МРТ-градиентные мосты на основе SiC: демпфирующая ESL и перерегулирование 215 В.

МРТ-градиентные мосты на основе SiC: демпфирующая ESL и перерегулирование 215 В.

Резюме

SiC MOSFET-транзисторы выключаются при напряжении от 50 кВ/мкс до 100 кВ/мкс, что примерно в десять раз быстрее, чем кремниевые IGBT-транзисторы, и эта скорость превращает эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) демпфирующего конденсатора из незначительной строки в техническом описании в фактор, определяющий перерегулирование фазового узла. В этой статье приводятся соотношения между перерегулированием и импедансом, четыре типа ловушек ESL, встречающихся в градиентных усилителях, шесть этапов проектирования, позволяющих удерживать перерегулирование в пределах 220 В, и данные, лежащие в их основе.

1. Введение

В МРТ-усилителях градиента используется карбид кремния. SiC MOSFET-транзисторы выключаются при напряжении от 50 до 100 кВ/мкс, в отличие от 5–10 кВ/мкс у кремниевых IGBT-транзисторов. Потери при переключении снижаются, и предельным значением становится перерегулирование фазового узла.

Компания HVC провела измерения на платформе с градиентом 3 Тл в различных конфигурациях демпфирующих резисторов. При эквивалентной последовательной индуктивности демпфирующего резистора 15 нГн перерегулирование составило 210 В. При 35 нГн та же схема достигла 485 В, что составляет около 90% от номинального напряжения SiC. Пленочный демпфирующий резистор с эквивалентной последовательной индуктивностью от 30 до 80 нГн практически ничего не делает при такой скорости переключения.

Анализ HVC 88 эталонных образцов плюс данные испытаний OEM-производителей позволил вывести рабочее правило. Каждые дополнительные 10 кВ/мкс dV/dt SiC уменьшают примерно на 5 нГн эквивалентную последовательную индуктивность (ESL), которую может выдержать контур. Один OEM-производитель увеличил скорость переключения с 60 кВ/мкс до 100 кВ/мкс, сохранив демпфирующий контур на 25 нГн, и наблюдал увеличение перерегулирования с 240 В до 410 В. Ежемесячный уровень отказов SiC достиг 1.2%.

В этой статье описаны взаимосвязи, четыре ловушки, наблюдаемые в полевых условиях, и шесть этапов проектирования, которые позволяют снизить годовой процент отказов SiC в модулях 3 Тл и 7 Тл с 1.5% до менее 0.05%.

2. Основной механизм

2.1 Модель перерегулирования фазового узла

Когда SiC MOSFET выключается, ток в основном контуре проходит через индуктивность шины, демпфирующий конденсатор и собственный ESL. Пиковое перерегулирование составляет:

V_overshoot = L_b · di/dt + I_D · √(L_b / C_s) · exp(−π · R_d · √(C_s / L_b) / 2)

где L_b — индуктивность шины, di/dt — крутизна тока, I_D — ток стока, C_s — емкость демпфирующей цепи, а R_d — сопротивление демпфирования. Сама крутизна тока определяется устройством:

di/dt = (dV/dt) · C_oss / C_s

где C_oss — выходная емкость MOSFET. При 100 кВ/мкс и индуктивности шины 30 нГн индуктивный член сам по себе достигает 300 В. Перерегулирование происходит с L_b и против √C_s, поэтому уменьшение индуктивности контура дает больше преимуществ, чем увеличение емкости.

2.2 Импеданс демпфирующей ветви

На наносекундном фронте демпфирующий конденсатор перестаёт вести себя как конденсатор. Его импеданс определяется преимущественно членом ESL:

Z_s = R_ESR + jω · ESL_s + 1/(jω · C_s)

где R_ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, ESL_s — эквивалентная последовательная индуктивность, C_s — емкость, а ω — угловая частота. На частоте 50 МГц эквивалентная последовательная индуктивность 20 нГн дает 6.28 Ом индуктивного реактивного сопротивления против 1.6 Ом емкостного реактивного сопротивления. В этой полосе частот ветвь является индуктивной, поэтому она не гасит колебания. HVC измерил улучшение гашения колебаний на частоте 100 МГц на 45%, когда эквивалентная последовательная индуктивность снизилась с 18 нГн до 12 нГн.

2.3 Диэлектрические потери и самонагрев

Тангенс угла потерь определяет, какая часть энергии демпфирующего элемента преобразуется в тепло. N4700 поддерживает коэффициент потерь ниже 0.3% при наносекундных импульсах. Компонент Y5V может выдерживать 5%. Дополнительные потери повышают температуру сердечника и сокращают срок службы конденсатора примерно на 40%. Компания HVC провела испытания демпфирующих элементов N4700 при температуре 125 °C в течение одного миллиона импульсных циклов. Потери емкости составили 1.8%, а коэффициент потерь оставался в пределах 0.15%.

2.4 Краевое поле и частичный разряд

Разрывы медной фольги на краю платы повышают локальное поле. Поле на краю платы в два-три раза превышает поле в основной части платы. Как только превышение превышает 500 В, на этом краю начинается частичный разряд, и долговременное накопление образует древовидный канал. Компания HVC использовала моделирование поля, чтобы установить радиус угла электрода HVCT9G 2.2 нФ/2 кВ равным 0.8 мм. Поле на краю платы снизилось с 3.5 кВ/мм до 1.9 кВ/мм, а PDIV увеличился примерно на 35%. PD остается ниже 1.5 пКл при 80% от номинального напряжения.

2.5 ESL дрейф в зависимости от температуры

Электропроводность медного электрода (ESL) повышается примерно на 0.4% на °C из-за изменения глубины проникновения и проводимости. Внутри камеры с градиентом температуры 70 °C ESL изменяется от 18 нГн до 21 нГн, а перерегулирование увеличивается примерно на 35 В. В конструкции HVC N4700 с низким ESL используются посеребренные медные электроды и низкотемпературное спекание серебряной пасты, что позволяет удерживать изменение ESL ниже 3% в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C. Перерегулирование остается в пределах 220 В даже в нагруженной исследовательской камере с нагрузкой 7 Тл.

Рис. 1 — Демпфирующая ESL 18 нГн, удерживаемая на уровне 215 В, где пленочный участок 45 нГн достиг 480 В, а дополнительные dV/dt 10 кВ/мкс уменьшают запас по напряжению примерно на 5 нГн.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Уровень звукового давления в блоке подавления сигнала слишком высок.

В платформе 3 Тл использовался металлизированный резистор 1 нФ/2 кВ. пленочный конденсатор Демпфирующий резистор с индуктивностью 45 нГн. Перенапряжение при выключении колебалось от 180 В до 480 В, и модуль неоднократно выходил из строя. Замена микросхемы HVCT9G 2.2 нФ/2 кВ с индуктивностью 18 нГн снизила перенапряжение до 215 В. Ежемесячная частота отказов SiC снизилась с 1.2% до 0.05%, что позволило сэкономить около 680 000 юаней в год.

Проблема 2: Индуктивность дорожек печатной платы увеличивает нагрузку на компонент.

Конденсатор с низкой эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) не решает проблему длинного контура. При последовательном включении индуктивности дорожки в 30 нГн эффективная ESL достигла 48 нГн. Технология HVC переместила конденсатор на медную фольгу с нулевой площадью контура. Индуктивность дорожки снизилась с 30 нГн до 5 нГн, а общее перерегулирование уменьшилось с 360 В до 195 В.

Проблемный момент 3: Высокочастотный звон и электромагнитные помехи.

Избыточное напряжение ESL вызывает устойчивые колебания в диапазоне от 100 до 200 МГц. Эти колебания излучают широкополосные электромагнитные помехи. На одной из 7-тактных платформ напряжение достигало 350 В и снижало отношение сигнал/шум в приемном тракте на 2.8 дБ. После установки демпфирующего элемента и корректировки компоновки напряжение колебаний снизилось до 110 В, а отношение сигнал/шум восстановилось. Соответствие требованиям ЭМС с первого раза увеличилось с 68% до 98%.

Проблема 4: Отскок при перерегулировании по мере нагревания корпуса.

Градиентные шкафы работают при температуре 70 °C. Электростатическая индуктивность (ESL) медного электрода увеличивается примерно на 0.4% на каждый °C, поэтому ESL возрастает с 18 нГн до 21 нГн и происходит перерегулирование примерно на 35 В. Детали, прошедшие проверку на холодном стенде, могут выйти из строя в процессе эксплуатации. Конструкция N4700 с низким ESL обеспечивает дрейф ESL ниже 3% во всем диапазоне температур от −55 °C до +125 °C.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите конденсатор с осевыми выводами и низким эквивалентным уровнем звукового давления (ESL).

HVCT9G В микросхеме 2.2 нФ/2 кВ используется осевой вывод с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) 18 нГн, что на 60% ниже, чем у пленочных микросхем, которые она заменяет. При 100 кВ/мкс перерегулирование снижается с 480 В до 215 В. Отгружено более 80 000 микросхем для платформ 3 Тл и 7 Тл, при этом процент прохождения испытаний на частичные дефекты составляет 99.6% при 2 пКл.

Стратегия 2: Проложить демпфирующий контур с нулевой площадью.

Подключите демпфирующий конденсатор напрямую к фазному узлу SiC и отрицательной шине DC-Link с помощью вертикальной медной фольги. Транзисторная разводка с нулевой площадью контура позволяет поддерживать индуктивность трассы ниже 5 нГн. Измеренная индуктивность контура снизилась с 48 нГн до 23 нГн, а перерегулирование — с 360 В до 195 В. Компания HVC предоставляет эталонную библиотеку разводки для данной схемы.

Стратегия 3: Ограничение обратного напряжения с помощью сверхбыстрого диода.

Поместите быстровосстанавливающийся диод параллельно демпфирующему конденсатору для ограничения обратного напряжения. HVD-UF При напряжении 15 кВ/10 А частичный разряд восстанавливается менее чем за 35 нс и снижает воздействие повторяющегося напряжения на 40%. Измеренное краевое поле снизилось с 3.2 кВ/мм до 1.9 кВ/мм, а частичный разряд стабилизировался с 3.5 пКл до 1.8 пКл. Энергия лавинного пробоя EAS превышает 200 мДж.

Стратегия 4: Проверять каждую партию демпферов на наличие частичного разряда.

HVC проводит 100% проверку партий демпфирующих резисторов при токе 2 пКл и напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, и поставляет данные о ресурсе в один миллион импульсов вместе с партией. Отказы при наносекундном переключении происходят из-за роста микротрещин в диэлектрике, и проверка на частичные разряды позволяет обнаружить их на ранней стадии. Премиальные партии покидают завод с током менее 1.5 пКл, с менее чем тремя отказами на миллион импульсов по сравнению со средним показателем по отрасли в пятьдесят.

Стратегия 5: Компенсация перерегулирования с помощью мониторинга делителя.

Делительные резисторы считывают напряжение демпфирующей цепи в реальном времени, а контроллер подстраивает сопротивление затвора из SiC, чтобы удерживать перерегулирование в пределах ±5%. Схема была отгружена на 50 000 комплектов для платформы 3 Тл без единого сбоя. Используйте резистор выборки HVRGHP для чувственного пути; HVR-BSP Дрейф остается ниже 0.1% при напряжении смещения 1000 В.

Стратегия 6: Последовательное подключение второго каскада демпфирования при напряжении выше 150 кВ/мкс.

При напряжении выше 150 кВ/мкс используйте два каскада. Конденсатор SMD 0.47 нФ/1 кВ с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 5 нГн поглощает наносекундный импульс, а компонент HVCT9G 2.2 нФ/2 кВ поглощает энергию средней частоты. При 200 кВ/мкс каскад удерживал перерегулирование на уровне 165 В по сравнению с 350 В для однокаскадного каскада. Более 30 000 комплектов работают на платформах 7 Т с годовой частотой отказов из-за перенапряжения ниже 0.02%.

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. Низкоэмиссионные демпфирующие конденсаторы HVC для градиентных мостов на основе SiC.

Перерегулирование возникает из-за индуктивности контура и характеристик самого компонента. Компания HVC второй сезон подряд производит низкоэмиссионные конденсаторы N4700 на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, рассчитанные на напряжение от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESL составляет 18 нГн. Компонент HVCT9G 2.2 нФ/2 кВ на 60% ниже, чем пленочные демпфирующие элементы, которые он заменяет, и обеспечивает перерегулирование на уровне 215 В при 100 кВ/мкс.
• Частицы разряда ниже 2 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. В партиях демпфирующих резисторов премиум-класса экранирование ниже 1.5 пКл позволяет удерживать количество отказов ниже трех на миллион импульсов.
• Коэффициент демпфирования ниже 0.1% на высоких частотах. Нагрев во время многократного действия демпфирующего контура остается низким, поэтому потери емкости после миллиона импульсов составляют 1.8%.
• Дрейф ESL ниже 3% в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C. Медные электроды с серебряным покрытием и низкотемпературное спекание позволяют удерживать перерегулирование в пределах 220 В в камере с температурой 70 °C.
• Диапазон последовательного соединения от 470 пФ до 10 мкФ при напряжении от 1 кВ до 50 кВ. Передний и задний демпфирующие каскады относятся к одному семейству, поэтому оба каскада совместимы без дополнительных уточнений.
• 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

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4-8 недель, а подобранные комплекты демпфирующих элементов — 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 ESL, анализе данных испытаний частичных разрядов и проведении работ по предварительной проверке на соответствие требованиям ЭМС.

Отправьте номер детали SiC, значение dV/dt для переключения, напряжение шины и схему компоновки. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит оценку ESL и перерегулирования с указанием номеров деталей-кандидатов и комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему уровень ESL демпфирующей цепи имеет большее значение для SiC, чем для IGBT?

Потому что текущий наклон выше. SiC MOSFET выключается при напряжении от 50 кВ/мкс до 100 кВ/мкс, а IGBT — от 5 кВ/мкс до 10 кВ/мкс. Индуктивный выброс изменяется пропорционально di/dt, поэтому один и тот же демпфирующий элемент создает примерно в десять раз больший пик. Пленочный демпфирующий элемент с индуктивностью 45 нГн выдавал 480 В на платформе с напряженностью поля 3 Тл, где конструкция на IGBT работала.

В2: Насколько низким должен быть уровень шума ESL-фильтра?

Значение ниже 20 нГн для градиентных мостов на основе SiC и ниже 18 нГн там, где dV/dt превышает 100 кВ/мкс. Каждые дополнительные 10 кВ/мкс скорости переключения уменьшают запас по напряжению примерно на 5 нГн. На измеренной платформе 3 Тл значение ESL 15 нГн дало перерегулирование 210 В, а 35 нГн — 485 В. Значение ESL микросхемы HVC HVCT9G 2.2 нФ/2 кВ составляет 18 нГн.

В3: Можно ли исправить компоновку конденсатора с высоким ESL?

Только до определённого предела. Плотный контур устраняет индуктивность дорожки, но оставляет индуктивность компонента на месте. При использовании хорошего конденсатора и дорожки длиной 30 нГн эффективная эквивалентная индуктивность составила 48 нГн. Трассировка с нулевой площадью контура уменьшила индуктивность дорожки до 5 нГн и снизила перерегулирование с 360 В до 195 В. Сочетание обоих факторов: компонент с низкой эквивалентной индуктивностью на контуре нулевой площади.

Вопрос 4: Что дает скрининг при частичной выписке?

Он улавливает микротрещины, которые образуются под воздействием наносекундных импульсов. HVC проверяет 100% партий демпфирующих элементов на содержание тока в 2 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. У партий премиум-класса содержание тока в отходах после выпуска с завода составляет менее 1.5 пКл. Измеренное количество отказов на миллион импульсов составляет менее трех, по сравнению со средним показателем по отрасли в пятьдесят. Проверка также предотвращает потери емкости, вызванные частичным разрядом, на уровне 1.8% после миллиона импульсов.

В5: Когда мне нужен двухступенчатый демпфер?

При напряжении выше 150 кВ/мкс. Однокаскадный преобразователь справляется как с наносекундным импульсом, так и со среднечастотной энергией, но не может эффективно обрабатывать оба сигнала одновременно. SMD-компонент 0.47 нФ/1 кВ с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 5 нГн обрабатывает быстрый фронт, а компонент 2.2 нФ/2 кВ HVCT9G поглощает более медленную энергию. При 200 кВ/мкс каскад поддерживал напряжение 165 В против 350 В для одного каскада.

В6: Как обеспечить стабильность перерегулирования при изменении температуры?

Контролируйте два дрейфа. Электростатическая индуктивность медного электрода повышается примерно на 0.4% на °C, поэтому в камере с температурой 70 °C она изменяется с 18 нГн до 21 нГн, а перерегулирование увеличивается примерно на 35 В. Выберите компонент с дрейфом электростатической индуктивности ниже 3% в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C и добавьте контроль делителя напряжения с подстройкой сопротивления затвора, чтобы удерживать перерегулирование в пределах ±5%.

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. Д. Ли, Ю. Чжун, С. Чжоу и Г. Чжай, Метод анализа разрушения многослойного керамического конденсатора с помощью фазового поля.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 14, no. 2, pp. 211-220, 2024. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2024.3359598
8. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
9. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
10. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общие технические характеристики, Изд. 6.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2021.
11. 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 .
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com