【摘 要】
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经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)是一种通过电磁场刺激患者脑部从而达到治疗效果的新技术。其具有无创、无痛和穿透能力强等显著优点，是生物电工领域的发展方向之一，在脑部功能研究领域也展示出了巨大的潜力。经颅磁刺激仪的电源系统是能否产生有效刺激的根本所在，也是决定刺激强度和效果的重要因素之一。文章在广泛阅读文献的基础上，以产生有效的刺激脉冲波形为目标，对TMS电源系统中的交流转直流(AC-DC)、直流转直流(DC-DC)和直流转交流(DC-AC)三部分电路进
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经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)是一种通过电磁场刺激患者脑部从而达到治疗效果的新技术。其具有无创、无痛和穿透能力强等显著优点，是生物电工领域的发展方向之一，在脑部功能研究领域也展示出了巨大的潜力。经颅磁刺激仪的电源系统是能否产生有效刺激的根本所在，也是决定刺激强度和效果的重要因素之一。文章在广泛阅读文献的基础上，以产生有效的刺激脉冲波形为目标，对TMS电源系统中的交流转直流(AC-DC)、直流转直流(DC-DC)和直流转交流(DC-AC)三部分电路进行了设计与优化。
在AC-DC电路研究与设计方面，首次把图腾柱功率因数校正(PFC)装置应用到TMS电源系统中。针对图腾柱PFC的上下桥臂直通的问题，将氮化镓(GaN)器件应用到该拓扑中，并替换了续流二极管，使其理论安全运行效率达到了98.4%。针对单电感图腾柱PFC谐波含量高的问题，应用了交错并联技术，使改进后的图腾柱PFC的总谐波失真率从60.87%降低至5.87%。在分析了图腾柱PFC的工作模态的基础上，建立了电流环和电压环的小信号模型，提高了图腾柱PFC输出电压的稳定性。针对输入电流过零点畸变问题，在过零点处使用了软启动技术，改善了输入电流波形。
在DC-DC电路研究与设计方面，选用了高频谐振电路作为升压转换电路。针对放电时负载处于短路状态，选择了LCC串并联谐振作为高频谐振充电电路的谐振拓扑，利用串并联谐振的特点增加了系统的可靠性。针对恒流和恒功率充电策略中的缺点，提出了一种分段式恒流充电策略，在充电功率不突破3.9kW的前提下，缩短了充电时间。
在DC-AC电路研究与设计方面，选用了一种添加了能量回收支路的放电电路。针对实际治疗中放电波形需求多样的特点，设计并优化了放电电路，使其拥有了仅控制开关顺序，即可产生多种刺激波形的能力。
在参数设计与仿真实验方面，根据实际TMS电源系统运行需求，计算了各电路元件参数，并对关键器件进行了选型，同时对图腾柱PFC进行了损耗分析。按照设计的电路和计算的参数，搭建了最大功率为3.9kW、重复频率为10Hz的仿真电路并制作了样机，进行了初步试验，仿真和实验结果验证了本文所设计的TMS电源系统的可行性。
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