Импульсные конденсаторы N4700 для переключения кВ в DSA-ангиографии

Импульсные конденсаторы N4700 для переключения кВ в DSA-ангиографии

Резюме

В цифровой субтракционной ангиографии (DSA) рентгеновская трубка облучается миллисекундными импульсами, а не непрерывным пучком, с длительностью импульса от 2 мс до 20 мс и частотой до 60 кадров в секунду. Для каждого кадра необходим импульс напряжения (кВ), который быстро нарастает, сохраняет амплитуду и повторяется. В этой статье приводятся энергия импульса, постоянная времени нарастания, время восстановления заряда и параметры конденсатора, которые позволяют поддерживать время переключения напряжения ниже 1 мс.

1. Введение

Цифровая субтракционная ангиография отображает артериальное дерево в миллисекундных импульсах. Длительность импульсов варьируется от 2 мс до 20 мс, а частота повторения достигает 30 кадров в секунду или даже 60 кадров в секунду. Для каждого кадра необходим высоковольтный импульс с контролируемой амплитудой, контролируемой шириной и той же формой, что и предыдущий кадр.

Высокопроизводительные системы DSA устанавливают жесткие ограничения на источник. Переключение напряжения должно завершаться менее чем за 1 мс, разброс напряжения от кадра к кадру должен оставаться в пределах ±2%, а фронты нарастания и спада должны быть менее 100 мкс. Кроме того, трубка работает в течение длительных последовательностей флюороскопии, поэтому повышение температуры должно оставаться контролируемым при непрерывном импульсном воздействии.

Частично это решается с помощью алгоритмов управления. Остальное обеспечивается аппаратным обеспечением: конденсаторами для хранения энергии, фильтрующими конденсаторами и разрядной сетью. Компания HVC работала над высоковольтными проектами DSA и обнаружила, что скорость заряда и разряда, ESR, ESL и диэлектрическое поглощение определяют предел импульсного переключения.

В этой статье рассматриваются баланс энергии импульса, постоянные времени нарастания и заряда, три причины отказов полевой обмотки, нарушающих стабильность импульса, а также этапы выбора конденсаторов для DSA.

2. Основной механизм

2.1 Поток энергии в импульсном источнике высокого напряжения

Источник DSA содержит высоковольтную шину постоянного тока, накопитель энергии, коммутационную сеть и трансформатор с умножительным выпрямителем. Между импульсами шина пополняет накопитель энергии. Во время экспозиции накопитель разряжается через переключатель и питает трубку. Энергия одного импульса составляет:

E_pulse = P_tube · t_pulse = V_kV · I_tube · t_pulse

где P_tube — мощность лампы в кВт, V_kV — напряжение лампы в кВ, I_tube — ток лампы в мА, t_pulse — ширина импульса в мс, а E_pulse — энергия импульса в Дж.

Примите напряжение 80 кВ, ток 200 мА и длительность импульса 10 мс. Импульс требует 160 Дж. При частоте 30 Гц средняя мощность составляет 4.8 кВт, а у батареи есть 23.3 мс между импульсами, чтобы получить обратно 160 Дж, что требует около 6.87 кВт мощности зарядки.

2.2 Фрагмент восходящего сигнала и постоянная времени петли

Фрагмент сигнала нарастания соответствует скорости включения переключателя и постоянной времени контура. Выходной сигнал отслеживает напряжение на конденсаторе следующим образом:

V_out(t) = V_C · (1 − e^(−t/τ_rise))

где V_C — напряжение на накопительном конденсаторе в кВ, τ_rise — постоянная времени контура в мкс, а V_out — напряжение на лампе в кВ.

Постоянная времени цикла равна:

τ_rise = L_loop / (R_load + R_switch + ESR_C)

где L_loop — паразитная индуктивность контура в мкГн, R_load — эквивалентное сопротивление лампы в кОм, R_switch — сопротивление ключа в открытом состоянии в Ом, а ESR_C — сопротивление накопительного конденсатора в Ом.

Для фронта сигнала с амплитудой от 10% до 90% и длительностью менее 100 мкс требуется время нарастания τ_rise 45.5 мкс или меньше. При нагрузке лампы 400 кОм последовательное сопротивление преобладает, поэтому индуктивность контура и эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора определяют фронт сигнала. Низкое эквивалентное последовательное сопротивление и низкая эквивалентная последовательная индуктивность сокращают его длительность.

2.3 Восстановление заряда и нагрев ЭПР

После импульса зарядная батарея восстанавливается от V_C,min до V_C,max с постоянной времени, определяемой путем зарядки:

τ_charge = (R_charge + ESR_C) · C_s

где R_charge — сопротивление зарядной цепи в Ом, ESR_C — сопротивление накопительного конденсатора в Ом, C_s — емкость аккумуляторной батареи в мкФ, а τ_charge — постоянная времени заряда в мс.

При частоте повторения от 30 до 60 Гц интервал между импульсами составляет от 16 до 33 мс, поэтому τ_charge должен находиться значительно ниже этого диапазона. Ток зарядки также приводит к потерям в ESR:

V_ESR = I_charge · ESR_C, P_ESR = I_charge² · ESR_C

где I_charge — зарядный ток в А, ESR_C — сопротивление накопительного конденсатора в Ом, V_ESR — напряжение потерь в В, а P_ESR — потери в Вт.

При токе 20 А и сопротивлении 0.05 Ом потери напряжения составляют 1 В, а потери мощности — 20 Вт. Абсолютное значение кажется небольшим, и тепло накапливается в течение непрерывной последовательности флюороскопии.

Рис. 1 — Один импульс напряжением 80 кВ, током 200 мА и длительностью 10 мс потребляет 160 Дж от батареи емкостью 23.1 мкФ и оставляет 23.3 мс для ее пополнения с частотой 30 Гц.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: отслеживание напряжения (кВ) отстает от команды.

Некоторым системам DSA требуется несколько миллисекунд для стабилизации после скачка напряжения в киловольтах, например, от 70 кВ до 110 кВ. В этом случае первый кадр или несколько первых кадров обрабатываются при неправильном напряжении. Избыточная емкость накопителя или избыточное эквивалентное последовательное сопротивление увеличивают постоянные времени заряда и разряда, и выходной сигнал замедляется. При кардиологической диагностике, зависящей от быстрого изменения напряжения, теряется контрастность и качество изображения в реальном времени.

Болевой пункт 2: Изменение интенсивности импульсов приводит к остаточному эффекту вычитания.

Для вычитания необходим одинаковый спектр в соседних кадрах. Любые колебания напряжения (кВ) или тока (мА) между импульсами оставляют остаточный сигнал в вычитаемом изображении. Неполное восстановление блока импульсов или диэлектрик с поглощением, оставляющий остаточное напряжение, изменяют начальное напряжение следующего импульса. Колебания более ±2% приводят к появлению остаточных сигналов от костной ткани и артефактов движения в вычитаемом изображении.

Проблемный момент 3: Импульсный ток нагревает аккумуляторную батарею.

В режиме непрерывной флюороскопии частота импульсов достигает 60 Гц, поэтому батарея заряжается и разряжается 60 раз в секунду. В сердечнике накапливаются потери ЭПР, и температура повышается. Высокое эффективное значение DF или плохой путь отвода тепла ускоряют старение: происходит дрейф емкости, повышается DF и усиливается частичный разряд. В худшем случае корпус трескается, происходит утечка масла или пробой диэлектрика, и система останавливается без предупреждения.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Сбалансировать емкость накопителя с восстановлением напряжения.

Небольшой блок батарей слишком сильно падает напряжение на шине во время импульса, а большой блок слишком долго восстанавливается и ограничивает максимальную частоту импульсов. Начните с допустимого падения напряжения на шине:

C_s = 2 · E_pulse / (V_max² − V_min²)

где E_pulse — энергия импульса в Дж, V_max — напряжение верхней шины в кВ, V_min — напряжение нижней шины в кВ, а C_s — емкость блока в мкФ. При 160 Дж, 12 кВ и 11.4 кВ, что допускает падение на 5%, C_s составляет 23.1 мкФ. Добавьте 20% запас и проверьте время восстановления в моделировании.

Стратегия 2: Выберите накопительный конденсатор с низким ESR, низким ESL и низким коэффициентом диэлектрической проницаемости.

Используйте Керамика класса I N4700 для аккумуляторной батареи. Типичные значения: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ниже 50 мОм, эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) ниже 10 нГн и эффективная плотность тока (DF) ниже 0.05%, что позволяет осуществлять зарядку и разрядку в течение нескольких микросекунд. Керамические компоненты лучше сохраняют свои высокочастотные характеристики, чем пленочные или электролитические ячейки в этом режиме работы. В линейке HVC N4700 также предлагаются корпуса с низкой индуктивностью, которые дополнительно снижают индуктивность контура.

Стратегия 3: Параллельно разместить модули и использовать имеющиеся ресурсы.

Параллельное соединение n одинаковых конденсаторов увеличивает емкость и делит паразитные составляющие:

C_total = n · C, ESR_total = ESR / n, ESL_total = ESL / n

где C, ESR и ESL — значения одного блока, C_total, ESR_total и ESL_total — результаты параллельного соединения, а n — количество блоков. Восемь блоков по 3 мкФ, 15 кВ дают 24 мкФ и уменьшают ESR в восемь раз. Расположите параллельные ветви симметрично с одинаковой длиной выводов, иначе один блок будет пропускать больший пульсирующий ток, чем остальные.

Стратегия 4: Добавить активный разряд и предварительную зарядку.

Для быстрого снижения напряжения добавьте на выходе активную разрядную цепь, которая высвобождает накопленную энергию. Для быстрого повышения напряжения предварительно зарядите аккумуляторную батарею до целевого состояния перед кадром. Время предварительной зарядки указано ниже:

t_precharge ≈ 3 · τ_charge = 3 · (R_charge + ESR_total) · C_total

где R_charge — сопротивление зарядной цепи в Ом, ESR_total — сопротивление батареи в Ом, C_total — емкость батареи в мкФ, а t_precharge — время предварительной зарядки в мс. При согласованном зарядном токе это сокращает время переключения в кВ с нескольких миллисекунд до нескольких сотен микросекунд.

Стратегия 5: Калибровка каждого кадра относительно начального напряжения.

Перед каждой экспозицией производится измерение напряжения банка V_C0, а затем корректируется коэффициент заполнения или ширина импульса для компенсации. Замкнутый контур должен обеспечивать:

|V_kV_actual − V_kV_set| / V_kV_set ≤ 1%

где V_kV_actual — измеренное напряжение на трубке в кВ, V_kV_set — заданное значение в кВ, а ratio — относительная погрешность. Используйте также низкопоглощающую керамику в делителе обратной связи, чтобы хвостовая часть сигнала не влияла на показания следующего кадра.

Стратегия 6: Управление температурным режимом и прогнозирование срока службы.

Проведите моделирование тепловых процессов и убедитесь, что температура активной зоны остается ниже 105 °C в наихудшем режиме непрерывной флюороскопии. При необходимости используйте воздушное или жидкостное охлаждение и установите блок на металлическое основание. В отношении температуры жизнь подчиняется закону Аррениуса:

L_equivalent = L_rated · 2^((T_rated − T_actual)/10)

где L_rated — расчетный срок службы при номинальной температуре в часах, T_rated — номинальная температура сердечника в °C, T_actual — измеренная температура сердечника в °C, а L_equivalent — срок службы при этой температуре. Каждые дополнительные 10 °C температуры сердечника сокращают срок службы вдвое, поэтому мониторинг температуры позволяет проводить плановую замену вместо внеплановых простоев.

Необходимо скоординировать работу банка с остальной частью высоковольтной цепи. HVR-BSP толстопленочные резисторы покрыть путь демпфирования и разряда, и быстровосстанавливающиеся диоды закрыть выпрямительный каскад.

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 импульсного переключения DSA

Три параметра емкости конденсатора определяют характеристики импульса: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) на фронте импульса, диэлектрическое поглощение между кадрами и потери при непрерывной импульсной обработке. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для всех трех параметров на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESR ниже 50 мОм, а ESL ниже 10 нГн. Блок питания завершает переход заряда и разряда за несколько микросекунд, что позволяет удерживать фронт напряжения в пределах 100 мкс.
• Диэлектрическое поглощение ниже 0.05%. Остаточное напряжение быстро исчезает после каждого импульса, поэтому каждый кадр начинается с одного и того же напряжения, и остаток от вычитания остается небольшим.
• Эффективный коэффициент демпфирования ниже 0.05%. Низкие потери ограничивают температуру сердечника при непрерывной импульсной нагрузке 60 Гц и обеспечивают длительный срок службы.
• Частичный разряд не превышает 5 пКл при номинальном импульсном напряжении. Это исключает накопление повреждений от высокочастотного импульсного сигнала.
• Крепление с низкой индуктивностью. Серия винтовых клемм HVCT8G А параллельные массивы обеспечивают кратчайшую петлю, которую позволяет фронт импульса.
• Скоординированные компоненты и перекрестные ссылки. резисторы выборки HVRGXP и пленочные конденсаторы компоненты HVC производятся на одной производственной линии и соответствуют электрическим параметрам. Мурата DHS/DHR и Вишай HVCC.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а изготовленные на заказ импульсные блоки — в течение 6–10 недель, по сравнению с 20–30 неделями для брендов, указанных выше. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в моделировании импульсов, выборе конденсаторов и проектировании тепловых характеристик источников DSA.

Укажите диапазон напряжения (кВ), ширину и частоту импульсов, ток трубки и допустимое падение напряжения на шине. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист согласования блока импульсов с номерами компонентов, данными ESR и ESL на фронте импульса, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как определить необходимый размер хранилища DSA?

Исходя из энергии импульса и допустимого падения напряжения на шине, E_pulse = V_kV · I_tube · t_pulse дает энергию, а C_s = 2·E_pulse/(V_max² − V_min²) — емкость. Для импульса мощностью 160 Дж в диапазоне напряжений от 12 кВ до 11.4 кВ требуется 23.1 мкФ. Добавьте запас примерно в 20%, затем убедитесь, что батарея пополняется внутри интервала импульса при максимальной частоте кадров.

В2: Почему большой блок батарей замедляет переключение в киловольтах?

Поскольку время зарядки зависит от емкости: τ_charge = (R_charge + ESR_C) · C_s. Удвоение емкости батареи удваивает время ее пополнения, и скачок напряжения ожидает этого пополнения. Решение заключается в использовании батареи меньшего размера с более низким ESR, а также в активном разряде для ступеней понижения напряжения и предварительном заряде для ступеней повышения. Такая комбинация позволяет сократить время переключения напряжения с миллисекунд до сотен микросекунд.

В3: Какова роль диэлектрического поглощения между кадрами?

После разряда остается остаточное напряжение, которое сдвигает начальное напряжение следующего импульса. Кадровые колебания начального напряжения проявляются как остаточный эффект вычитания, а колебания свыше ±2% приводят к появлению костных артефактов и артефактов движения. Диэлектрик класса I с поглощением ниже 0.05% достаточно быстро устраняет остаточный эффект, обеспечивая согласованность каждого кадра.

Вопрос 4: Сколько устройств должно работать параллельно?

Достаточно для достижения необходимой емкости с запасом и целевого значения ESR. ESR_total = ESR/n и ESL_total = ESL/n, поэтому восемь устройств уменьшают оба значения до одной восьмой. Расположите ветви симметрично, с одинаковой длиной выводов, поскольку одна ветвь с более длинным контуром пропускает меньший ток, а остальные — свою долю. Проверьте распределение тока с помощью токового датчика на каждой ветви.

В5: Какая температура тела является допустимой?

Поддерживайте температуру активной зоны ниже 105 °C в наихудшем режиме непрерывной флюороскопии. Срок службы определяется формулой L_equivalent = L_rated · 2^((T_rated − T_actual)/10), поэтому каждые 10 °C выше номинальной температуры активной зоны уменьшают ожидаемый срок службы вдвое. Установите блок на металлическое основание, используйте воздушное или жидкостное охлаждение там, где это позволяет шкаф, и регистрируйте температуру активной зоны, чтобы можно было спланировать замену.

В6: Могут ли пленочные конденсаторы использоваться в качестве источника импульсов для DSA?

Они могут обеспечить работу на этапе с большой емкостью, но не справляются с быстрым фронтом импульса. Пленочные компоненты имеют более высокие значения ESR и ESL, чем керамические компоненты класса I, поэтому постоянная времени петли возрастает, а фронт нарастания растягивается. Параллельно с керамическим массивом для быстрого ответвления и сохранением пленочного блока для передачи основной энергии. Таким образом, два этапа обеспечивают как энергию импульса, так и требования к фронту импульса.

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. Л. Чжэн, Л. Чжу, Дж. Лю, З. Ди и С. Цзи, Самовосстанавливающиеся характеристики металлизированного пленочного конденсатора при постоянном и переменном напряжении с гармониками., в сборнике трудов конференции IEEE по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям (CEIDP), стр. 175-178, 2022. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286
8. Зарядка конденсаторов и высоковольтные источники питания SpellmanSpellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-26, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-26 .
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com