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基于DE类功放的电外科射频能量发生器设计与研究

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摘要

1 绪论

1.1 课题的背景和意义

1.2 电外科发生器工作原理概述

1.3 电外科技术研究现状分析

1.3.1 发展历程

1.3.2 国外研究现状分析

1.3.3 国内研究现状分析

1.4 本文主要内容与章节安排

2 电外科射频能量发生器主拓扑研究

2.1 基本结构和工作参数的选择

2.1.1 基本结构

2.1.2 工作参数的选择

2.2 射频功率放大电路的选择

2.2.1 D类射频功率放大器

2.2.2 E类射频功率放大器

2.2.3 DE类射频功率放大器

2.3 调功方式的选择

2.3.1 调频调功(PFM)

2.3.2 脉冲密度调功(PDM)

2.3.3 PWM移相调功

2.3.4 直流调功

2.4 本章小结

3 DE类电外科射频功率放大电路设计与分析

3.1 DE类射频功率放大器理论分析

3.1.1 拓扑分析

3.1.2 电路元件的分析与计算

3.1.3 非线性输出电容的影响分析

3.2 DE类电外科射频功率放大电路参数设计

3.2.1 设计指标

3.2.2 元件参数设计

3.2.3 阻抗匹配设计

3.3 基于SPICE模型的仿真实验分析

3.3.1 IRF640N的SPICE模型建立

3.3.2 不考虑非线性输出电容的仿真分析

3.3.3 考虑非线性输出电容影响的仿真分析

3.4 硬件电路设计与实验研究

3.4.1 硬件电路设计

3.4.2 波形分析与实验研究

3.5 本章小结

4 电外科射频能量发生器整机设计与实验研究

4.1 整机结构框图

4.2 Buck直流斩波电路的设计与分析

4.2.1 电路拓扑介绍

4.2.2 元件参数选择

4.2.3 控制环路设计

4.3 射频能量控制系统设计

4.3.1 系统控制策略

4.3.2 PID控制算法设计

4.3.3 恒功率控制系统设计

4.3.4 限电压与限电流控制

4.4 低压辅助电源设计

4.5 整机实验结果分析

4.5.1 恒功率输出测试

4.5.2 双极电凝实验结果

4.5.3 不同输出负载下的效率测试

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 今后的工作展望

致谢

作者攻读研究生期间发表的论文

参考文献

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摘要

随着经济的快速发展和人们医疗保健意识的觉醒,医疗器械行业在全球范围内蓬勃发展,电外科射频能量发生器作为一类集切割、凝血、组织闭合等功能一身的高端医疗器械产品,被普遍地应用于各类电外科手术中。电外科技术也成为各国学者研究的热点,在电外科手术机理、射频能量控制、手术功能拓展等方面都有较为深入的研究,而对电外科射频能量发生器的高频开关损耗、功率转换效率等问题研究则较少。传统的电外科发生器大都采用D类半桥或全桥功率放大器进行电外科射频功率放大,这类放大器在工作频率较高时开关损耗较大,严重影响了射频能量转换效率。因此,十分有必要设计一款高效率的电外科射频能量发生装置。
  本文对比研究了D类、E类、DE类三种射频功率放大器的拓扑结构和性能表现,得出DE类射频功率放大器既具有D类功放电压、电流应力小的特点,又能够实现E类功放的零电压开关(ZVS)和零电压导数开关(ZDS)条件,具有十分高效的射频功率转换能力,并确定选择DE类功率放大器进行电外科射频能量发生器的设计和研究。针对DE类功放和电外科手术的特点,对不同的调功方式进行了研究,最终选取Buck直流斩波的调功方式。在对DE类射频功率放大器进行理论分析的基础上,进行了DE类电外科射频功率放大电路的设计和研究,针对是否考虑MOSFET寄生非线性寄生输出电容影响的两种设计方案,进行了仿真对比实验分析,发现考虑MOSFET寄生非线性输出电容的设计方案可以获得更高的输出效率。并进行了硬件电路的设计和实验,验证了该设计方案的可行性和正确性。在此基础上,进行了电外科射频能量发生器的整机设计,重点对Buck直流斩波电路的参数选择和控制环路、射频能量控制系统以及辅助电源等进行了设计,并在硬件平台上进行了相关实验,验证了基于DE类功放的电外科射频能量发生器设计方案可以获得良好的恒功率控制性能和双极凝血效果,即使在实际负载发生变化的一定范围内,仍能保持较高的射频功率转换能力。

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