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专利名称：超导磁体的无源失超保护电路的制作方法
超导磁体的无源失超保护电路技术领域
本文公开的主题涉及用于包括磁共振成像(MRI)超导磁体在内的超导磁体的无 源失超保护电路(passive quench protection circuit)。
背景技术：
超导磁体只要保持在适当低的温度便可在有效为零的电阻下导电。但是，如果存 在热扰动，则磁体变成正常(不再具超导性)并产生电阻，这使得电流快速衰减，从而经由 I2R热损耗而将所储存的磁能转换为热。这是称为失超(quenching)的不可逆动作，这可导 致不良的热和电压损坏磁体。
因此，需要新的设备和方法来防止在失超事件期间造成损坏。 发明内容
本发明的实施例提供一种无源失超保护系统以及包含此系统的超导磁体设备。
在一个实施例中，无源失超保护系统适于电连接到至少一个超导线圈。该电路包 括串联连接的加热器和限流器，其中加热器适于热耦合到超导线圈中的至少一个超导线 圈。限流器将流过该电路的电流限制在低于加热器的最大额定电流的电流。
在另一实施例中，设备包括至少一个超导线圈和并联地电耦合到这些线圈中的至 少一个线圈的无源失超保护电路。电路包括串联连接的加热器和限流器。加热器热耦合到 这些线圈中的至少一个线圈，并且限流器将流过该电路的电流限制在低于加热器的最大额 定电流的电流。
在本发明的实施例中，一种超导磁体设备(100)，包括
至少一个超导线圈(Cl-，Cl+，... , C4+)；以及
并联地电耦合到所述至少一个线圈(Cl-，Cl+，... , C4+)的无源失超保护电路 (130)，所述电路(130)包括串联连接的至少一个加热器(210)和至少一个限流器020)，
其中所述加热器010)热耦合到至少一个所述线圈(Cl-，Cl+，· · ·，C4+)，并且所 述限流器(220)将流过所述电路(130)的电流限制在低于所述加热器(210)的额定电流的电流。
在本发明的实施例中，一种适于电连接到至少一个超导线圈(Cl-，Cl+，... , C4+) 的无源失超保护电路(130)，所述电路(130)包括
串联连接的至少一个加热器(210)和至少一个限流器O20)，所述加热器(210)适 于热耦合到所述至少一个超导线圈(Cl-，Cl+，C4+)，
其中所述限流器(220)将流过所述电路(130)的电流限制在低于所述加热器 (210)的额定电流的电流，并且
所述电路(130)并联地电耦合到所述至少一个超导线圈(Cl-，Cl+，... , C4+)。
在本发明的实施例中，一种用于使超导线圈(Cl-，Cl+，... , C4+)失超的方法，包 括
将失超保护电路(130)并联耦合到至少一组超导线圈(Cl-，Cl+，... , C4+)，所述 组中的每个组具有一个或多个超导线圈(Cl-，C1+，...，C4+)，其中所述电路(130)包括至 少一个加热器(210)和至少一个限流器Q20)；
触发由所述超导线圈(Cl-，Cl+，C4+)两端的增大的失超电压引起的失超事 件；
在发生所述失超事件时对所述加热器(210)供电并在加热器(210)区域使所述超 导线圈(Cl-，Cl+，... , C4+)正常化；以及
将所述加热器O10)的电流限制在低于所述加热器的额定电流的电流。
因此，失超保护电路可为超导线圈提供充足的失超保护，同时防止对加热器造成 损坏。


参考附图描述本发明的非限制性且非穷举性实施例，其中除非另外指出，否则在 各个图中，类似的附图标记表示类似的部分。
图1是示出根据本发明一个实施例的超导磁体设备的电路图2是图1中的失超保护电路的电路图3是根据本发明一个实施例的失超保护电路的电路图4是根据本发明一个实施例的失超保护电路的电路图；以及
图5是根据本发明一个实施例的失超保护电路的电路图。
具体实施方式
提供以下描述以便使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，并且以下描述是 在特定应用及其要求的上下文中提供的。本领域技术人员将能容易地明白这些实施例的各 种修改，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文定义的原理可适用于其它实施 例和应用。因此，不是要将本发明局限于所示实施例，而是要赋予其符合本文公开的原理、 特征和教导的最宽范围。
超导磁性设备的实施例提供一种包括至少一个电加热器和至少一个限流器的失 超保护电路。在一个实施例中，该电路还包括至少一个电压阻断器/滤波器。这三个元件 串联连接，然后用适当分组的超导线圈或超导线圈组分流。加热器与其中一个或多个超导 线圈热耦合。一旦发生失超事件，超导线圈两端的增大的失超电压将给加热器供电，由此随 后在加热器区域加热超导线圈并使超导线圈正常化，从而将能量传到磁体周围并防止对磁 体造成损坏。限流器提供过电流保护以限制最大加热器电流。即，限流器的额定电流低于 加热器的最大额定电流。当线圈电压低于预设阈值电压时，电压阻断器(voltage blocker) 防止不想要的电流传导通过失超保护电路。阈值电压大于在磁体正常操作期间在超导线圈 两端的斜升(ramp)电压和最大电压，并且减小或消除在失超保护电路中流过的不想要的 电流。
在一个实施例中，限流器可包括快断热保险丝和/或正温度系数(PTC)电阻器。保 险丝可在低于加热器的最大额定电流的某个电流电平烧断。PTC加热器的电阻取决于其温 度。一旦其温度上升到超过其保护温度，则电阻将急剧增大。当加热器电路中的电流在增大的线圈失超电压下增大时，PTC电阻器的温度上升，随后PTC电阻器的电阻上升以限制加 热器电流。保险丝或PTC电阻器可置于磁体的外部，以便在磁体失超之后易于对它们进行 检查和更换(如果需要)。
在一个实施例中，为了在磁体斜升和磁体正常操作期间消除加热器电路中的不想 要的电流，将电压阻断器与加热器串联连接。电压阻断器可包括一对串联连接的背对背齐 纳二极管，或可包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。将齐纳二极管的反向击穿 电压选择或控制成大于在磁体正常操作期间的最大电压，但是足够低以便加热器在磁体失 超期间起作用。二极管或MOSFET可置于磁体的内部或外部。
图1是示出根据本发明一个实施例的超导磁体设备100的电路图。设备100包括 两组超导线圈。第一组102包括串联连接的线圈Cl-、Cl+、C2-、C2+、C3-和C3+。第二组 104包括串联的超导线圈C4-和C4+。在另一实施例中，设备100可包括额外组的超导线圈。 此外，每个超导线圈组102、104可在每个组中包括额外或更少的线圈。
斜升开关110与这些线圈组102、104并联连接，它最初保留有电阻，因此使来自电 源(未示出)的电流馈送到线圈102、104，并且以后一旦对线圈组加满电便与线圈组保持 闭合电路。设备100还包括磁体急停单元(Magnet Rundown Unit，MRU) 120，在一个实施例 中，MRU 120耦合到失超保护电路130的失超加热器210(图2)。在一个实施例中，MRU 120 耦合到其它失超加热器(未示出)。MRU 120可在某些紧急状况下手动地使线圈组102、104 失超。MRU 120对失超加热器210施加电流以迫使线圈组失超并失去磁能。
无源失超保护电路130与线圈组102、104并联连接。每个线圈组102、104可具有 并联连接的一个或多个失超保护电路130，例如如图所示，其中至少一个失超保护电路130 在端子A和B之间，并且至少一个失超保护电路130连接在端子B和C之间。如前所述，可 以有具有对应失超保护电路的额外的超导线圈组(未示出)。此外，并不是每个线圈组都需 要具有失超保护电路130。失超保护电路130将在下文中结合图2、3、4和5进一步详细论 述，它在失超事件期间使正常区域在线圈组的线圈中和/或线圈组中扩展开来，以便更平 均地分配能量，从而防止由于过加热局部区域而对任何线圈造成损坏。
参考图1和图2，在设备100操作期间，斜升开关110保留有一定电阻，从而使电 流从电源(未示出)馈送到线圈102、104，然后一旦对线圈加满电便保持闭合电路。当线 圈102、104具超导性时，电流连续流过线圈，从而维持用于成像的磁场。如果并且当由于例 如磁体线圈摩擦运动而发生失超时，导线的受热区段因正常电阻而变热。在超导线圈失超 之后，失超保护电路130将观察到相应超导线圈组两端的电压。这个电压由两个分量组成 由于线圈的正常区电阻R造成的电阻电压(I*R)；以及由于电流衰减di/dt造成的感应电 压(Ldi/dt)。如果总电压超过电压阻断器230(图2)阈值，则失超加热器210将开始加热 并使失超扩展。然后，加热器210将通过热将能量更均勻地散布给线圈的其它区段或其它 线圈组，从而防止局部热堆积对线圈造成损坏，这与常规电路相比是一个可取的改进。失超 加热器210通常将在约50到约200毫秒内使线圈失超。
再次参考图2，示出图1中的失超保护电路130的电路图。电路130包括与一个或 多个限流器220以及可选的一个或多个电压滤波器/阻断器230串联耦合的一个或多个失 超加热器210。失超加热器210与超导线圈热耦合，或者在物理上内置在超导线圈内。限流 器220具有非线性电阻，它对可流过电路130的电流的量进行限制，从而防止由于过度电流/过加热而对加热器210造成损坏。限流器220可设置在超导磁性设备100的磁体真空容 器的内部或外部。限流器220将流过电路130的电流限制在低于加热器210的最大额定电 流的电流。在本文描述的实施例中，限流器220可包括一个或多个正温度系数(PTC)电阻 器310 (图3)、保险丝410 (图4)、自动触发断路器、其它装置或其组合。限流器220通常不 贵，易于使用，并且当设置在设备100的外部时易于更换。
电压阻断器/滤波器230可设置在超导磁性设备100的磁体真空容器的内部或 外部。电压阻断器/滤波器230提供反向电压保护，并过滤掉超导线圈中的梯度感应电压 噪声。在本文描述的实施例中，电压阻断器/滤波器230可包括分流背对背功率二极管、 串联耦合的一个或多个背对背齐纳二极管320(图幻、金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 510(图5)以及比较电路520(图5)、或其组合。
在设备100的操作过程中发生失超期间，失超加热器210如上所述地散布热量。限 流器220对可流过加热器210的电流进行限制，从而防止加热器因过电流而过热并变成有 缺陷。电压阻断器230经由限流器220对流到加热器210的电流进行阻断和/或滤波。
图3是根据另一实施例的失超保护电路300的电路图。失超保护电路300包括与 一个或多个PTC电阻器310和串联耦合的一个或多个背对背齐纳二极管320串联耦合的一 个或多个失超加热器210。PTC电阻器310充当限流器并限制加热器210的最大电流。当由 于过载电流而导致PTC电阻器310的温度升高到超过其居里温度Tc时，PTC电阻器310的 电阻成指数增加。因此，限制了流过PTC电阻器310的最大电流。根据一个实例，电阻可在 从低于Tc时的约10欧姆到高于Tc时的IO7欧姆范围内，其中电阻的指数增加由从约20°C 上升到约100°C引起。作为示例，4欧姆PTC电阻器将在50V DC电压下在约0. 15到约0. 2 秒内起作用，并保护失超加热器210免于经受过电流。在一个实施例中，齐纳二极管320过 滤掉线圈中的梯度感应电压噪声，并提供从约IOV到约50V范围内的反向电压保护。
在失超事件期间，PTC电阻器310随着电流经由失超加热器210流过它而变热，从 而使PTC电阻器310温度升高。失超加热器210也可使PTC电阻器310的温度升高。随着 温度升高，PTC电阻器310由于高电阻而阻断电流流过，从而防止失超加热器210受到损坏。
图4是根据又一实施例的失超保护电路400的电路图。失超保护电路400包括与 一个或多个保险丝410和一个或多个背对背齐纳二极管320串联耦合的一个或多个失超加 热器210。保险丝410防止加热器210因过电流而受到损坏。一方面，在过电流状况期间， 保险丝410将在约0. 1到0. 3秒内烧断。保险丝410可设置在设备100的外部，以便在烧 断时易于更换。在一个实例中，保险丝410包括4安培正常电流的LITTELFUSE 0216.004 快断保险丝。
在失超事件期间，电流流过失超加热器210到达保险丝410。一旦电流超过保险 丝410容许量，保险丝410便会烧断，从而阻断电流进入失超电路400并防止对失超加热器 210造成损坏。
图5是根据再一实施例的失超保护电路500的电路图。失超保护电路500包括与 一个或多个限流器220和一个或多个MOSFET 510串联耦合的一个或多个失超加热器210。 此外，电阻器Rl和R2沿分支与MOSFET 510并联设置，以形成耦合到MOSFET的栅极的电阻 器分压器网络。比较电路520耦合在R1/R2电阻器分压器和MOSFET 510之间。MOSFET 510 过滤掉不必要的传导电流并沿两极方向切断加热器电流。Rl和R2是分压器的电阻器，分压6器用于调整MOSFET 510的工作点。
由于失超电压可以是正也可以是负，所以MOSFET 510沿两极方向传导或切断加 热器电流。在分压器与MOSFET 510之间需要额外的详细比较电路。分压器的阻抗应当很 高(大于兆欧)以抑制这个分支中的不必要的电流。
本书面描述利用实例公开包括最佳模式的本发明，并且还使得本领域技术人员能 够实现本发明，包括制作和使用任何装置或系统并执行任何并入的方法。本发明的可授予 专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员可想到的其它实例。如果这些其 它实例具有与权利要求的字面语言没什么不同的结构元素，或者如果这些其它实例包括与 权利要求的字面语言无实质差异的等效结构元素，则它们要在权利要求的范围内。
元件列表
100超导磁性设备
110斜升开关
120磁体急停单元(MRU)
130失超保护电路
C1-、C1+、· · ·、C4+超导线圈
210失超加热器
220限流器
230电压阻断器
300失超保护电路
310PTC 电阻器
320背对背齐纳二极管
400失超保护电路
410保险丝
500失超保护电路
510 =MOSFET
520比较电路
Rl:电阻器 1
R2:电阻器 权利要求
1.一种超导磁体设备(100)，包括至少一个超导线圈(Cl-，Cl+，... , C4+)；以及并联地电耦合到所述至少一个线圈(Cl-，Cl+，C4+)的无源失超保护电路(130)， 所述电路(130)包括串联连接的至少一个加热器(210)和至少一个限流器020)，其中所述加热器(210)热耦合到至少一个所述线圈(Cl-，Cl+，C4+)，并且所述限 流器(220)将流过所述电路(130)的电流限制在低于所述加热器(210)的最大额定电流的 电流。
2.一种适于电连接到至少一个超导线圈(Cl-，Cl+，...，C4+)的无源失超保护电路 (130)，所述电路(130)包括串联连接的至少一个加热器(210)和至少一个限流器O20)，所述加热器(210)适于热 耦合到所述至少一个超导线圈(Cl-，Cl+，... , C4+)，其中所述限流器(220)将流过所述电路(130)的电流限制在低于所述加热器(210)的 最大额定电流的电流，并且所述电路(130)并联地电耦合到所述至少一个超导线圈(Cl-，Cl+，C4+)。
3.一种用于使超导线圈(Cl-，Cl+，C4+)失超的方法，包括将失超保护电路(130)并联耦合到至少一组超导线圈(Cl-，Cl+，C4+)，所述组中 的每个组具有一个或多个超导线圈(Cl-，C1+，...，C4+)，其中所述电路(130)包括至少一 个加热器(210)和至少一个限流器Q20)；触发由所述超导线圈(Cl-，Cl+，C4+)两端的增大的失超电压引起的失超事件；在发生所述失超事件时对所述加热器(210)供电并在加热器(210)区域使所述超导线 圈(Cl-，Cl+，... , C4+)正常化；以及将所述加热器O10)的电流限制在低于所述加热器的最大额定电流的电流。
4.如权利要求1所述的设备(100)，其中所述限流器(200)设置在所述设备(100)的 外部。
5.如权利要求1-3中的一项权利要求所述的设备(100)、电路(130)或方法，还包括串 联连接到所述限流器O20)的至少一个电压阻断器030)。
6.如权利要求4所述的设备(100)、电路(130)或方法，其中所述电压阻断器(230)包 括背对背齐纳二极管(320)。
7.如权利要求4所述的设备(100)、电路(130)或方法，其中所述电压阻断器(230)包 括MOSFET (510)、分压器和在它们之间的比较电路(520)。
8.如权利要求1-3中的一项权利要求所述的设备(100)、电路(130)或方法，其中所述 限流器(220)包括正温度系数(PTC)电阻器(310)。
9.如权利要求1-3中的一项权利要求所述的设备(100)、电路(130)或方法，其中所述 限流器(220)包括保险丝(410)。
10.如权利要求1-3中的一项权利要求所述的设备(100)、电路(130)或方法，其中所 述限流器(220)包括自动触发断路器。
全文摘要
一种超导磁体设备(100)包括超导线圈(C1-)和并联地电耦合到线圈(C1-)的无源失超保护电路(130)。电路(130)包括串联连接的加热器(210)和限流器(220)。加热器(210)热耦合到线圈(C1-)，并且限流器(220)将流过电路(130)的电流限制在低于加热器(210)的最大额定电流的电流。
文档编号G01R33/38GK102034586SQ20101050646
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月27日 优先权日2009年9月23日
发明者A·吴, C·杨, Y·赵, 黄先锐 申请人:通用电气公司