Конденсаторы с низкой индуктивностью для быстрого переключения киловольт в спектральных КТ

Конденсаторы с низкой индуктивностью для быстрого переключения киловольт в спектральных КТ

Резюме

Спектральная компьютерная томография переключает напряжение на трубке между 80 кВ и 140 кВ за один цикл сканирования, и оно должно стабилизироваться в пределах ±0.5% в субмиллисекундном диапазоне. Индуктивность контура и емкость фильтра определяют это время посредством реакции второго порядка. В этой статье приведены уравнения переходной характеристики, три барьера при быстром переключении кВ и шесть шагов, которые позволяют сократить время перехода с 1.2 мс до 0.4 мс при использовании керамических конденсаторов с низким эквивалентным уровнем звукового давления (ESL).

1. Введение

В спектральной компьютерной томографии напряжение трубки переключается во время одного сканирования или чередуется между высоким и низким напряжением в двухэнергетическом режиме. Два набора данных позволяют проводить разложение материалов, получать виртуальные моноэнергетические изображения и количественно определять содержание йода.

Генератор должен совершать большие скачки напряжения, например, от 80 кВ до 140 кВ, за короткое время. После каждого скачка напряжение должно стабилизироваться в пределах ±0.5% от целевого значения в течение долей миллисекунды.

Если окно экспозиции открывается до того, как напряжение стабилизируется, проекционные данные смешивают два спектра. В результате происходит сдвиг базовой линии спектра, появляются артефакты и ошибка количественного определения, которую не удается устранить ни на одном этапе реконструкции.

Время установки напряжения зависит от полосы пропускания контура управления и от паразитных параметров фильтрующего конденсатора, высоковольтных кабелей, выпрямителя и шин. В данной статье представлена ​​модель второго порядка, три барьера и шесть шагов для сокращения времени перехода.

2. Основной механизм

2.1 Переходная характеристика второго порядка

Генератор сводится к эквивалентному источнику, последовательному сопротивлению, индуктивности кабеля, выходному фильтрующему конденсатору и нагрузке. Команда в кВ от V_1 к V_2 дает напряжение на конденсаторе V_out(t):

L_s · C_out · d²V_out/dt² + (R_s + R_load_eq) · C_out · dV_out/dt + V_out = V_2

где L_s — индуктивность контура, C_out — емкость выходного фильтра, R_s — сопротивление источника, R_load_eq — эквивалентное сопротивление нагрузки, V_out — выходное напряжение, а V_2 — целевое напряжение.

Реакция описывается двумя параметрами. Коэффициент демпфирования определяет, будет ли край издавать звонкий или ползучий звук:

ζ = (R_s + R_load_eq) / (2 · √(L_s / C_out))

где ζ — коэффициент демпфирования, R_s — сопротивление источника, R_load_eq — эквивалентное сопротивление нагрузки, L_s — индуктивность контура, а C_out — емкость выходного фильтра. Значения ниже 1 кольцевые, значения выше 1 стабилизируются медленно, и на практике расчеты соответствуют диапазону от 0.6 до 0.8.

Собственная частота колебаний незатухающей части петли определяет скорость её движения:

ω_n = 1 / √(L_s · C_out)

где ω_n — собственная частота незатухания, L_s — индуктивность контура, а C_out — емкость выходного фильтра. Сокращение времени настройки означает одновременное уменьшение L_s, выбор C_out и управление сопротивлением контура.

2.2 Индуктивность растягивает фронт напряжения

Кабели, разъемы и выводы конденсаторов вносят паразитную индуктивность в контур. Эта индуктивность ограничивает скорость нарастания тока, а создаваемая ею противо-ЭДС противодействует напряжению источника, поэтому фронт тока растягивается.

t_s ≈ 4.6 / (ζ · ω_n) = 9.2 · L_s / (R_s + R_load_eq)

где t_s — время установления напряжения, ζ — коэффициент затухания, ω_n — собственная частота, L_s — индуктивность контура, а R_s + R_load_eq — общее последовательное сопротивление контура.

При L_s = 100 мкГн, C_out = 200 нФ и последовательном сопротивлении 16 Ом, ω_n составляет примерно 224 крад/с, или 35.6 кГц, а ζ равно 0.35. Реакция является слабозатухающей, и t_s достигает примерно 59 мкс.

2.3 Что изменяют ESR, ESL и DF_eff

Фильтрующий конденсатор не является идеальным элементом. Его импеданс в зависимости от частоты равен:

Z_C = ESR + j(2πf · ESL − 1 / (2πf · C))

где Z_C — импеданс конденсатора, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, ESL — эквивалентная последовательная индуктивность, C — емкость, а f — частота.

• Более высокое значение ESL повышает высокочастотное сопротивление, снижает зарядный ток и замедляет процесс стабилизации.
• ЭПР сглаживает контур, а чрезмерное ЭПР приводит к пульсациям в установившемся режиме и нагреву.
• DF_eff = 2πf·C·ESR отслеживает диэлектрические потери, поэтому высокое значение преобразует энергию в тепло.

Компоненты на основе N4700 с выводами обеспечивают эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) 3–10 нГн, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) от миллиом до сотен миллиом, а эффективную плотность тока (DF_eff) ниже 0.1%. Именно эти три параметра позволяют получить быстрый фронт напряжения в киловольтах при емкости 200 нФ.

Рис. 1 — Время установки зависит от индуктивности контура и коэффициента затухания, поэтому уровень электростатического сопротивления кабеля, разъема и конденсатора должен снизиться одновременно.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Большая емкость, препятствующая быстрой реакции.

Управление пульсациями увеличивает C_out, а ω_n = 1/√(L_s·C_out) уменьшается по мере роста емкости. Больший блок также имеет большую эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) и больший объем, поэтому динамический отклик ухудшается вдвое.

Для спектральной компьютерной томографии необходимы одновременно низкий уровень пульсаций в установившемся режиме и быстрое нарастание напряжения (кВ). Пленочное решение вынуждает выбирать между медленным откликом и высокими пульсациями, и ни один из этих компромиссов не соответствует требованиям.

Проблема 2: Скрытая индуктивность в кабелях и разъемах.

Трехметровый высоковольтный кабель передает индуктивность в несколько микрогенри. Индуктивность контактов разъема варьируется от десятков до сотен наногенри. Эти значения последовательно соединены с фильтрующим конденсатором и образуют LC-резонанс, который возникает при каждом переходе напряжения в килогерцах.

Снять это ограничение с полосы пропускания управления невозможно, поскольку резонанс находится в физической петле. Для его устранения необходимо использовать трассировку, геометрию шин и выбор конденсаторов.

Проблемный момент 3: Дрейф смещения постоянного тока приводит к поломке одного из компенсаторов.

Керамика класса II теряет емкость под действием постоянного напряжения, причем потери зависят от напряжения. При быстром переключении в киловольтах рабочая точка смещается от низкого киловольта к высокому, поэтому эффективная емкость не постоянна, и динамическая модель петли изменяется вместе с ней.

Компенсатор, настроенный на одно энергетическое состояние, дает перерегулирование или недодемпфирование в другом. Если проектировать, исходя из одной номинальной емкости, то технические характеристики выполняются в одной точке (кВ), но не выполняются в следующей.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Уменьшить последовательную индуктивность с помощью керамических фильтрующих конденсаторов.

Перемещение основного блока фильтров из пленочные конденсаторы в N4700 Керамические компоненты снижают эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) с 30–80 нГн до 3–10 нГн. Пленочный компонент емкостью 200 нФ с ESL 50 нГн саморезонансится на частоте 1.6 МГц, а керамический компонент с ESL 5 нГн достигает частоты около 5 МГц.

Снижение индуктивности расширяет эффективную полосу фильтрации и увеличивает ω_n, что сокращает время установления. Измерения при тех же параметрах управления показывают, что время установления в диапазоне от 80 кВ до 140 кВ снижается с 1.2 мс до 0.4 мс после изменения параметров.

Стратегия 2: Установите демпфирующую сеть для ζ в диапазоне от 0.6 до 0.8.

Снижение ESL само по себе может перевести петлю колебаний из состояния передемпфирования в состояние недодемпфирования и вызвать звон. Добавление последовательного демпфирующего резистора на высоковольтном выходе позволит вернуть общий коэффициент демпфирования в допустимый диапазон.

R_d ≈ 2ζ · √(L_s / C_out) − R_s − R_load_eq

где R_d — сопротивление демпфирования, ζ — целевой коэффициент демпфирования, L_s — индуктивность контура, C_out — емкость выходного фильтра, а R_s + R_load_eq — существующее последовательное сопротивление. При L_s = 50 мкГн, C_out = 200 нФ и целевом ζ = 0.7 значение составляет примерно 22 Ом минус существующее сопротивление контура.

Используйте HVRGXP Здесь используются резисторы с защитным покрытием. Их неиндуктивная конструкция обеспечивает демпфирование без увеличения индуктивности, поэтому коэффициент предсказуем и не изменяется с частотой.

Стратегия 3: Укоротить кабели и использовать ламинированные шины.

Длина высоковольтного кабеля должна быть максимально ограничена возможностями конструкции портала, предпочтительно использовать двухэкранированный кабель с низкой индуктивностью. Генератор следует устанавливать как можно ближе к трубе, насколько это позволяет вращающаяся рама. Одножильный провод следует заменить медными или ламинированными шинами большой площади сечения, что снижает паразитную индуктивность более чем на 50%.

Установите фильтрующие конденсаторы непосредственно на выходе выпрямительного моста. Длинные провода между мостом и блоком конденсаторов создают LC-резонанс, который невозможно устранить изменением параметров управления.

Стратегия 4: Разделить фильтрацию на стационарный и динамический блоки.

Для снижения пульсаций в установившемся режиме используйте конденсаторы N4700 емкостью 100–200 нФ в качестве основного блока. Добавьте конденсатор емкостью 10–22 нФ с эквивалентной индуктивностью (ESL) ниже 5 нГн рядом с выходом лампы для поглощения высокочастотных переходных процессов от каждого киловольтного переключателя.

Небольшой конденсатор быстро заряжается и подает начальный заряд, который поднимает фронт пульсации. После стабилизации большой блок конденсаторов поддерживает заданные параметры пульсаций. Эти две функции не конкурируют за одинаковую номинальную стоимость компонента.

Стратегия 5: Подача зарядного тока напрямую от модели.

Предварительно рассчитывайте зарядный ток для каждого целевого значения кВ, вместо того чтобы позволять контуру определять его самостоятельно. Емкость N4700 уменьшается менее чем на 5% под действием смещения, поэтому одна модель охватывает все энергетические состояния, и член прямой связи остается точным.

I_ff = C_out · ΔV / t_target + I_tube

где I_ff — ток заряда при прямой связи, C_out — емкость выходного фильтра, ΔV — разность напряжений переключателя, t_target — время установки целевого значения, а I_tube — ток лампы. Используйте измеренные значения L_s и C_out в модели и пересчитывайте их при каждом изменении состояния батареи.

Стратегия 6: Проверка на частичный разряд до того, как край напряжения станет быстрым.

Быстрый импульс напряжения (в киловольтах) значительно повышает электрическое поле внутри конденсатора по сравнению со статическим значением. Затем в пустотах и ​​микротрещинах происходит многократный разряд, что приводит к эрозии диэлектрика и вносит широкополосный шум в цепь обратной связи и сигнал синхронизации детектора.

Проверяйте каждый фильтрующий конденсатор, используемый для быстрого переключения кВ, на частичный разряд ≤5 пКл при 1.5 U_r и указывайте частичный разряд ≤2 пКл для критически важных медицинских партий. HVC проводит 100% проверку на частичный разряд на всех устройствах. HVCT8G а также фильтрующие элементы из стали N4700, благодаря чему динамические нагрузки не приводят к преждевременному выходу из строя.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для быстрого переключения кВ.

Спад напряжения уменьшается, когда индуктивность контура снижается, а демпфирование остается в допустимых пределах. Компания HVC производит компоненты N4700 для обоих типов линий на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывая диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESL составляет 3–10 нГн. Низкая индуктивность выводов уменьшает общую паразитную индуктивность высоковольтной петли, что сокращает время установления и подавляет колебания.
• DF_eff ниже 0.1%. Низкие потери обеспечивают умеренное демпфирование без выделения тепла, поэтому демпфирующий резистор остается единственным элементом, предназначенным для компенсации потерь в контуре.
• Стабильность постоянного смещения. Снижение емкости остается ниже 5% во всем диапазоне от 80 кВ до 140 кВ, поэтому одна динамическая модель охватывает все энергетические состояния.
• Компактные размеры и малый вес. Сокращение объема на 30–50% по сравнению с аналогичным пленочным элементом уменьшает длину кабельной трассы и улучшает компоновку портала.
• PD ≤5 пКл при 1.5 U_r. Экранирование при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, предотвращает проникновение шума разряда в контур обратной связи и влияет на время срабатывания детектора при быстром переключении, при этом в медицинских партиях PD составляет ≤2 пКл.
• Скоординированные компоненты. HVR-BSP толстопленочные резисторы для демпфирования и балансировки напряжения, прецизионные делительные резисторы для выборки обратной связи по кВ, и выпрямительные диоды закажите вместе с конденсаторами.

Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпуса. Мурата DHS/DHR, Vishay HVCC и TDK высоковольтная серия, поэтому второй источник можно проверить без изменения компоновки.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты демпфирования и согласования, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в моделировании контура второго порядка, выборе демпфирующих элементов и разработке планов скрининга частичных разрядов.

Отправьте диапазон кВ, целевое время настройки, длину кабеля, измеренное значение L_s и профиль нагрузки. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист подбора конденсаторов с номерами деталей, данными ESL и DF_eff, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое время установки напряжения требуется для спектральной компьютерной томографии?

Стабилизация напряжения происходит за доли миллисекунды, с точностью до ±0.5% от целевого значения после каждого скачка, включая случай с 80 кВ до 140 кВ. Конструкция, которая стабилизируется за 1.2 мс, не попадает в этот временной промежуток, и экспозиция открывается при частично стабилизированном напряжении. Показатель 1.2 мс типичен для пленочного блока с эквивалентной последовательностью 30–80 нГн.

В2: Как сократить время настройки, не теряя при этом контроля пульсаций?

Разделите функции. Используйте конденсатор емкостью 100–200 нФ для подавления пульсаций в установившемся режиме и добавьте низкоэмиссионный конденсатор емкостью 10–22 нФ рядом с лампой для подавления переходных процессов в киловольтах. Малый конденсатор обеспечивает начальный заряд, который снимает фронт пульсации, а большой конденсатор поддерживает параметры пульсаций после стабилизации.

В3: Почему ответный звонок раздается после того, как я снижаю уровень ESL?

Поскольку ESL, емкость и сопротивление контура совместно определяют коэффициент затухания, уменьшение индуктивности повышает ω_n и снижает ζ, что приближает контур к недодемпфированному состоянию. Добавьте последовательно включенный демпфирующий резистор, размер которого определяется формулой R_d ≈ 2ζ·√(L_s/C_out) − R_s − R_load_eq, и используйте неиндуктивную часть, чтобы сопротивление оставалось предсказуемым на высоких частотах.

Вопрос 4: Какова величина индуктивности, которую создают кабели?

Трехметровый высоковольтный кабель добавляет несколько микрогенри, а контакты разъема — от десятков до сотен наногенри. При общей индуктивности 100 мкГн, емкости 200 нФ и сопротивлении 500 Ом, ζ составляет 0.35, а время срабатывания — около 59 мкс. Укоротите кабель, используйте ламинированные шины и установите конденсаторы на выходе выпрямителя.

В5: Вредит ли превышение требуемой емкости по каким-либо параметрам?

Да. ω_n = 1/√(L_s·C_out) уменьшается с увеличением емкости, поэтому слишком большой блок конденсаторов замедляет фронт сигнала на киловольтах и ​​обычно также увеличивает ESL и объем. Размер блока следует выбирать исходя из спецификации пульсаций, а затем сократить динамический путь с помощью небольшого параллельного конденсатора вместо увеличения емкости.

В6: Насколько стабильным должен быть фильтрующий конденсатор в различных точках измерения напряжения (кВ)?

Достаточно стабильная работа, позволяющая использовать один компенсатор при каждом энергетическом состоянии. Емкость N4700 уменьшается менее чем на 5% при номинальном напряжении, поэтому модель контура практически не изменяется при переходе от 80 кВ к 140 кВ. Компонент класса II может терять 30% или более при смещении, и в этом случае отклик соответствует спецификации в одной точке напряжения, но не соответствует ей в следующей.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
8. США 7,023,686, Высоковольтный керамический конденсаторTDK Corporation, патент выдан в 2006 году, https://www.freepatentsonline.com/7023686.html.
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. MIL-PRF-55681 Ред. H, Конденсатор, чип, многослойный, фиксированный, с керамическим диэлектриком, с установленной и неустановленной надежностью, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2025.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com