Компактные высоковольтные конденсаторы для мобильной КТ-аппаратуры для лечения инсульта

Компактные высоковольтные конденсаторы для мобильной КТ-аппаратуры для лечения инсульта

Резюме

Мобильный инсультный пункт проводит сканирование и лечение непосредственно у пациента, поэтому система КТ должна помещаться внутри машины скорой помощи. Источник высокого напряжения является самым большим модулем в этой системе. В этой статье рассматриваются ограничения по объему, быстрое изменение напряжения и тепловые потери, связанные с миниатюризацией, а также параметры конденсаторов и этапы проектирования, позволяющие выдерживать выходное напряжение 140 кВ в условиях эксплуатации.

1. Введение

Оказание помощи при инсульте зависит от времени. При стандартном лечении пациента доставляют к компьютерному томографу, и тромболизис ожидает. Мобильный инсультный пункт (МИП) перевозит компьютерный томограф, оборудование для обработки изображений и лекарственную терапию в одной машине скорой помощи, поэтому сканирование начинается у пациента. Клинические исследования показывают экономию 30–60 минут на каждый случай.

Ограничения устанавливает кабина скорой помощи. Стандартная медицинская кабина имеет ширину менее 1.6 м и высоту 1.9 м, а шасси ограничивает полезную нагрузку. Питание осуществляется от батарей и генератора. Самыми крупными модулями являются портал компьютерного томографа и высоковольтный генератор, причем генератор сложнее всего уменьшить в размерах.

Целевой объем составляет одну треть объема стационарного генератора трансформаторов тока. Для достижения этой цели необходима частота переключения около 100 кГц, масляная или эпоксидная изоляция вместо воздушной, а также планарная цепочка умножителей. Каждый шаг увеличивает электрическую и тепловую нагрузку на высоковольтные конденсаторы.

В данной статье рассматриваются ограничения по объему сверхкомпактного источника высокого напряжения, три фактора, негативно влияющие на характеристики поля после миниатюризации, а также параметры конденсатора, обеспечивающие выходное напряжение 140 кВ в движущемся транспортном средстве.

2. Основной механизм

2.1 Ограничения по объему

Мощность трансформатора увеличивается пропорционально объему производства и частоте переключения:

P = k · f · B_max · A_core · l_window · J

где P — передаваемая мощность, k — коэффициент формы сигнала, f — частота переключения, B_max — пиковая плотность магнитного потока, A_core — поперечное сечение сердечника, l_window — длина окна, и J — плотность тока.

При постоянной мощности десятикратное увеличение частоты f уменьшает объем магнитного поля на 50–70%. Большинство генераторов MSU работают на частоте 50–200 кГц. Такое же увеличение частоты приводит к пульсациям тока и скачкам напряжения на конденсаторах.

2.2 Быстрые кромки

При частоте выше 100 кГц последовательная индуктивность конденсатора вызывает всплеск на каждом фронте тока:

V_spike = ESL · di/dt

где ESL — эквивалентная последовательная индуктивность конденсатора, di/dt — скорость нарастания тока, а V_spike — добавленный скачок напряжения.

При ESL = 20 нГн и di/dt = 100 кА/мкс, V_spike = 2 кВ. На шине 140 кВ импульс в 2 кВ может вызвать частичный разряд или сработать защитная цепь. Длинновыводные компоненты имеют слишком большую ESL для этой задачи.

2.3 Масляная изоляция

Для поддержания постоянного напряжения 140 кВ требуется несколько десятков сантиметров воздуха. Масло и эпоксидная смола сокращают этот зазор в 5–10 раз, поскольку изоляционное масло выдерживает напряжение выше 15 кВ/мм. Резервуар сжимается, но путь передачи тепла увеличивается, а тепловое расширение создает дополнительную нагрузку в каждом соединении.

Закон Пашена определяет случай с воздухом:

V_bd = f(p · d)

где V_bd — напряжение пробоя, p — давление газа, а d — расстояние между электродами. Повышение давления или заполнение зазора маслом приводят к увеличению V_bd.

2.4 Вибрация и термические циклы

В машине скорой помощи наблюдаются случайные вибрации до 5–10 g, а также удары при торможении и поворотах, при температурах от −20 °C до +50 °C. Срок службы паяных соединений под такой нагрузкой следующий:

N_f = C · (Δε)^(−β)

где N_f — количество циклов до отказа, Δε — амплитуда деформации припоя, C — константа, а β — константа материала, обычно 1–3.

Меньшая масса и более короткий вывод уменьшают Δε. Чип-конденсаторы в корпусах 1206 или 1812 имеют меньшую массу и более короткий вывод, поэтому они подходят для автомобильных платформ.

Рис. 1 — Снижение частоты инвертора до 100 кГц уменьшает объем магнитного поля примерно на 60% и добавляет пик напряжения 2 кВ при токе 100 кА/мкс, поэтому DF и ESL устанавливают расчетное значение 140 кВ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Повышение температуры после снижения объема.

Меньший резервуар вмещает меньше масла и имеет меньшую площадь теплоотвода, а инвертор с частотой 100 кГц увеличивает потери. Коэффициент теплопередачи повышается с температурой, а сопротивление утечкам падает, поэтому каждый шаг приводит к увеличению тепловыделения. Один из прототипов MSU достиг температуры масла 95 °C и температуры ядра 110 °C после 15 минут сканирования, после чего сработала тепловая защита.

Проблема 2: Скачки напряжения от обычных компонентов.

При частоте 100 кГц и выше ESL превращает каждый фронт тока в импульс. Компонент с индуктивностью 20 нГн и фронтом тока 100 кА/мкс добавляет 2 кВ к напряжению питания. Обычные конденсаторы с длинными выводами теряют запас прочности, необходимый для миниатюрной компоновки.

Проблемная точка 3: Поставка автомобилей и рассрочка платежей.

Напряжение на рельсах машины скорой помощи колеблется от 22 В до 32 В в 24-вольтовой системе или от 42 В до 58 В в 48-вольтовой системе. На него накладываются переходные процессы, связанные со пуско- и компрессорным оборудованием. Без предварительной фильтрации этот шум передается через высоковольтный кабель в детектор и проявляется в виде шума изображения.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Повышение частоты переключения

Переход от частоты инвертора 20 кГц к 100 кГц уменьшает объем магнитного поля примерно на 60%. В этом случае фильтрующие конденсаторы должны поддерживать коэффициент диэлектрической проницаемости ниже 0.15% в диапазоне частот от 100 кГц до 1 МГц, иначе нагрев от пульсаций тока приведет к потере пространства, сэкономленного за счет повышения частоты. N4700 Детали класса I соответствуют этому пределу благодаря низкому эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR) и низкому коэффициенту деформационного сопротивления (DF).

Стратегия 2: Использование планарной цепочки множителей

Замените цилиндрический резервуар планарной печатной платой или гибкой цепочкой умножителей. Разместите конденсаторы, диоды и резисторы в коротковыводном или поверхностном монтаже на многослойной плате, затем залейте сборку компаундом. Планарная структура уменьшает объем и укорачивает высоковольтную дорожку, что снижает паразитную индуктивность. Компания HVC поставляет микросхемы от 1206 до 2220 с номинальными напряжениями от 1 кВ до десятков кВ.

Стратегия 3: Выберите субстрат для посадки.

Используйте масло или эпоксидную смолу с высокой диэлектрической прочностью и низким коэффициентом расширения. Перед заливкой каждого конденсатора проведите вакуумную дегазацию, так как захваченный пузырек воздуха вызывает разряд. Затем проведите температурные циклы залитого узла, чтобы удалить детали с микротрещинами. В компонентах HVC N4700 используется эпоксидная смола, совместимая с распространенными маслами и заливочными компаундами.

Стратегия 4: Контроль механического напряжения

Установите каждый конденсатор в нескольких точках, чтобы выводы не несли всю нагрузку. Размещайте тяжелые компоненты близко к плате и добавьте эластичную прокладку или теплопроводящий клей. Для микросхем выбирайте нижние металлические или мягкие выводы, которые поглощают тепловые циклы. По запросу HVC предлагает усиленные конструкции торцевых электродов.

Стратегия 5: Охватить весь диапазон поставок и отфильтровать продукцию.

Разработайте входной DC-DC преобразователь для входного напряжения 18–60 В с защитой от перенапряжения, подавлением импульсных перенапряжений и фильтрацией синфазных помех. Используйте экранированный высоковольтный кабель и добавьте RC- или π-фильтр на выходе генератора. пленочный конденсатор На первом этапе фильтрации удерживается накопленная энергия, а параллельно расположенные керамические элементы с низким ESL уменьшают эквивалентную индуктивность.

Стратегия 6: Проверка в условиях эксплуатации транспортного средства.

Проведите испытания на случайную вибрацию в диапазоне от 5 Гц до 2000 Гц при среднеквадратичном значении 7.7 g, полусинусоидальный удар при 50 g в течение 11 мс по каждой оси и не менее 500 циклов в диапазоне температур от −20 °C до +60 °C. Добавьте испытание на выдерживание при эквивалентном давлении 3000 м и испытание на сброс нагрузки по стандарту ISO 7637-2 Pulse 5. Компания HVC предоставляет отчеты HALT для автомобильных программ.

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 для этого узла

Мобильная установка для контроля за перепадами напряжения размещает генератор на 140 кВ внутри транспортного средства, которое трясется, нагревается и работает от шины 24 В. В основе этого процесса лежат три свойства конденсатора: низкие потери на частоте переключения, стабильная емкость в зависимости от температуры и прочное соединение выводов. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для всех трех параметров на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывая диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент потерь ниже 0.15%. Потери остаются низкими в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц, поэтому нагрев от пульсаций тока внутри герметичного резервуара остается небольшим.
• TCC ±30 ppm/°C. Емкость сохраняется в диапазоне от −55 °C до +125 °C, поэтому выходное напряжение остается неизменным при нагреве и охлаждении салона.
• ESL ниже 30 нГн. HVCT8G и HVCT9G Последовательный срез краевого шипа защищает шину 140 кВ от ложных срабатываний защиты.
• Частичные разряды ниже 5 пКл при напряжении в 1.5–2 раза превышающем номинальное. Экранированные компоненты обеспечивают запас изоляции в течение длительного срока службы в масле.
• Микросхемы и корпуса с коротким выводом от 1206 до 2220. Малая масса и короткий вывод уменьшают напряжение припоя, которое определяет значение N_f.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Vishay HVCC, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV, и используются в крупномасштабном производстве генераторов КТ для OEM-производителей оборудования для визуализации из списка Fortune 500.

В этой схеме конденсатор работает не в одиночку. HVC также обеспечивает его подачу. HVR-BSP толстопленочные резисторы для балансировочной цепи и каскада демпфирования.

Для умножительного выпрямителя компания HVC поставляет быстровосстанавливающиеся выпрямительные диоды в том же тепловом классе, что и конденсаторы.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, в отличие от 20–30 недель, характерных для указанных выше брендов. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в проектировании цепочек множителей, анализе процесса заливки компаундом и планировании вибрационных испытаний.

Отправьте топологию, частоту переключения, требуемое напряжение (кВ) и ток (мА), а также профиль испытаний транспортного средства. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист согласования конденсаторов с номерами деталей, данными DF и ESR на рабочей частоте, а также комплект для оценки с двумя образцами. резисторы выборки HVRGXP и HVR-BSP Демпфирующие резисторы поставляются с одной и той же линии для делителя и демпфирующего каскада.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему более высокая частота переключения увеличивает нагрузку на конденсатор?

Потому что потери зависят от частоты. На частоте 20 кГц компонент емкостью 4700 пФ с эквивалентным последовательным сопротивлением 50 мОм рассеивает мало тепла. На частоте 100 кГц тот же компонент рассеивает примерно в пять раз больше тепла. Если компонент находится в герметичном резервуаре с небольшим объемом масла, тепло не имеет выхода, и температура диэлектрика повышается.

В2: Как предотвратить появление импульса напряжения 2 кВ от ESL на шине 140 кВ?

Удерживайте индуктивность петли ниже 30 нГн и держите высоковольтную дорожку короткой. V_spike = ESL · di/dt задает целевое значение: при 100 кА/мкс 30 нГн добавляют 3 кВ, а 20 нГн — 2 кВ. Параллельно соедините два или три низкоиндуктивных элемента для деления индуктивности и используйте корпуса с короткими выводами или микросхемы.

В3: Можно ли использовать воздушную изоляцию вместо масла в мобильном компьютерном томографе?

Не при напряжении 140 кВ постоянного тока. Воздуху требуется зазор в десятки сантиметров при атмосферном давлении, что не поместится в кабине длиной 1.6 м. Масло выдерживает напряжение выше 15 кВ/мм, поэтому зазор уменьшается с сантиметров до миллиметров. Компромисс заключается в более длинном пути передачи тепла и большем напряжении теплового расширения в местах соединений.

Вопрос 4: Какой запас по емкости следует добавить для условий эксплуатации в автомобиле?

Добавьте 1.5–2 раза к рассчитанному значению, затем подтвердите предел просадки напряжения. Для тока лампы 10 мА, импульса 20 мс и предела просадки напряжения 50 В суммарно получается около 4 мкФ. Рассчитывайте это значение, используя параллельно соединенные керамические компоненты, чтобы сохранить низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и небольшой объем резонатора.

В5: Какой скрининговый тест выявляет микротрещины в инкапсуляции?

Испытание на частичный разряд при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Испытания на емкость, сопротивление изоляции и выдерживаемое напряжение могут быть пройдены для детали с микротрещиной, поскольку трещина проявляется только в виде разряда под воздействием электрического поля. Установите предельный уровень частичного разряда ниже 5 пКл и проведите испытание для каждой детали.

В6: Как проверить конденсатор на вибрационную стойкость в автомобиле скорой помощи?

Проведите случайную вибрацию в диапазоне от 5 Гц до 2000 Гц при среднеквадратичном значении 7.7 g, затем полусинусоидальный удар при 50 g в течение 11 мс по каждой оси. После этого проведите 500 циклов в диапазоне температур от −20 °C до +60 °C и в конце выполните тест на частичные разряды (ЧР). Тест на ЧР является наиболее важным, поскольку именно на нем в первую очередь выявляются усталостные повреждения паяного соединения или трещины в уплотнении.

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. Си Джей Хурдакис, Определение практического пикового напряжения (ППВ) диагностической рентгеновской трубки на основе средних значений или средних пиковых значений напряжения.Физика в медицине и биологии, том 56, № 7, стр. 2199-2217, 2011. https://doi.org/10.1088/0031-9155/56/7/019
8. В моём высоковольтном источнике питания происходит искрение: как мне определить причину проблемы?Spellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-25, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-25 .
9. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
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. IEC 61000-4-5:2014+AMD1:2017 CSV, Электромагнитная совместимость (ЭМС) - Часть 4-5: Методы испытаний и измерений - Испытание на устойчивость к скачкам напряжения, Изд. 3.1. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com