0 引言
经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation,TMS）利用时变的脉冲磁场刺激人的大脑，在大脑内引起感应电场，产生感应电流，使细胞膜电位发生去极化，从而产生一系列的生理变化[1-2]。TMS激励源拓扑分为两部分：一部分是放置在大脑上方的刺激线圈；另一部分是脉冲电流发生器[3]。TMS激励源刺激线圈有两个重要的参数指标，分别是聚焦性能和刺激深度。刺激线圈的聚焦性能由自身的结构形状来决定[4]。刺激深度的提高可以通过设计多线圈阵列来实现[5-7]。脉冲电流发生器通过产生不同形式的脉冲电流，满足不同的临床应用需求。如今，TMS已经被广泛应用于生物医学研究并成为一项研究人类大脑的非侵入性工具[8-11]，它也被广泛用于治疗抑郁症[12]以及其他精神和神经障碍[13-14]等问题。
自20世纪80年代初，Barker和Jalinou设计出第一台TMS设备以来，商业TMS激励源的主体电路拓扑结构沿用至今[15]。它的电路原理是通过直流电源向储能电容充电，储能电容充电到设定电压后快速向刺激线圈放电，在刺激线圈中产生正弦电流脉冲[16]。传统的激励源采用晶闸管作为开关装置，控制放电回路的导通与关断。但是晶闸管是半控型电力电子器件，只有当支路电流为零时关断，从而导致只有一小部分的脉冲能量被转移到目标组织，产生的余弦脉冲电流会导致线圈发热严重，因此，这些系统的效率相对较低[17-19]。
Novickij等研究发现重复脉冲会导致线圈发热严重，而生物细胞对高温波动比较敏感[20]。因此，他们提出一种可控脉冲磁场系统，以限制治疗期间线圈的短期温升。Xiong Hui等利用聚丙烯电容回收刺激线圈的剩余磁能来产生双相脉冲电流，不仅提高了能量利用率还实现了更加高效的刺激[21]。研究表明，接近于三角形的脉冲电流不仅限制了治疗期间线圈的短期温升，还显著提高了激活神经的效率[22]，因此，一种新型的脉冲宽度可控的经颅磁刺激电路拓扑结构（cTMS）被发展起来，包括低频经颅磁刺激电路拓扑和高频经颅磁刺激电路拓扑，通过控制开关的导通时间可以产生接近于三角形的脉冲电流。cTMS1电路拓扑如图1所示，其作为低频经颅磁刺激电路拓扑的代表，可以产生单相近三角形的电流脉冲，同时通过控制绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的导通时间能够实现脉冲参数的调节。关闭放电开关，线圈中储存的磁能消耗在一个由二极管和电阻组成的续流回路中[23]，造成了能量损耗。cTMS2拓扑结构作为高频经颅磁刺激电路拓扑的代表，其采用两个IGBT和两个电容来产生单相和双相的近三角形脉冲电流[24]。尽管 cTMS2可以将线圈中储存的磁能回收到电容器中以降低能量损耗，但由于其使用了两个电源和一个有源缓冲电路，拓扑结构变得相对复杂。TMS激励源的功耗较大，如何最大限度地提高系统的效率、降低能量损耗是至关重要的。
图1 cTMS1电路拓扑
Fig.1 The cTMS1 circuit topology
为了提高系统能量的利用率，本文提出了一种脉冲电流宽度可控的节能型激励源（Energy Efficient Excitation Source, EEES）。在文中，首先详细介绍了系统拓扑结构设计方案，其次阐述了电路的实现过程，最后进行了实验测试。实验结果表明，本文提出的EEES系统能够在较大范围内进行脉冲宽度的调整，并回收激励线圈中储存的磁能，从而最大限度地提高系统的节能率。
1 电路设计方案
1.1 节能型电路拓扑结构
图1中，在传统的cTMS1续流过程中，刺激线圈中剩余的磁能通过由二极管VD和电阻R组成的续流回路以热能的形式释放掉，造成了大量能量损耗。另外，由于续流回路中电阻R消耗能量的过程缓慢，导致续流时间较长，不利于激励源系统刺激频率的提高，限制了激励源的应用范围。因此，降低能量损耗，提高系统的能量利用率至关重要。本文以提高系统的能量利用率为目的，提出了一种脉冲激励源电路拓扑结构。
本文提出的EEES电路拓扑如图2所示。在一个完整的周期内，开关时序被设计为四个阶段：①电容充电；②死区时间；③电容放电；④续流，如图2b所示。在阶段①，开通Q1，直流电源E向储能电容 C充电。R1作为限流电阻，保护 Q1免受大电流的损害。当电容 C充电完成时，关闭 Q1，EEES工作在死区阶段，确保Q1完全关断后，再开通 IGBT1和 IGBT2（见阶段②）。当 EEES系统工作在放电阶段，同时打开IGBT1和IGBT2，电容器C中的能量迅速释放到刺激线圈L中（见阶段③）。脉冲电流的宽度由 IGBT1和 IGBT2的导通时间调节，因此 EEES具有脉冲宽度可控的功能。cTMS1和 EEES续流阶段的工作对比如图 3所示。EEES与传统的cTMS1的主要区别是：EEES用两个快恢复二极管 VD1和VD2替代 cTMS1中的快恢复二极管VD和电阻R，以回收刺激线圈L中存储的磁能到电容 C中（见阶段④）。阶段③、阶段④中的 r表示的是回路中的杂散分布电阻。
图2 EEES电路拓扑
Fig.2 The EEES circuit topology
图3 cTMS1和EEES续流对比
Fig.3 Comparison of cTMS1 and EEES freewheeling
由于二极管的导通损耗远小于泄放电阻R消耗的能量，刺激线圈L中剩余的大部分磁能被回收到储能电容C中，大大降低了能量的损耗。在激励源电路运行过程中，上一周期回收的刺激线圈L中的能量可为下个周期脉冲电流的产生提供一部分能量，减少了储能电容C从直流电源E中抽取的能量，降低了能量的摄取，提高了能量利用率。
当EEES系统工作在放电阶段时，电容 C、线圈L和电路中的电阻r构成了欠阻尼振荡电路，电路的共振周期T为
因为 r的阻值接近于零，所以 T被简化为T=
EEES系统产生的脉冲宽度由
决定。短时间内，储能电容C可被看作一个恒压源。根据基尔霍夫电压定律（KVL），同时打开IGBT1和IGBT2，线圈电流IL以斜率
上升到Imax。UC是电容C的初始电压。同理，同时关闭IGBT1和IGBT2，IL从Imax迅速下降到0。
1.2 电路实现
EEES拓扑结构的简化示意图如图 4所示。相关的器件参数见表 1。为了减少回路中杂散电感的影响，本文设计了一种基于H桥的激励源电路拓扑结构，将扁平导线两两贴合在一起用来连接电容器C与 IGBT，减小了回路面积。通过开通IGBT1和IGBT2实现电容器C向线圈L快速放电，产生脉宽可控的脉冲电流。回路电阻r包含刺激线圈的内阻rL、电容 C的等效串联电阻 rC、IGBT的导通电阻rs和导线的电阻rw四部分，总电阻为40mΩ。
图4 EEES拓扑结构的简化示意图
Fig.4 The simplified diagram of the EEES topology
1.2.1 刺激线圈、能量储存电容器和直流电源
刺激线圈是激励源的负载，由电阻率较小的扁平漆包线绕制而成。不同形状的线圈产生的感应电场分布也不相同。另外，刺激深度与刺激线圈的直径呈正相关，而磁场的聚焦性与刺激线圈的直径呈负相关，所以线圈的设计是TMS磁场发生电路研究的关键[25-26]。考虑到线圈的聚焦性能，线圈被绕制成圆形的平面螺旋形状。绕制线圈的导线采用Magstim 公司提供的 1.75mm×6mm 的扁平漆包铜线。通过测量，线圈L的电感值为9.36μH，内阻r为 5.2mΩ。由于商业 TMS激励源的脉冲宽度通常为 160μs左右，所以脉冲宽度被设计在 5～160μs范围内可调。当脉冲最大宽度为160μs时，电容C为
在一定范围内，为了增大脉冲电流的峰值，选择容值为 3 300μF的螺栓电容器作为储能电容。经过测量，电容实际值为 3 190μF且等效串联电阻（ESR）为30mΩ。供电电源E采用0～100V范围内可调的直流恒压源，最大输出电流为20A。
表1 EEES系统的主要功率器件参数
Tab.1 The key power device parameters of EEES system
元器件 功能 额定值 型号 生产厂家R1 限流 5Ω, 500W — GHX Q1 充电开关 600V, 80A SGH80N60UFD Fairchild IGBT1, IGBT2 放电开关 1 200V, 1 400A FF1400R12IP4 Infineon C 储能 3 300±15%μF, DC 600V CD13H Yadacon VD1, VD2 续流二极管 1 200V, 1 400A FF1400R12IP4 (included) Infineon L 刺激线圈 9.36μH, 0.005 2Ω — Custom made C1, C2 缓冲器 2±10%μF, DC1 200V KS2122K205A250 SCR R2 缓冲器 5Ω, 100W — GHX C3 缓冲器 1.5±10%μF, DC 1 200V KS3122K155S420 SCR
1.2.2 功率开关
在中高压功率领域，IGBT由于兼顾动作时间快和载流能力强两方面的特点，同时有着良好的工作特性而被广泛应用[27-28]。
放电阶段电流与时间的关系为
式中，
UC=100V时，经过计算电流的峰值为1 058A。根据IGBT的耐压值和载流值要求，本文选用 Infineon公司的IGBT模块（FF1400R12IP4）作为放电开关。此 IGBT模块集电极和发射极之间的额定电压为1 200V，额定连续直流电流为1 400A。
由于电源E的最大输出电流为20A，考虑到余量，最终选用了额定电压和电流分别为600V和80A的IGBT（SGH80N60UFD）作为充电开关Q1。
1.2.3 控制系统
控制系统包含微控制器系统和信号处理电路两部分，由程序准确地控制 IGBT开启与关断。微控制器采用32位单片机KL25Z128VLK4（NXP），主频为40MHz。微控制器产生的脉冲宽度调制（PWM）信号通过电平转换、窄脉冲抑制、信号整形等信号处理电路后连接IGBT，驱动IGBT1和IGBT2开通与关断。
1.2.4 缓冲器
图 4 中，LS1、LS2、LS3和 LS4是电容器 C 和 IGBT模块之间的杂散电感。根据测量和计算，LS1和 LS4的电感值分别为136nH和135nH。LS1和LS4在关闭IGBT1和IGBT2期间产生感应电动势，导致在IGBT集电极和发射极之间产生尖峰电压。为了降低在开关关断时，由于杂散电感产生的尖峰电压，设计了缓冲电路[29-30]。通过由 C1和 C2组成的两个缓冲器来吸收储存在电感器LS1和LS4上的能量，从而抑制IGBT1和 IGBT2极间产生的尖峰电压。C1和C2采用高波纹电流金属化聚丙烯薄膜电容器，大小为2μF。为了减小导线再次引入杂散电感，缓冲电容通过螺钉被安装在IGBT模块上。
2 实验结果
2.1 实验平台
为了测量并计算出EEES系统的节能率，本文按照图5所示EEES实验测试平台示意图设计的实验平台如图6所示。在实验平台中，采用直流电源E（100V, 20A）为储能电容 C充电；采用示波器（Tektronix DPO 2024B）测量储能电容C两端的电压；结合Matlab软件，采用罗氏线圈和采集卡（NI USB-6281）组合的方式测量并计算得到刺激线圈中脉冲电流的大小；为了测量刺激线圈产生的磁场，在刺激线圈上端一定距离处放置一个单匝、半径和刺激线圈一致的感应线圈，通过测量感应线圈的感应电动势来间接测量磁场大小。
图5 EEES实验测试平台示意图
Fig.5 The schematic diagram of EEES experimental test platform
图6 实验测试平台
Fig.6 The experimental test platform
2.2 节能评价方法
在相同条件下，测量了EEES系统的实际能量损耗并与cTMS1系统进行了比较。每个脉冲所消耗的能量被定义为在脉冲的开始和结束时，电容C中储存的能量差为
式中，Usta和Uend分别为电容C的初始电压和终止电压。能量损耗包括缓冲器吸收的能量和 IGBT的开关损耗和导通损耗，由于这些能量损耗在正常的操作中是不可避免的，因此不计算在内。
自损率是评价每个系统能耗高低最直观的参数，自损率越低，表示系统的能量利用率高，系统的节能性越好。自损率为
节能率为
式中，ΔWcTMS1和ΔWEEES分别为cTMS1和EEES的每个脉冲的能量损耗。节能率的计算是以 cTMS1的能量损耗为基准的，通过与cTMS1对比，相对节能率越大，则EEES系统的节能性越好。
2.3 测试结果
利用高精度采集卡（NI USB-6281）对罗氏线圈两端的差分信号进行采集，然后通过滤波、积分等数据处理，得到脉冲电流的波形。脉冲宽度为160μs时，实际测量刺激线圈产生的电流峰值为1 058A，与计算值 1 065A基本一致，相对误差为0.6%。脉冲宽度为 40μs、80μs、120μs和 160μs时，EEES系统的主要波形如图 7所示。在电容放电期间，线圈电流从0增长到Imax几乎是线性的，在续流阶段亦如此，从而产生接近三角形的脉冲电流（见图7b），和理论分析结果一致。近三角形的电流脉冲感应出近矩形的电压脉冲（见图7c）。在续流阶段，刺激线圈中剩余的磁量被回收到存储电容C中，电容器C的端电压上升，从而提高了能量的利用率（见图 7a）。
分析表2可以得出，在相同的电路参数情况下，脉冲宽度为 40～160μs时，EEES系统的自损率为1.6%～32.2%，cTMS1系统的自损率为24%～86%，EEES系统的能量自损率明显小于 cTMS1。经过计算，EEES相对于cTMS1的节能率范围是62.60%～93.21%。不难分析出，脉宽越窄，节能率越高。综上所述，EEES系统的效率高于cTMS1系统。
图 7 脉冲宽度为 40μs、80μs、120μs和 160μs时，EEES系统的主要波形
Fig.7 The key waveforms of EEES for tpw=40μs, 80μs,120μs, and 160μs
表2 EEES和cTMS1之间的能量效率的比较
Tab.2 The comparison of energy efficiency between EEES and cTMS1
数 值参数tpw/μs 160 120 80 40 E/V 100 100 100 100电路C/μF 3190 3190 3190 3190 L/μH 9.36 9.36 9.36 9.36 Uend/V 37.6 56.8 72.8 87.2 cTMS1ΔW/J 13.72 10.82 7.51 3.83自损率γ (%) 86.0 67.8 47.1 24.0 Uend/V 82.4 91.2 96.8 99.2 EEES ΔW/J 5.13 2.69 1.01 0.26自损率γ (%) 32.2 16.9 6.3 1.6节能率η (%) 62.60 75.13 86.50 93.21
3 结论
本文提出了一种节能激励源（EEES），且详细介绍了其工作原理、元器件选型以及系统设计。实验结果表明，EEES系统能够产生接近三角形的脉冲电流，且能够在单匝感应线圈中感应出矩形电压脉冲。与传统的TMS激励源（cTMS1和cTMS2）相比，EEES没有明显增大整体电路拓扑结构，其将刺激线圈中储存的能量回收到存储电容器中重新利用，大大降低了TMS设备的功耗，提高了系统的效率。通过提高能量利用率，一方面可以有效地减小线圈产生的焦耳热；另一方面还可以提高系统的稳定性。此外，激励源还可以灵活调节脉冲电流宽度。因此，研究和开发节能型激励源在生物医学和细胞治疗方面具有广阔的应用前景。
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