振，變壓器的寄生電容和漏電感計算到諧振參數(shù)的一部分，只需增加兩個額外的鉗位二極管即可。由于有了鉗位二極管，可以省去反饋控制回路，同時還給負載電容提供了過充保護，有助于維持負載電容的電壓。

此外，為了提高功率輸出，中國科學院電工研究所的高迎慧等[48]用兩個35kW的變換器并聯(lián)運行來達到70kW的功率輸出。并聯(lián)運行不僅能提高功率輸出，還可以減小峰值功率。金屬薄膜電容具有高功率密度，耐高壓的特性，非常適合作為電容器的儲能元件。但是金屬薄膜電容有一個內(nèi)在的問題，就是高壓時有電壓滑落，會影響精度。為了解決電壓滑落的問題，華中科技大學的研究者[49]用一個比較器來控制，在充電維持階段，電容器充電電源斷續(xù)工作來補償電壓滑落。對于便攜式的電源還可以用鋁電池來補償。為了解決諧振電流峰值很大，產(chǎn)生一系列電磁干擾的問題，華中科技大學的研究者[50]以固定的開關(guān)頻率，并且開關(guān)頻率大于諧振頻率，使諧振變換器運行在過諧振狀態(tài)。這時諧振電流是連續(xù)的，隨意峰值電流減小。印度的N. Pasula等人[51]分析比較了二階諧振和四階諧振，得出四階諧振充電速度更快，峰值電流更小。

4 結(jié)論

TMS誕生至今已經(jīng)三十多年，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，對刺激電壓的精度和穩(wěn)定性要求越來越高，對刺激頻率的需求也越來越高，同時還要求提高系統(tǒng)的效率和系統(tǒng)小型化。這就要求我們研制出高精度高可靠性的電容器充電電源。本文詳細介紹了電容器充電電源的常用拓撲結(jié)構(gòu)，闡述了有可能用于rTMS的電容器充電電源的最新研究進展。總體而言，電容器充電電源的發(fā)展將朝著高頻化、高精度、模塊化、強抗負載開路和短路的能力、低功耗以及小型化的方向發(fā)展，rTMS系統(tǒng)也有可能借鑒這些新的技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)性能的提升。

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Current progress of capacitor charging techniques for repetitive transcranial magnetic stimulation

LEI Fa-sheng1,2, ZHAO Xiao-xin3, ZHANG Guang-hao1, HUO Xiao-lin1

(1. Beijing Key Laboratory of Bioelectromagnetism, Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China; 2. School of Electronics, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. China Academy of Telecommunication Research of MIIT, Beijing 100191, China)

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive neural detection and treatment technique without causing the subject discomfort. Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) which has some complex regulatory mechanisms, such as regulating excitability of cortical areas, has great potential value in therapy research for neurological diseases, and it has become a current research hotspot. The capacitor charging technology is the core of repetitive transcranial magnetic stimulation, directly impacting on the performance of rTMS. Developing highly efficient and reliable capacitor charging power supply (CCPS) becomes urgent requirements for the advancement of rTMS techniques. With the mushroom growth of power electronic devices, compared with the other two kinds of techniques, high frequency switching converter has become current mainstream. Firstly two topologies of high frequency converter, PWM converter and resonant convertor, are introduced in detail, and then the latest research progress of capacitor charging power supply, which is able to be applied in rTMS system, is expounded from efficiency, charging speed, volume and so on. In the end, the future development direction of capacitor charging power supply for rTMS system is indicated.

rTMS; CCPS; PWM converter; resonant converter

2016-03-23

國家自然科學基金項目(51577183； 51307166； 31400717)

雷發(fā)勝(1991-)， 男， 畬族， 福建籍， 碩士研究生， 研究方向為生物電磁技術(shù)； 霍小林(1969-)， 男， 山西籍， 研究員， 博士， 主要研究方向為生物電磁技術(shù)。

R318

A

1003-3076(2016)11-0045-08