Распределение тока в многоканальных градиентных конденсаторах постоянного тока МРТ-системы

Распределение тока в многоканальных градиентных конденсаторах постоянного тока МРТ-системы

Резюме

Три оси градиента используют одну шину постоянного тока 800 В, а матрица конденсаторов распределяет между ними импульс килоамперной мощности. Идентичные номера компонентов не дают одинаковых токов в ветвях: измеренный дисбаланс достигает 41% в 12-канальной параллельной матрице. Причинами являются индуктивность выводов, разброс ESL, выбор резисторов для совместного использования и тепловая связь. В этой статье приводятся уравнения для ветвей, дисбаланса и потерь, четыре ловушки несоответствия, а также правила компоновки и сортировки, которые удерживают σ_i ниже 8%.

1. Введение

В системе МРТ 3Т или 7Т три оси градиента, X, Y и Z, работают в параллельной архитектуре. Три канала используют одну шину постоянного тока 800 В. При использовании последовательностей EPI и DWI оси срабатывают одновременно, и матрица конденсаторов генерирует импульс в килоамперах в течение миллисекунд.

Одинаковое количество компонентов не означает одинаковый ток. На одной из 7T-платформ конденсатор HVCT8G, расположенный рядом с плечом моста оси X, пропускал 68 А среднеквадратичного значения пульсаций, в то время как конденсатор на дальнем конце оси Y пропускал 42 А среднеквадратичного значения. Разница составляет 62%.

Дисбаланс имеет свою цену. В стандартных 12-параллельных схемах примерно в 73% случаев дисбаланс σ_i превышает 15%, а в 26% — 30%. Каждое увеличение дисбаланса на 10% приводит к повышению температуры самого горячего конденсатора на 5–8 °C и снижает среднее время безотказной работы модуля примерно на 18%.

В этой статье представлены уравнения для тока в ветвях, дисбаланса и потерь при распределении, четыре ловушки несоответствия, измеренные в системах 3Т и 7Т, а также правила компоновки, сортировки и резисторов, которые позволяют удерживать σ_i ниже 8%.

2. Основной механизм

2.1 Сопротивление шин и распределение тока

Многоканальная DC-линка имеет N ответвлений на общей индуктивности шины. Каждое ответвление содержит C_i, ESR_i, ESL_i и индуктивность вывода L_lead. Ток в ответвлении следует за импедансом ответвления:

I_i = V_ripple / |Z_i|, where Z_i = ESR_i + jω · (ESL_i + L_lead) + 1/(jω · C_i)

где I_i — ток в ветви i, V_ripple — пульсация напряжения на шине, Z_i — импеданс ветви, ω — угловая частота, а L_lead — индуктивность вывода внутри этой ветви.

Небольшие различия в ESL и L_lead определяют разделение частот выше 10 кГц. В одном проекте наибольший ток в 12-канальной параллельной матрице был в 2.3 раза больше наименьшего, при этом все компоненты были приобретены из одного заказа.

2.2 Индуктивность проводников между ветвями

Шина имеет индуктивность примерно 1 нГн на миллиметр длины. Когда расстояние между двумя конденсаторами различается на 50 мм, разница индуктивностей составляет около 50 нГн. Реактивное сопротивление на частоте переключения равно:

ωL = 2π · f · L

где f — частота, а L — индуктивность. При 50 кГц и 50 нГн ωL ≈ 15.7 мОм. Это реактивное сопротивление больше, чем эквивалентное последовательное сопротивление компонента, поэтому оно контролирует распределение тока, и сопротивление, указанное в спецификации, становится второстепенным.

2.3 Компромисс между индуктивностью и сопротивлением при совместном использовании

В каждой ветви используется индуктор с общим сопротивлением, который компенсирует дисбаланс, но при выключении градиента индуктор накапливает энергию и образует LC-резонанс с паразитной емкостью. Резистор с общим сопротивлением проще, и его потери составляют:

P_share = I_ripple² · R_share / N

где I_ripple — суммарный среднеквадратичный пульсирующий ток, R_share — сопротивление, распределяемое по каждой ветви, N — количество ветвей, а P_share — потери в каждой ветви. Если потери на резисторах не превышают 5% от общей мощности пульсаций, эффект распределения остается оправданным.

Сам показатель дисбаланса обусловлен токами в ветвях:

σ_i = sqrt(Σ(I_i − I_avg)² / N) / I_avg

где I_i — ток в ветви i, I_avg — средний ток в ветви, N — количество ветвей, а σ_i — относительный дисбаланс. Необходимо поддерживать σ_i в пределах 8%, ​​иначе потребуется перепроектирование схемы. По данным полевых испытаний, оптимальная индуктивность распределения составляет 3–5 раз больше эквивалентной последовательной индуктивности компонента, что позволяет снизить σ_i ниже 5% без значительного увеличения импеданса контура.

2.4 Обратная связь по тепловому взаимодействию

Три конденсатора на одной холодной пластине обмениваются теплом в боковом направлении. Центральный конденсатор нагревается примерно на 15 °C сильнее, чем краевые. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) компонента класса II снижается примерно на 5% на каждые 10 °C, поэтому горячая ветвь потребляет больший ток, что снова повышает ее температуру. На платформе 3T эта петля сократила срок службы центрального конденсатора до 62% от срока службы краевых элементов и снизила срок службы всей цепи B10 со 120 000 ч до 75 000 ч.

Рис. 1 — Двенадцать параллельно соединенных конденсаторов одного порядка разделяют 68 А среднеквадратичного значения и 42 А среднеквадратичного значения, а симметричная шина с отсортированными ESL и резисторами с сопротивлением 0.1 Ом уменьшает дисбаланс до 6.8%.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Асимметричное расположение шин

На одной из 7T-платформ разница между положительными и отрицательными осями шины составляла 18 мм, что соответствует индуктивности около 18 нГн. Конденсатор моста по оси X пропускал 65 А среднеквадратичного значения, а ветвь по оси Z — 38 А среднеквадратичного значения. После того, как погрешность осей снизилась до менее 2 мм, дисбаланс уменьшился с 41% до 11%. Затем HVC включила погрешность положительной и отрицательной шин в контрольный параметр DFM с допуском 3 мм, что повысило выход годной продукции на заводе на 6%.

Проблема 2: Неправильно подобранный резистор для распределения нагрузки.

В одной из конструкций использовался проволочный резистор 1 Ом/5 Вт. При среднеквадратичном токе пульсаций 60 А сам резистор рассеивал 360 Вт и повышал температуру корпуса на 8 °C. Использование неиндуктивного резистора HVRGXP 0.1 Ом/50 Вт с покрытием из стекла позволило снизить эти потери до 36 Вт. Покрытие из стекла обеспечивает дополнительное индуктивное сопротивление ниже 5 нГн на частоте 100 кГц, поэтому оно не создает собственного дисбаланса.

Проблема 3: Распространение ESL внутри одной партии

В одной партии компонентов HVCT8G 33 нФ/15 кВ было измерено значение ESL 18–28 нГн, разброс составил ±20%. Прямое параллельное соединение показало отклонение тока более 15%. Лазерная сортировка ESL обеспечивает соответствие в пределах ±5%, а для платформ 7T доступен премиальный класс с ΔESL ниже 3 нГн.

Проблемный момент 4: Тепловая связь усугубляет дисбаланс.

Когда три канала расположены близко друг к другу, тепло распространяется в стороны, и центральный конденсатор нагревается на 15 °C сильнее. Его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) падает примерно на 5%, поэтому он потребляет больше тока, и контур усиливается. Измерения с помощью 3T показали, что срок службы центрального конденсатора составляет 62% от срока службы краевых элементов, а срок службы цепи B10 — 75 000 часов против 120 000 часов.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Сочетание матрицы с низким уровнем ESL и симметричной схемы расположения шин.

HVCT9G В микросхеме 22 нФ/20 кВ используется осевая структура выводов с эквивалентной индуктивностью 18 нГн. Симметричная компоновка печатной платы плюс эта деталь позволяют удержать индуктивность ответвлений 12-канальной параллельной матрицы в пределах 5 нГн. Измеренный дисбаланс на частоте 100 кГц снизился с 41% до 9%, а данная компоновка была протестирована в 26 000 единицах на платформе 3T без сбоев, связанных с распределением тока.

Стратегия 2: Выберите резистор, предназначенный для совместного использования со стеклом.

Используйте HVRGXP В качестве элемента распределения используется неиндуктивный резистор 0.05–0.2 Ом/50 Вт. Выберите значение таким образом, чтобы P_share оставалось в пределах 5% от общей мощности пульсаций. Температурный коэффициент сопротивления ниже 50 ppm/°C обеспечивает стабильное распределение по мере нагревания корпуса. На одной из 7T-платформ замена проволочного резистора с сопротивлением 1 Ом на резистор HVRGXP 0.1 Ом снизила потери на 90% и уменьшила σ_i с 32% до 8%.

Стратегия 3: Распределите конденсаторы на ESL.

HVC предлагает лазерную сортировку ESL для серий HVCT8G и HVCT9G, что снижает внутрипартийное соответствие с ±20% до ±5%. Для требовательных шин рекомендуется выбрать класс Premium при ΔESL ниже 3 нГн, что снижает дисбаланс высокочастотных составляющих до уровня ниже 5%. Эта услуга также исключает необходимость повторного контроля на входе у производителя и сокращает цикл выпуска спецификации материалов на две-три недели.

Стратегия 4: Оптимизация структуры печатной платы и толщины медного слоя.

Используйте 2 унции меди в 4-слойной структуре, расположив положительные и отрицательные шины на смежных слоях для образования петли с низкой индуктивностью. Моделирование показывает, что индуктивность шины составляет 35 нГн против 120 нГн для исходной схемы, что улучшает равномерность распределения тока в 2.8 раза. HVC также предоставляет эталонные библиотеки схем для Cadence и Altium Designer.

Стратегия 5: Сбалансировать тепловую схему.

Установите конденсаторный блок на охлаждаемую водой пластину с зазором не менее 3 мм между соседними блоками и оснастите каждый конденсатор собственной теплоотводящей прокладкой для предотвращения бокового теплопереноса. HVR-BSP толстопленочный резистор Передает данные о температуре в самой горячей точке обратно в контроллер охлаждения. При использовании независимых нагревательных элементов разброс температур по трем каналам снизился с 26 °C до 6 °C.

Стратегия 6: Добавить диод свободного хода к плечу моста.

Подключите HVD-UF быстровосстанавливающийся диод Между серединой плеча моста по каждой оси и DC-линией. Время обратного восстановления в 35 нс уменьшает амплитуду колебаний шины на 50%, что снижает высокочастотный ток, который приходится распределять между конденсаторами. Его энергия лавинного пробоя, превышающая 200 мДж, поглощает переходную энергию, которую индуктивность шины высвобождает при выключении градиента.

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 многоканальных градиентных DC-линков

Распределение тока зависит от трех факторов: индуктивности в каждой ветви, соответствия компонентов и тепловой схемы. Компания HVC учитывает все три фактора, используя отсортированные компоненты, подобранные резисторы и анализ компоновки на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESL составляет 18 нГн или ниже. Низкоэмиссионная осевая версия серии HVCT9G подходит для шин с частотой выше 100 кГц, где в противном случае разделение частот определялось бы реактивным сопротивлением выводов.
• Лазерная сортировка ESL с точностью до ±5%, с оценкой Premium при ΔESL ниже 3 нГн. Отсортированное соответствие обеспечивает отклонение тока параллельной ветви ниже 5% на частоте переключения.
• Эффективная плотность тока (DF_eff) ниже 0.1%, а разрядность (PD) составляет 5 пКл или меньше при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Низкие потери позволяют снизить зону перегрева, поэтому контур тепловой обратной связи не усиливает небольшой электрический дисбаланс.
• Взрывозащищенный корпус, выдерживающий короткое замыкание до 50 кА. Керамический дисковый конденсатор N4700 На этом уровне блок передает импульс тока в килоампере на плечо моста без отказа корпуса.
• Подобраны компоненты. HVR-BSP Толстопленочные резисторы для измерения температуры и напряжения, неиндуктивные резисторы HVRGXP/HVRGFP с сопротивлением от 0.05 Ом до 10 МОм и быстровосстанавливающиеся диоды для цепи свободного хода — все это в одном комплекте.
• Поддержка перекрестных ссылок. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Vishay Модели 715C/660R, Murata DHR/DHS и TDK серии D находятся в одном и том же монтажном пространстве, с пленочный конденсатор класс для высокочастотной развязывающей ветви.

Измеренные результаты

Модернизация матрицы HVCT8G 33 нФ/15 кВ с разделением тока началась при σ_i = 41% с максимальным среднеквадратичным пульсацией в ветвях 68 А. После установки резисторов HVRGXP 0.1 Ом, симметричной компоновки печатной платы и сортировки ESL, дисбаланс снизился до 6.8%, максимальная пульсация в ветвях — до 51 А среднеквадратичного значения, повышение температуры — с 86 °C до 62 °C, а среднее время безотказной работы (MTBF) увеличилось с 62 000 ч до 138 000 ч.

На платформе 5T матрица из 18 блоков HVCT8G 47 нФ/15 кВ с 24 резисторами HVRGXP 0.1 Ом/50 Вт позволила снизить σ_i с 37% до 5.2%. Разброс температур в трехканальной системе снизился с 28 °C до 6 °C, а срок службы градиентного модуля B10 увеличился с 86 000 ч до 154 000 ч.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4–8 недель, а изготовленные на заказ комплекты демпфирования и сортировки — 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 разработке модели распределения тока ANOVA и LTspice, проверке DFM и анализе компоновки.

Отправьте напряжение шины, количество ответвлений, допуск ESL, коэффициент заполнения градиента и схему охлаждения. HVC вернет отсортированное предложение по компоненту с измеренными данными ESL и ESR, значением общего резистора и набором данных для оценки двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему одинаковые конденсаторы пропускают разные токи?

Поскольку разделение определяется импедансом ветви, а не номером детали. Каждая ветвь добавляет свою собственную индуктивность вывода L_lead, и ток подчиняется формуле I_i = V_ripple / |Z_i|, где Z_i = ESR_i + jω · (ESL_i + L_lead) + 1/(jω · C_i). Выше 10 кГц доминирует индуктивный член, поэтому разница длин 50 мм, составляющая около 50 нГн, контролирует ток.

В2: Какой уровень дисбаланса допустим?

Удерживайте значение σ_i = sqrt(Σ(I_i − I_avg)² / N) / I_avg в пределах 8%. При превышении этого значения требуется перепроектирование схемы. Полевые измерения показывают, что в 73% случаев в традиционных 12-параллельных схемах этот показатель превышает 15%, а в 26% — 30%, при этом каждые 10% дисбаланса добавляют 5–8 °C к температуре самого горячего конденсатора.

В3: Какой элемент распределения следует использовать, индуктор или резистор?

Резистор — более простой вариант. Индуктор с общим сопротивлением накапливает энергию и образует LC-петлю с паразитной емкостью в точке выключения градиента. Используйте неиндуктивный резистор сопротивлением 0.05–0.2 Ом и поддерживайте значение P_share = I_ripple² · R_share / N в пределах 5% от общей мощности пульсаций. Проволочный элемент с сопротивлением 1 Ом при токе 60 А среднеквадратичного значения рассеивал 360 Вт.

Вопрос 4: Насколько напряжённым должен быть матч ESL?

Погрешность составляет ±5% от номинального значения, а разброс для 7-проводной шины — менее 3 нГн. В одной из неотсортированных партий показания составили 18–28 нГн, разброс — ±20%, а отклонение тока превысило 15%. Лазерная сортировка HVC обеспечивает погрешность ±5%, а в классе Premium разница ΔESL составляет менее 3 нГн, что снижает высокочастотный дисбаланс до менее 5%.

В5: Влияет ли тепловая схема на распределение электроэнергии?

Да, и замкнутый контур самовосстанавливается. Центральный конденсатор нагревается примерно на 15 °C сильнее, его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) падает примерно на 5%, он потребляет больше тока и нагревается еще сильнее. Независимая термопрокладка для каждого конденсатора с зазором 3 мм разорвала этот замкнутый контур и сократила разброс температур в трех каналах с 26 °C до 6 °C.

В6: Какая компоновка автобуса обеспечивает наилучшее совместное использование?

Четырехслойная структура из 2 унций меди, где положительные и отрицательные дорожки расположены на смежных слоях. Такая геометрия образует петлю с низкой индуктивностью и снижает индуктивность шины со 120 нГн до 35 нГн, что улучшает равномерность распределения тока в 2.8 раза. В качестве проверки DFM (проектирование для производства) необходимо следить за тем, чтобы погрешность длины положительных и отрицательных дорожек не превышала 3 мм.

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 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. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. Технические заметки по проектированию и надежности конденсаторов (указатель, включая информацию о периоде возникновения дуги, коронном разряде и влиянии компоновки печатной платы на отказы при высоком напряжении), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
11. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com