Градиентный демпфер МРТ: керамические конденсаторы для кольца 80 нГн

Градиентный демпфер МРТ: керамические конденсаторы для кольца 80 нГн

Резюме

Быстрое переключение в градиентных усилителях МРТ приводит к образованию резонансных колебаний в цепи постоянного тока и выходной емкости устройства, и один RC-демпфер редко гасит эти колебания во всем диапазоне частот. Многоступенчатые схемы разделяют работу по частотам. В данной статье приводятся частота колебаний, условия затухания, соотношение потерь и этапы выбора высоковольтных керамических конденсаторов на каждом этапе, с примерами измерений на градиентных шинах 3 Тл и 7 Тл.

1. Введение

Градиентные усилители МРТ переключают SiC MOSFET и IGBT на высокой скорости. Паразитная индуктивность звена постоянного тока и выходная емкость устройства образуют LC-петлю, которая замыкается после каждого перехода. При градиентных токах с крутизной в десятки кА/мкс и импульсных скачках тока в десятки ампер, один RC-демпфер часто оставляет петлю активной.

Многоступенчатые демпфирующие цепи разделяют поглощение по частотным диапазонам. Небольшой конденсатор поглощает быстрый фронт сигнала, а RC- или RCD-каскад поглощает энергию, находящуюся за ним. Такая схема в настоящее время является стандартной в градиентных системах мощностью более 1 МВт.

Полевые данные HVC показывают, что около 30% превышений допустимых электромагнитных помех связаны с неправильным выбором демпфирующего конденсатора. Выбор конденсатора, соответствующего измеренной петле, снижает энергию колебаний на порядок.

В данной статье определены границы выбора высоковольтных керамических конденсаторов в многоступенчатых демпфирующих схемах. Рассматриваются вопросы отвода паразитных ресурсов, распределения энергии и выбора компонентов.

2. Основной механизм

2.1 Частота колебаний шинной петли

Индуктивность силовой петли и выходная емкость устройства образуют последовательный резонансный контур. Его собственная частота равна:

f_r = 1 / (2π · √(L_loop · C_oss))

где L_loop — индуктивность силовой петли, C_oss — выходная емкость устройства, а f_r — частота колебаний. Градиентная шина с индуктивностью 80 нГн и емкостью 1 нФ достигает частоты около 17 МГц.

Амплитуда всплеска следует за наклоном текущего графика:

ΔV = L_loop · di/dt

где di/dt — наклон кривой тока выключения, а ΔV — индуцированный пик. При 5 кА/мкс петля 80 нГн создает напряжение более 400 В, что значительно превышает номинальное напряжение устройства.

2.2 Энергия и потери в одноступенчатой ​​системе

Демпфирующий конденсатор поглощает энергию утечки в контуре. Накопленный заряд следует за напряжением ограничения:

E_C = 0.5 · C_s · V_clamp²

где C_s — емкость демпфирующей цепи, а V_clamp — напряжение ограничения. Если контур передает эту энергию при каждом цикле переключения, то потери мощности становятся следующими:

P_loss = 0.5 · C_s · V_clamp² · f_sw

где f_sw — частота переключения. При 50 кГц, 2.2 нФ и 800 В потери стабилизируются на уровне около 0.35 Вт. Компонент с высоким ESR добавляет к этому значению тепловыделение I²R и повышает температуру ядра. Выше 100 кГц этот член становится определяющим фактором в расчете тепловых характеристик.

2.3 Распределение частот в многоступенчатой ​​сети

Многоступенчатый демпфирующий контур обеспечивает раздельные пути для быстрого фронта и медленной энергии. Передний С-образный демпфирующий контур располагается параллельно коммутирующему устройству и гасит высокочастотный резонанс. Задний RC- или RCD-каскад поглощает основную энергию.

Демпфирующий резистор формируется за счет импеданса контура:

R_s = √(L_loop / C_s)

где R_s — последовательное демпфирующее сопротивление. Это значение приближает контур к критическому демпфированию и удерживает перерегулирование в пределах 10%. Конденсатор также должен выдерживать скачок тока, поэтому dV/dt = I_peak / C_s должно оставаться ниже номинального значения dV/dt для конденсатора. При 2.2 нФ и 50 А наклон достигает 22.7 кВ/мкс, чего обычный керамический элемент не выдерживает.

2.4 Частичная разрядка и длительный срок службы

Демпфирующие конденсаторы подвергаются повторяющимся несинусоидальным высоковольтным импульсам, поэтому значение PDIV определяет срок службы. Диэлектрик N4700 обеспечивает значение PDIV более чем на 30% выше, чем у X7R. HVC обеспечивает экранирование 100% компонентов медицинского класса при PD ≤ 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Значение PDIV уменьшается с повышением температуры, поэтому необходимо поддерживать 10% запас прочности при высоких температурах.

Рис. 1 — Один каскад на 1 нФ оставлял скачки напряжения 680 В на петле 80 нГн; каскад из 2.2 нФ и 4.7 нФ снижал их до 290 В и уменьшал потери на 12%.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Конденсатор ESL усиливает резонанс.

На платформе 3 Тл использовался радиально-выводной демпфирующий контур с эквивалентной последовательностью проводников 60 нГн. Резонанс петли наблюдался вблизи 30 МГц, что привело к увеличению перерегулирования с 320 В до 510 В. N4700 Аксиально-выводная часть с индуктивностью 18 нГн уменьшила колебания на 58%.

Проблема 2: Одна величина емкости не может выполнять обе функции.

Увеличение емкости C_s приводит к прямолинейному увеличению потерь напряжения и нагреву резистора. Меньшее значение оставляет пиковое напряжение неконтролируемым. В одной из схем с емкостью 1 нФ были измерены пиковые значения напряжения 680 В. Двухступенчатая схема с емкостью 2.2 нФ плюс 4.7 нФ позволила снизить пиковое напряжение до 290 В и уменьшить общие потери на 12%.

Проблемный момент 3: Восстановление диода УЗО запускает второй цикл.

В цепи УЗО диод с длительным обратным восстановлением генерирует добротность Q_rr и возбуждает вторичное кольцо на более низкой частоте. HVD-UF Диоды с обратным восстановлением менее 35 нс удерживают вторичные колебания в пределах 5% от основного пика.

Болевой пункт 4: Параллельные лучи издают звон на разных частотах.

Трехосевые градиентные системы используют общую шину, и каждый рычаг работает на своей частоте. Одно значение емкости приводит к чрезмерному демпфированию одной оси и недостаточному демпфированию другой. Согласуйте каждый рычаг с измеренной индуктивностью контура, затем настройте задний каскад для общей шины.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Измерьте паразитную индуктивность, прежде чем выбирать значение.

Измерьте значения L_loop и C_oss для каждого плеча моста с помощью сетевого анализатора или двухимпульсного теста. Найдите f_r, затем предварительно выберите C_s из R_s = √(L_loop / C_s). HVC предоставляет модели паразитных параметров и Spice, чтобы параметры сошлись до выпуска платы.

Стратегия 2: Используйте на начальном этапе небольшое, но ценное задание, не требующее знания английского как второго языка.

Для переднего С-образного демпфера используйте HVCT9G Характеристики элементов с емкостью 470 пФ/3 кВ или 1 нФ/3 кВ: эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) 20 нГн или ниже, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) 5 мОм или ниже и dV/dt выше 30 кВ/мкс. Медная конструкция электродов обеспечивает ресурс импульсных циклов более миллиарда циклов.

Стратегия 3: Использовать высокопрочный импульсный элемент в задней ступени.

Для энергетического каскада выбирайте компоненты HVCT8G 2.2 нФ/2 кВ или 4.7 нФ/2 кВ. При использовании диэлектрика N4700 коэффициент диэлектрической проницаемости остается ниже 0.1%, а частичный разряд — на уровне 5 пКл или ниже, что сохраняется при частоте импульсов в миллионы микроджоулей в секунду. Необходимо обеспечить запас по напряжению не менее 30% от рабочего напряжения.

Стратегия 4: Подберите размер демпфирующего резистора для импульсной мощности.

Выбрать резисторы выборки и демпфирования HVRGHP при мощности импульса в десять раз превышающей номинальную и рассеиваемой мощности в три раза большей, чем в непрерывном режиме. Для потерь 0.35 Вт выбирайте номинальную мощность не менее 1 Вт в непрерывном режиме и 5 Вт в импульсном режиме. Корпус из стекла и глазури работает до 175 °C.

Стратегия 5: Одновременное ограничение времени восстановления диода и заряда.

Используйте быстровосстанавливающиеся диоды Номинальное напряжение 30 кВ/20 А, время обратного восстановления менее 35 нс, добротность Q_rr менее 25 нКл и коэффициент мягкости более 0.7. Проверьте VRRM с запасом не менее 20%, чтобы предотвратить накопление лавинных событий.

Стратегия 6: Сделайте многоэтапную компоновку короткой.

Площадь контура определяет эффективную паразитную индуктивность. Разместите выводы конденсатора на расстоянии не более 15 мм от выводов устройства, верните заземление через широкую медную шину и добавьте матрицы переходных отверстий с обеих сторон платы. Экранирующий слой из медной фольги дополнительно уменьшает связь в ближнем поле. Измеренная индуктивность контура снизилась с 48 нГн до 23 нГн при такой трассировке.

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 многоступенчатых градиентных демпфирующих резисторов.

Для двух каскадов требуются две разные детали, и обе относятся к одному семейству. Компания HVC производит конденсаторы N4700 для передних и задних демпфирующих линий на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 50 кВ и с емкостью от 470 пФ до 10 мкФ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESL составляет 18 нГн в осевом исполнении. Фронтальный каскад гасит колебания на частоте 30 МГц вместо их усиления, что позволило снизить измеренные колебания на 58% на платформе с напряженностью магнитного поля 3 Тл.
• Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) составляет 5 мОм или меньше на частоте 1 МГц. Потери остаются в резисторе, а не в диэлектрике, поэтому сердечник конденсатора работает с низким нагревом при частоте переключения 50 кГц.
• PD не выше 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, проверено на 100% партий медицинского назначения, данные о разности потенциалов при высоких температурах включены в отчет.
• Коэффициент DF составлял менее 0.1% при повторяющихся импульсах, и оставался на уровне 0.06% после 5,000 часов работы в градиентном усилителе с напряженностью поля 3 Тл.
• Механическая прочность задней ступени. Корпус с винтовыми клеммами выдерживает более высокую энергию импульса, а медные электроды обеспечивают ресурс импульса более миллиарда циклов.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Vishay 715C/660R, AVX HP/HW/HK, Murata DHR/DHS и TDK серии D.

Доставка и поддержка

Полный перечень материалов, включая конденсаторы, диоды и резисторы, поставляется за шесть недель, тогда как у четырех поставщиков — за двадцать недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в определении паразитных параметров, оптимизации параметров демпфирующих резисторов и проведении работ по обеспечению соответствия требованиям ЭМС. HVR-BSP Обратная связь по разделителю.

Отправьте схему, измеренную индуктивность контура, частоту переключения и пиковый ток. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит пошаговое предложение по демпфирующей схеме с указанием емкости, эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) и сопротивления, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Сколько каскадов демпфирования требуется для градиентной шины?

Большинство градиентных мостов на 3 Тл имеют две ступени: одна для быстрого фронта, а другая для энергии за ним. При напряженности поля выше 150 кВ/мкс или на исследовательской платформе 7 Тл добавляется третья ступень. Одна ступень с конденсатором 1 нФ оставляла пики напряжения 680 В на одной из конструкций 3 Тл; каскад из конденсаторов 2.2 нФ и 4.7 нФ снизил это значение до 290 В и уменьшил общие потери на 12%.

В2: Как выбрать емкость входного каскада?

Начните с измеренной петли. Извлеките L_loop и C_oss, найдите f_r, затем установите R_s = √(L_loop / C_s) для критического демпфирования и выберите C_s, чтобы установить демпфирующий резистор на практичное значение. В типичных условиях работы с градиентом передние каскады имеют емкость от 390 пФ до 1 нФ при напряжении 3 кВ. Поддерживайте ESL на уровне 20 нГн или ниже.

В3: Почему демпфирующий элемент на 60 нГн хуже, чем его отсутствие?

Поскольку выше своей резонансной частоты ветвь становится индуктивной. На частоте 30 МГц компонент с индуктивностью 60 нГн создает реактивное сопротивление, которое добавляется к контуру, а не подавляет его. Измеренное перерегулирование на одной платформе с напряженностью магнитного поля 3 Тл увеличилось с 320 В до 510 В. Компонент с индуктивностью 18 нГн при той же емкости уменьшил колебания на 58%.

Вопрос 4: Какой запас по напряжению должен быть у тылового каскада?

Не менее 30% для компонента 2.2 нФ/2 кВ или 4.7 нФ/2 кВ и 20% для ограничительного диода VRRM. При превышении 80% от номинального значения компонента коэффициент напряжения начинает изменять значение емкости, и демпфирующий резистор перестает соответствовать контуру, для которого он был рассчитан. Проверьте запас по сравнению с измеренным пиковым значением, а не с номинальной шиной.

В5: Действительно ли диод RCD так важен?

Это происходит, когда восстановление происходит медленно. Диод с длительным обратным восстановлением генерирует Q_rr и возбуждает вторичное кольцо после основного импульса. Детали с временем восстановления менее 35 нс, Q_rr ниже 25 нКл и коэффициентом мягкости выше 0.7 удерживают эти вторичные колебания в пределах 5% от основного импульса.

В6: Как обрабатывать три оси градиента на одной шине?

Согласуйте индуктивность каждой оси с измеренной индуктивностью контура, а затем используйте один общий каскад на задней шине. Исследовательская платформа 7T работала на частотах 18 МГц, 22 МГц и 26 МГц по трем осям. Конденсаторы на передней панели каждой оси емкостью 560 пФ, 470 пФ и 390 пФ с общим каскадом на задней панели емкостью 4.7 нФ позволили снизить напряжение на каждой оси ниже 300 В и уменьшить разброс температур с 31 °C до 9 °C.

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. 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 .
9. 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.
10. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
11. США 10,529,487, Многослойный керамический конденсатор с внутренними электродами, имеющими различное расположение краев., Taiyo Yuden Co., Ltd., выдано в 2020 г., https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com