重复经颅磁刺激器电容充电技术发展现状

雷发胜， 赵晓昕， 张广浩， 霍小林

(1. 中国科学院生物电磁学北京市重点实验室， 中国科学院电工研究所， 北京 100190；2. 中国科学院大学电子电气与通信工程学院， 北京 100049；3. 工业和信息化部电信研究院， 北京 100191)

重复经颅磁刺激器电容充电技术发展现状

雷发胜1,2， 赵晓昕3， 张广浩1， 霍小林1

(1. 中国科学院生物电磁学北京市重点实验室， 中国科学院电工研究所， 北京 100190；2. 中国科学院大学电子电气与通信工程学院， 北京 100049；3. 工业和信息化部电信研究院， 北京 100191)

经颅磁刺激(TMS)是一种非侵入式、无创无痛的神经检测和治疗技术。其中，重复经颅磁刺激(rTMS)具有调节病变区皮质兴奋性等复杂机制，在神经性疾病治疗研究方面具有巨大潜在价值，已经成为当今的研究热点。电容器充电技术是重复经颅磁刺激的核心技术，直接影响rTMS的性能，研制高效和可靠的电容充电电源成为rTMS技术发展的迫切需求。目前比较成熟的电容器充电技术中，高频开关变换器充电方式较其他方式具有明显的优势，随着电力电子器件的发展已成为当今的主流。本文首先详细介绍了两种高频变换器拓扑结构：PWM变换器和谐振变换器，随后从效率、充电速度、体积等几方面阐述了可用于rTMS系统的电容器充电电源技术的最新研究进展，最后指明了rTMS电源技术未来的发展方向。

重复经颅磁刺激； 电容器充电电源； PWM变换器； 谐振变换器

1 引言

经颅磁刺激(TMS)技术是一种利用时变脉冲磁场作用于中枢神经系统，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列的生理化学反应的磁刺激技术[1，2]。1985年Barker等[3]成功研制出第一台经颅磁刺激仪，由于其相对于电刺激具有安全、无创和无痛苦的特点，备受人们青睐，与正电子发射型计算机断层显像(PET)、功能性磁共振成像(FMRI)和脑磁图描记术(MEG)并称为“二十一世纪四大脑科学技术”。

通过TMS可以检测运动诱发电位(MEP)、中枢运动传导时间(CMCT)、皮质静息期和运动皮质兴奋性等[4],对中枢神经系统疾病的诊断、评价和监测有重要意义,可提供疾病病理生理机制方面的重要信息，典型应用是脊髓损伤程度的评估[5]。重复经颅磁刺激(rTMS)是在某一特定皮质部分给与重复刺激,其具有调节病变区皮质兴奋性等复杂机制,使其在脊髓损伤[6]、癫痫[7，8]、中风[9]、药物成瘾性[10]、抑郁症[11，12]、偏头痛[13-15]、帕金森病[16，17]等疾病的实验性和应用性治疗研究方面具有的巨大潜在价值,并逐渐被应用于临床神经学、神经康复学和精神心理学领域。其中，对抑郁症和偏头痛的治疗已经通过美国FDA认证。另外，rTMS对神经递质[18，19]、脑电图(EEG)[20]的调控作用也是研究热点。

TMS的基本原理为：给一组高压大容量的电容上充电，用电力电子开关器件(一般用晶闸管)向磁场刺激线圈放电，不到1ms的时间流过数千安培的脉冲电流，瞬时功率达到几十兆瓦，刺激线圈表面产生的脉冲磁场峰峰值最高可达6T；磁场以非侵入的方式穿过头皮、颅骨，作用于脑组织，根据电磁感应定律，在线圈下的颅内大脑皮质会产生反向感应电流，改变细胞膜电位，当感应电流强度超过神经组织的兴奋阈值时，就会引起局部大脑神经去极化，引起兴奋性动作，产生一系列生理化学反应,TMS的工作原理如图1所示。

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

重复经颅磁刺激(rTMS)是当前的研究主流。不同频率的rTMS对运动皮质的调节作用不同：高频rTMS(高于1Hz)使大脑皮质兴奋性增加，低频rTMS(低于1Hz)使大脑皮质兴奋性降低。目前rTMS工作频率可以高达100Hz，这就要求供电电源能满足快速充电。要产生不同频率的脉冲磁场，一般由一组高压电容的快速充放电来实现。电容器电压的精度和稳定度直接影响脉冲磁场的磁场强度，影响皮质细胞内的感应电流大小，还会影响刺激深度，使得脑内产生的神经电活动与预期的有差异，导致实验数据产生误差。因此，电容器充电电源(CCPS)是rTMS的核心技术，直接影响rTMS的性能，研制高稳定性和可靠性的电容器充电电源成为迫切需求。目前，比较成熟的电容器充电技术主要有三种：传统的带限流电阻的直接高压充电、80年代兴起的工频LC谐振式恒流充电以及90年代逐渐发展起来的高频开关变换器充电[21-24]。前面两种由于效率低，精度差，体积大等缺点，已经被高频变换器充电技术取代，下面主要介绍几种常用的高频变换器拓扑结构。

2 电容器充电电源的拓扑结构

为了满足系统的需求，人们对电容器充电电源的拓扑结构进行了大量研究。目前比较常用的高频变换器主要有PWM变换器和谐振变换器。

2.1 PWM变换器

PWM变换器主要有Boost变换器、Flyback变换器和Ward变换器。P. K. Bhadani等采用了单个Boost变换器对电容器充电[25]。Boost变换器必须工作在较大的占空比下才能获得较高的电压增益，由于开关管的占空比较大，二极管的导通时间比较小，这就使得开关频率比较低。同时还存在二极管反向恢复所带来的开关管损耗增加的问题，进一步降低了电源效率。在没有辅助软开关电路的情况下，就进一步限制变换器的频率，一般只能工作在几kHz。为了解决上述问题,L.Huber等提出了一种级联Boost变换器充电的方法[26]，级联Boost变换器电路如图2所示。通过级联升压可以降低每个Boost的电压增压，解决了单个Boost充电占空比过大的问题。同时前一级的变换器可以使用电压等级较低的开关管和二极管，这就降低了导通损耗和反向恢复所带来的损耗。但是后一级变换器仍然受制于二极管的反向恢复问题而无法提高开关频率。由于是级联变换，因此电源的效率也不够高。

图2 级联Boost变换器Fig.2 Cascading of two Boost converter

F.P.Dawson和N.O.Sokal等人提出的Flyback变换器充电[27，28]具有对原边的开关器件固有的短路保护能力，对充电电源是非常好的特性，Flyback变换器电路如图3所示。Flyback变换器充电非常适合电压等级低于10kV，功率等级低于100W的充电电源。当电压等级与功率等级升高时，开关管的关断电流会非常大，产生较大的关断损耗；变压器必须储存更大的能量，输出侧的二极管也会承受较大的电压应力，这些因素使得Flyback拓扑不再适用。为了解决传统的电容器充电电源只能适用于恒功率或者准恒功率条件下的缺陷， R. M. Nelms等提出了Ward变换器充电[29，30]，Ward变换器电路如图4所示。Ward变换器可以适应宽负载变化的情况，还能实现开关管的零电流关断，有比较高的效率，同时也具有内在的抗负载短路的特性。当然也存在一些缺点，Ward变换器包含了三个开关管，它们开通关断时序的协调比较困难，变压器的退磁也比较复杂。

图3 Flyback变换器Fig.3 Flyback convertor

图4 Ward变换器Fig.4 Ward converter

2.2 谐振变换器

在给电容负载充电的过程中，开始阶段电容负载近乎短路，属于重负载；到充电结束阶段电容负载近乎开路，属于轻载或空载。电容器充电过程负载变化范围很大，这就要求充电电源能够适应宽负载变化范围[31]。相对于PWM变换器，谐振变换器在负载变化范围比较大的情况下具有比较好的性能，抗负载短路能力强，同时又可以工作在软开关状态，输出整流自然换流，开关损耗和电磁干扰小，因而在电容器充电领域得到广泛的应用。谐振变换器可以分为串联谐振(SRC)、并联谐振(PRC)、串并联谐振(SPRC或者LCC)以及LCL-T谐振变换器。

串联谐振变换器电路如图5所示，在串联谐振电路中，电压传输特性随负载变化而变化，在谐振频率附近输出电压最高，电压调节能力差。电流传输特性很好，表现出恒流特性，在谐振频率附近具有很高的电流值[32]。文献[33]采用串联谐振的拓扑结构，负载分别采用1μF和10μF的电容，输出电压1.5kV，充电速率1.5kJ/s，充放电频率800Hz。文献[34]利用LC串联谐振研制了一台电容器充电电源，开关频率为33kHz，开关器件选用IGBT，负载电容33nF，输出电压40kV，充放电频率是1kHz；实验得到最高充电速率38kJ/s，转换效率为80.4%。串联谐振充电具有电流恒定，可工作在开环状态，电路实现简单，应用技术成熟等优点，在高压电容器充电电源中得到广泛应用。当然也存在开关器件所受的应力大，高频变压器分布参数对电路工作影响大等不足。

图5 串联谐振变换器Fig.5 Series resonant converter

并联谐振变换器电路如图6所示，并联谐振电路中，负载与谐振电容并联，电压传输特性好，具有恒压源的特性。电流传输特性较差，易随负载变化。文献[35]设计了一个三电平并联谐振电容器充电电源，开关器件选用了MOSFET，采用软开关技术，开关频率达到超高频700kHz，应用恒功率调节策略，谐振变换器中的循环流动的能量显著减少，转换效率达到88%。与串联谐振相比，并联谐振抗负载开路能力强，但电流随负载变化较大，只适合负载固定时的电路。

图6 并联谐振变换器Fig.6 Parallel resonant converter

串并联谐振变换器电路如图7所示，串并联谐振电路中，负载和谐振电容的一部分串联。串并联谐振兼有串联谐振和并联谐振的优点，电压传输特性和电流传输特性受负载的影响都很小，既有串联谐振的恒流源的特性又有并联谐振恒压源的特性。文献[36]设计了一个全桥串并联谐振器，用高频变压器的漏电感作为谐振电感，分布电容作为并联谐振电容，再串接一个电容作为串联谐振电容，这样就构成了串并联谐振网络，有效减小了外加谐振电感给充电电源带来的体积增加，提高了电源的功率密度，还详述了其工作原理，并将该串并联谐振电源作为高压静电除尘(ESP)电源，效果良好。实际应用中，LC串联谐振电路由于其分布电容的影响实际为串并联谐振。串并联谐振与串联谐振相比，在减小供电电源功率、提高充电精度、实现小型化方面具有明显的优势[30]。

图7 串并联谐振变换器Fig.7 Series parallel resonant converter

LCL-T谐振变换器电路如图8所示，LCL-T谐振相对于并联谐振，增加了一个串联谐振电感，可工作在恒流和恒压两种模式，主要由开关频率决定。在谐振频率附近，电流增益变化缓慢，所以不能通过调节开关频率来改变电流增益，常用的方法是定频调宽方式。LCL-T谐振更有利于并联运行，在空载的时候环流较小。另外，并联模块采用适当的移相，输出电流的纹波峰峰值减小，纹波频率升高，降低了对滤波器的要求。文献[37]详细介绍了LCL-T谐振的原理，设计了一个200W，20A的电容器充电电源，验证了LCL-T的性能。

图8 LCL-T谐振变换器Fig.8 LCL-T resonant converter

综上比较，每一种高频变换器都有各自的优势与不足，各谐振变换器的优缺点如表1所示。其中串联谐振变换器充电精度高，易于满足大容量电容器充电精度和充电重复频率的要求；其充电电流的峰值完全由特征阻抗决定，峰值电流较低；变压器电压在充电过程中逐渐升高，降低了对变压器绕组绝缘的要求；且具有抗短路能力强、可靠性高等优点，目前仍是电容器充电电源首选的拓扑结构。

3 电容器充电电源的研究现状

电容器充电是获取脉冲能量的主要方式，随着rTMS在临床和科学研究中的地位不断提高，rTMS系统对电源也提出越来越高的要求，更高的效率、更快的充电速度和更小的体积是科研和工程技术人员追求的共同目标。科研人员在电容器充电电源方面做了大量的研究，目前最新的研究成果将有可能用于rTMS电容器充电电源，从而提高rTMS系统性能。

表1 谐振变换器的比较Tab.1 The comparison of resonant converter

提高效率不仅是充分利用能源的需求，也是确保rTMS系统充电率、器件安全以及电磁兼容性的需要。华中科技大学的研究者[38]指出影响效率的主要因素有：逆变器的功耗、LC谐振、电压上升以及谐波产生的失真，并采用了软开关技术和减小杂散电容的方法，总的效率达到了83%，功率因数达到0.94，最后还指出进一步提高效率的研究方向是提高初始充电时的功率因素。德克萨斯A&M大学的S. H. Kim等[39]在移相PWM全桥逆变电路的基础上，使用以测量得到的温度为反馈量进行控制的旋臂式控制方法(leg-rotation control method)，来减小IGBT产生的热能损耗。移相PWM逆变系统带有容性负载时，在开关器件两端会产生不平衡电流，不平衡电流会产生较大的热能损耗。实验证明，旋臂式控制方法可以有效地减小该热能损耗，减低器件温度，提升效能。中国科学院电工研究所的高迎慧等[40]对主要的发热元件的功耗进行了详细分析，给出了相应的经验计算公式，提出了瞬态热设计方法，并设计了一个30kV/7kW的电容器充电电源进行实验验证。瞬态热设计可以减小能量损耗，提升效能，同时也是开关电源小型化的核心技术。德克萨斯理工大学的S. L. Holt等[41]在输出级串接一个大电感来延缓充电周期早期部分的不连续电流，在满足快速充电的要求下，提高了效率，同时还给电源提供了反压保护，但是额外增加的电感在回路中产生了明显的共振，给控制带来了挑战。该谐振可以被软开关谐振利用，或者通过分割电感来抑制，来降低谐振频率使之低于开关频率。

充电速度也是电容器充电电源很重要的性能指标，rTMS系统需要在满足一定功率的前提下具有较高的充放电频率，实现高频阈上刺激[42]。德克萨斯理工大学的T. T. Vollmer等[43]采用高性能的数字信号控制器来提高充电速率。数字信号控制器很容易实现各种控制函数，其中包括电流控制回路的实时稳定函数，可以减少器件的数量，具有明显的控制性能，为将来实现先进的控制算法提供了平台。南京理工大学的研究者[44]采用全桥串联谐振拓扑，结合零电流关断技术、干式变压器以及主动冷却技术等，设计了一个输出电压为12kV的电容器充电电源，平均充电电流达到5A。

电源的小型化，提高功率密度也是rTMS系统发展的目标。开关频率越高，电源的体积和重量就可以设计得越小，所以提高开关频率可以提高功率密度。但是开关频率越高产生的开关损耗越大，产生的电磁干扰也越大，这就为电源小型化造成阻碍。北京理工大学的研究者[45]采用准谐振光电变压器变换器，所需器件少结构简单，有利于实现软开关实现高频化。H. G. Sheng等人[46]采用三电平并联谐振结构，设计了一个20kW的电容器充电电源，开关频率达到200kHz。西华大学的研究者[47]设计一种不要反馈控制环节的电容器充电源，同时还能实现恒流充电，逆变采用半桥网络，结构更加简单。LCL-T谐振网络其实是串并联谐振，变压器的寄生电容和漏电感计算到谐振参数的一部分，只需增加两个额外的钳位二极管即可。由于有了钳位二极管，可以省去反馈控制回路，同时还给负载电容提供了过充保护，有助于维持负载电容的电压。

此外，为了提高功率输出，中国科学院电工研究所的高迎慧等[48]用两个35kW的变换器并联运行来达到70kW的功率输出。并联运行不仅能提高功率输出，还可以减小峰值功率。金属薄膜电容具有高功率密度，耐高压的特性，非常适合作为电容器的储能元件。但是金属薄膜电容有一个内在的问题，就是高压时有电压滑落，会影响精度。为了解决电压滑落的问题，华中科技大学的研究者[49]用一个比较器来控制，在充电维持阶段，电容器充电电源断续工作来补偿电压滑落。对于便携式的电源还可以用铝电池来补偿。为了解决谐振电流峰值很大，产生一系列电磁干扰的问题，华中科技大学的研究者[50]以固定的开关频率，并且开关频率大于谐振频率，使谐振变换器运行在过谐振状态。这时谐振电流是连续的，随意峰值电流减小。印度的N. Pasula等人[51]分析比较了二阶谐振和四阶谐振，得出四阶谐振充电速度更快，峰值电流更小。

4 结论

TMS诞生至今已经三十多年，应用领域越来越广，对刺激电压的精度和稳定性要求越来越高，对刺激频率的需求也越来越高，同时还要求提高系统的效率和系统小型化。这就要求我们研制出高精度高可靠性的电容器充电电源。本文详细介绍了电容器充电电源的常用拓扑结构，阐述了有可能用于rTMS的电容器充电电源的最新研究进展。总体而言，电容器充电电源的发展将朝着高频化、高精度、模块化、强抗负载开路和短路的能力、低功耗以及小型化的方向发展，rTMS系统也有可能借鉴这些新的技术，实现系统性能的提升。

[1] 窦祖林, 廖家华, 宋为群 (Dou Zulin, Liao Jiahua, Song Weiqun). 经颅磁刺激技术基础与临床应用 (Transcranial magnetic stimulation technique fundamental theory and clinical practice) [M]. 北京：人民卫生出版社 (Beijing: People’s Medical Publishing House), 2012.

[2] Hortobagyi T, Bonato P. Transcranial magnetic stimulation [J]. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, 2005, 24(1):20-21.

[3] A T Barker, R Jalinous, I L Freeston. Non-invasive magnetic stimulation of the human motor cortex [J]. Lancet, 1985, 325(8437):1106-1107.

[4] 张新, 李建军 (Zhang Xin, Li Jianjun). 经颅磁刺激研究及应用进展 (Advance in investigation of transcranial magnetic stimulation) [J]. 中国康复理论与实践 (Chinese Journal of Rehabilitation Theory and Practice), 2006, 12(10): 879-882.

[5] N Raffaele, H Yvonne, B Francesco. Descending motor pathways and cortical physiology after spinal cord injury assessed by transcranial magnetic stimulation: A systematic review [J]. Brain Research, 2015, 1619: 139-154.

[6] 张新, 李建军, 霍小林, 等 (Zhang Xin, Li Jianjun, Huo Xiaolin, et al.). 重复经颅磁刺激对脊髓运动功能恢复的影响及其机制的实验研究 (Effects of repetitive transcranial magnetic stimulation on locomotor outcome of spinal cord injured rats) [J]. 中国康复理论与实践 (Chinese Journal of Rehabilitation Theory and Practice), 2008, 14(3):228-230.

[7] Guanghao Zhang, Linxia Li, Xiaolin Huo, et al. Influence of low-frequency rTMS on EEG of epileptic rats [A]. Proceedings of NFSI & ICFBI 2007 [C]. Hangzhou, China, 2007. 338-340.

[8] Wei Sun, Wei Mao, Xianghong Meng, et al. Low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation for the treatment of refractory partial epilepsy: A controlled clinical study [J]. Epilepsia, 2012, 53(10): 1782-1789.

[9] Zilong Hao, Deren Wang, Yan Zeng, et al. Repetitive transcranial magnetic stimulation for improving function after stroke [J]. Cochrane Database of Systematic Reviews, 2013,(5)：440.

[10] David A Gorelick, Abraham Zangen, Mark S George. Transcranial magnetic stimulation in the treatment of substance addiction [J]. Annals of the New York Academy of Sciences, 2014, 1327(1): 79-93.

[11] J L Couturier. Efficacy of rapid-rate repetitive transcranial magnetic stimulation in the treatment of depression: A systematic review and meta-analysis [J]. Journal of Psychiatry & Neurosci, 2005, 30(2): 83-90.

[12] J L Martin, M J Barbanoj, T E Schlaepfer, et al. Repetitive transcranial magnetic stimulation for the treatment of depression [J]. The British Journal of Psychiatry, 2003, 182 (6): 480-491.

[13] R B Lipton, S H Pearlman. Transcranial magnetic simulation in the treatment of migraine [J]. Neurotherapeutics, 2010, 7 (2): 204-212.

[14] M Teepker, J Hotzel, N Timmesfeld, et al. Low frequency rTMS of the vertex in the prophylactic treatment of migraine [J]. Cephalalgia, 2010, 30(2): 137-144.

[15] U K Misra, J Kalita, S K Bhoi. High frequency repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is effective in migraine prophylaxis: An open labeled study [J]. Neurological Research, 2012, 34(6): 547-551.

[16] M Ikeguchi, T Touge, Y Nishiyama, et al. Effects of successive repetitive transcranial magnetic stimulation on motor performances and brain perfusion in idiopathic Parkinson’s disease [J]. Journal of the Neurological Sciences, 2003, 209(1-2): 41-46.

[17] E M Khedr, H M Farweez, H Islam. Therapeutic effect of repetitive transcranial magnetic stimulation on motor function in Parkinson’s disease patients [J]. European Journal of Neurology, 2003, 10(5): 567-572.

[18] 于阳, 李玥, 张广浩, 等 (Yu Yang, Li Yue, Zhang Guanghao, et al.).适用于临床及动物试验的高频重复经颅磁刺激系统设计及其应用 (Design and application of high frequency repetitive transcranial magnetic stimulation system for clinical and animal tests) [J]. 高电压技术 (High Voltage Engineering), 2013, 39(1): 181-187.

[19] Yue Li, Xiaolin Huo, Tao Song. The effects of chronic repetitive transcranial magnetic stimulation on glutamate and gamma-aminobutyric acid in rat brain [J]. Brain Research, 2009, 1260: 94-99.

[20] O Gosseries, M Boly, S Laureys. Transcranial magnetic stimulation coupled to EEG: A new tool to assess brain function in coma [A]. Annual Update in Intensive Care and Emergency Medicine[C]. 2013. 807-817.

[21] M M Mcquage, V P McDowell, F E Peterkin, et al. High power density capacitor charging power supply development for repetitive pulsed power [A]. Conference Record of the 2006 Twenty-Seventh International Power Modulator Symposium[C]. 2006. 368-371.

[22] A H Pollock. Constant frequency, constant current load-resonant capacitor charging power supply [J]. IEE Proceedings: Electric Power Applications, 1999, 146(2): 187-192.

[23] M H Rashid. Power electronics handbook (3rd Edition)[M]. Urbana: Academic Press, 2011.

[24] R M Nelms, B E Strickland, M Garbi．High voltage capacitor charging power supplies for repetitive rate loads [A]．IEEE Industry Applications Society Annual Meeting [C].1990. 1281-1285.

[25] P K Bhadani. Capacitor-charging power supply for laser pulsers using a boost converter [J]. Review of Scientific Instruments,1989,60(4): 605-607.

[26] L Huber, M M Jovanovic. A design approach for server power supplies for networking [A]. IEEE Applied Power Electronics Conference(APEC) [C]. New Orleans, LA, USA, 2000, 2: 1163-1169.

[27] F P Dawson, S B Dewan．A subresonant flyback converter for capacitor charging [A]. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition[C]. San Diego, CA, United States,1987. 274-283.

[28] N O Sokal, R Redl. Control algorithms and circuit designs for optimally flyback-charging an energy storage capacitor [A]. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exhibition - APEC [C]. Los Angeles, CA, USA,1990. 295-302.

[29] R M Nelms, J E Schatz. A capacitor charging power supply utilizing a ward converter [J]. IEEE Transactions on Industustrial Electronics, 1992, 39(5): 421-428.

[30] J E Schatz, R M Nelms. Design and analysis of the ward converter for capacitor charging applications [A]. Sixth Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition[C]. Dallas, TX, USA, 1991. 45-51.

[31] 刘福才,金书辉,赵晓娟 (Liu Fucai, Jin Shuhui, Zhao Xiaojuan). LC串联谐振和LCC串并联谐振在高压脉冲电容充电电源中的应用比较 (Comparison of LC series resonant and LCC series-parallel resonant in high-voltage pulse capacitor charging power supply application) [J]. 高电压技术 (High Voltage Engineering), 2012, 38(12): 3347-3356.

[32] 乔尔敏, 张柯 (Qiao Ermin, Zhang Ke).串联谐振电容器充电电源特性研究 (Study on the characteristics of series-resonant capacitor charging power supply) [J]. 通信电源技术 (Telecom Power Technology), 2010, 27(1): 11-14.

[33] A C Lippincott, R M Nelms. A capacitor-charging power supply using a series-resonant topology, constant on-time/variable frequency control, and zero-current switching [J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 1991, 38(6): 438-447.

[34] M Souda, F Endo, C Yamazaki, et al. Development of high power capacitor charging power supply for pulsed power applications [A]. IEEE International Pulsed Power Conference [C]. Monterey, CA, USA,1999. 2: 1414-1416.

[35] D Fu, Y Qiu, Y Sun, et al. A 700 kHz high-efficiency high-power-density three-level parallel resonant dc-dc converter for high-voltage charging applications [A]. Twenty-Second Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition [C]. 2007. 962-968.

[36] Jun Liu, Licheng Sheng, Jianjiang Shi, et al. LCC resonant converter operating under is continuous resonant current mode in high voltage, high power and high frequency applications [A]. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition [C]. 2009. 1482-1486.

[37] M Borage, S Tiwari, S Kotaiah. Analysis and design of LCL-T resonant converter as a constant-current power supply [J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2005, 52(6): 1547-1554.

[38] Qinyue Tan, Fuchang Lin, Shaorong Wang, et al. Study on the efficiency of capacitor charging power supply for power conditioning system [A]. Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC) [C]. Wuhan, China, 2011. 1-4.

[39] S H Kim, M Ehsani, Y H Kim. Leg-rotation control method for capacitor charging power supply used in pulsed power system [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2013, 20(4): 1012-1019.

[40] Yinghui Gao, Kun Liu, Yaohong Sun, et al. Research on transient thermal management of capacitor charging power supply [A]. IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC) [C]. 2014. 627-631.

[41] S L Holt, C F Lynn, J M Parson, et al. Burst mode operation of a high peak power high pulse repetition rate capacitor charging power supply [A]. IEEE Pulsed Power Conference (PPC) [C]. Austin, TX, United States, 2015. 1-4.

[42] 李松,殷涛,安好, 等 (Li Song, Yin Tao, An Hao, et al.). 高频磁刺激仪的降低功耗设计(Design of low-power expenditure in high -frequency stimulation) [J]. 医疗卫生装备 (Chinese Medical Equipment Journal), 2009, 30(6): 4-6.

[43] T T Vollmer, M G Giesselmann. Rapid capacitor charging power supply for an 1800J PFN [A]. International Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC) [C]. 2012. 645-648.

[44] Yazhou Zhang, Jinguo Wu, Zhenxiao Li, et al. Design of compact high-voltage capacitor charging power supply for pulsed power application [A]. IEEE Pulsed Power Conference (PPC)[C]. Austin, TX, United States, 2015. 1-5.

[45] Chunyu Bai, Shiyi Li, Qiang Shen, et al. Converter of high voltage capacitor charging power supply using piezoelectric transformer [A]. Power and Energy Engineering Conference [C]. 2009. 1-4.

[46] Honggang Sheng, Wei Shen, Hongfang Wang, et al. Design and implementation of a high power density three-level parallel resonant converter for capacitor charging pulsed-power supply [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2011, 39(4): 1131-1140.

[47] Ting Liang, Wei Li, Chunen Fang, et al. Capacitor charging power supply based on LCL-T resonant converter with clamp diodes [A]. 35th IEEE Region 10 Conference, TENCON 2015 [C]. Macao, China, 2015. 1-5.

[48] Yinghui Gao, Kun Liu, Rongyao Fu, et al. Development on high-power and high power density capacitor charging power supply [A]. 2014 17th International Symposium on Electromagnetic Launch Technology (EML) [C]. La Jolla, CA, United States, 2014. 1-6.

[49] Lei Lin, Heqing Zhong, Yu Deng, et al. Analysis and design of voltage maintaining method for series resonant capacitor charging power supply [A]. 2014 Twenty-Ninth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) [C]. Fort Worth, TX, United States, 2014. 3249-3254.

[50] Lei Lin, Heqing Zhong, Yu Deng, et al. Analysis, design and implementation of phase-shifted series resonant high-voltage capacitor charging power supply and its fuzzy logic controller [A]. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) [C]. 2014. 884-891.

[51] N Pasula, A Patel, T Kolge, et al. Comparative analysis of 2nd and 4th order resonant based capacitor charging power supplies [A]. IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC) [C]. Santa Fe, NM, United States, 2014. 607-610.

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

国家自然科学基金项目(51577183； 51307166； 31400717)

雷发胜(1991-)， 男， 畲族， 福建籍， 硕士研究生， 研究方向为生物电磁技术； 霍小林(1969-)， 男， 山西籍， 研究员， 博士， 主要研究方向为生物电磁技术。

R318

A

1003-3076(2016)11-0045-08