Высоковольтные конденсаторы для портативных МРТ-систем с низким магнитным полем

Высоковольтные конденсаторы для портативных МРТ-систем с низким магнитным полем

Резюме

Портативная система МРТ помещается на тележке с напряженностью магнитного поля от 0.1 до 0.55 Тл, но электрическая нагрузка остается неизменной: шина 1000 В, узел радиочастотной связи от 2 до 5 кВ и пульсации постоянного тока ниже 1%. Миниатюризация в этом случае становится проблемой тепловых и паразитных процессов. В данной статье рассматриваются ограничения по плотности мощности, компромисс между эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) и саморезонансом, а также варианты корпусов, позволяющие сохранить вес шкафа менее 300 кг.

1. Введение

Портативные магнитно-резонансные томографы с низким магнитным полем охватывают диапазон от 0.1 Т до 0.55 Т и используются у постели больного в отделениях интенсивной терапии, для сортировки пациентов с инсультом, в полевых госпиталях и удаленных клиниках. Система на 1.5 Т или 3 Т, рассчитанная на использование в любом помещении, весит от 6 до 8 тонн. Портативный блок использует компактный постоянный магнит и весит менее 300 кг, поэтому его можно перемещать с помощью тележки или небольшого фургона.

В клинической практике используются аппараты Hyperfine Swoop, Siemens MAGNETOM Free.Max и United Imaging uMR 0.35T. Магнит уменьшается на порядок. При этом электрическое напряжение не уменьшается.

Для достижения требуемой скорости нарастания градиентной катушки по-прежнему необходима шина напряжения от 500 до 1000 В. Для ВЧ-усилителя мощности по-прежнему необходим узел связи от 2 до 5 кВ. Фильтр DC-Link по-прежнему должен поддерживать пульсации ниже 1%, иначе контур градиентного тока будет осциллировать.

Таким образом, в одном небольшом корпусе сходятся три ограничения: высокая выдерживаемая мощность, низкие потери и совместимость с магнитным полем. В этой статье рассматривается ограничение плотности мощности, лежащее в основе первого ограничения, компромисс между эквивалентной последовательностью выводов (ESL) и саморезонансом, лежащий в основе второго, и выбор диэлектрика, лежащий в основе третьего.

2. Основной механизм

2.1 Граница плотности мощности

Корпус имеет фиксированную площадь теплоотвода, и в портативном устройстве отсутствует вентилятор. При естественной конвекции и допустимом внутреннем повышении температуры на 40 °C объемная удельная мощность достигает максимума около 0.15 Вт/см³.

Потери в конденсаторе звена постоянного тока при пульсациях тока I_r обусловлены его эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR):

P_loss = I_r² · ESR

где I_r — среднеквадратичное значение пульсационного тока, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление на частоте пульсаций, а P_loss — рассеиваемая мощность в ваттах.

Шина 1000 В с пульсациями 20 А выдает 20 мВт в компоненте с эквивалентным последовательным сопротивлением 50 мОм. Традиционная керамическая лампа Y5V с сопротивлением 500 мОм выдает 200 мВт в том же технологическом узле. В прототипе с тактовой частотой 0.35 Т тепловизионное исследование показало, что SMD-компоненты N4700 работают на 18 °C холоднее, чем их аналоги с выводами.

2.2 ESL и саморезонанс

Меньший корпус снижает ESL, но контактная площадка и дорожки печатной платы становятся доминирующими факторами. Собственный резонанс установленного компонента составляет:

f_res = 1 / (2π · √(ESL · C))

где ESL — эквивалентная последовательная индуктивность контура, C — емкость, а f_res — собственная резонансная частота, точка, выше которой компонент становится индуктивным.

Микросхема емкостью 10 нФ с индуктивностью петли 4 нГн резонирует на частоте 25.2 МГц. Это выше градиентного диапазона от 20 кГц до 50 кГц и выше несущих ВЧ-сигналов на частотах 64 МГц и 128 МГц. Микросхема с выводами и индуктивностью 15 нГн резонирует около 13 МГц и становится индуктивной на частоте 128 МГц, что искажает поле B1.

2.3 Диэлектрический отклик в магните

Поле от 0.1 до 0.55 Т является умеренным, но градиентные катушки добавляют к нему миллитесла-уровневое значение dB/dt. Керамика класса I, такая как N4700, представляет собой смешанную фазу пара-диа, и ее диэлектрическая проницаемость изменяется менее чем на 0.5% на тесла. Ферроэлектрическая керамика класса II изменяет диэлектрическую проницаемость на 2–5% на тесла и, соответственно, сдвигает амплитуду B1.

2.4 Коэффициент напряжения и эффективная емкость

Керамика класса II также теряет диэлектрическую проницаемость под воздействием постоянного напряжения, поэтому значение, указанное в техническом описании, не является рабочим значением:

C_eff = C_nom · (1 + k_V · V_bias)

где C_nom — номинальная емкость, k_V — коэффициент напряжения, V_bias — приложенное постоянное напряжение, а C_eff — эффективная емкость при данном напряжении смещения.

Номинальный конденсатор Y5V емкостью 10 нФ при напряжении 800 В может уменьшиться до 4 нФ. В этом случае пульсации в цепи постоянного тока возрастают с 0.6% до более чем 1.5%, чего достаточно для запуска колебаний в контуре градиентного тока. В конденсаторах класса I значение k_V остается ниже 5%, поэтому C_eff остается близким к C_nom.

2.5 Провисание пульсации

Падение напряжения на шине во время градиентного импульса происходит вслед за зарядом, отбираемым из батареи:

ΔV = I · Δt / C

где I — ток нагрузки, Δt — длительность импульса, C — емкость батареи, а ΔV — падение напряжения на импульсе.

Рис. 1 — В керамической детали класса II емкость снижается с 10 нФ до 4 нФ при напряжении 800 В, что увеличивает пульсации в цепи постоянного тока с 0.6% до более чем 1.5%.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Корпус занимает менее одной трети площади рассеивания тепла.

В настольном шкафу для МРТ достаточно места для радиаторов и принудительной вентиляции. В портативном шкафу этого места нет. Обычные компоненты в корпусе TO-220 со своими собственными радиаторами напрямую противоречат целевому показателю веса. В одном проекте с нагрузкой 0.35 Т полноразмерный блок DC-Link мощностью 1.5 Т занимал 40% объема шкафа и потребовал полной переработки конструкции.

Проблема 2: Сокращение емкости под действием смещения.

Сегнетоэлектрическая керамика класса II теряет от 30% до 60% своей диэлектрической проницаемости при постоянном напряжении от 500 до 1000 В. Номинальный конденсатор 10 нФ при 800 В выдает 4 нФ. Пульсации превышают 1.5%, и петля градиента начинает колебаться. Проблема в том, что значение, указанное в техническом описании, измерено при низком напряжении смещения, поэтому потери остаются незаметными до тех пор, пока плата не начнет работать при полном напряжении шины.

Проблема 3: Избыточная электростатическая проводимость приводит к расстройке радиочастотного канала.

Высоковольтные конденсаторы со свинцовым выводом обеспечивают эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) выше 15 нГн. Они становятся индуктивными вблизи 64 МГц и 128 МГц и вносят реактивное сопротивление в схему настройки, что требует перепроектирования для согласования параметров. Один производитель фазированных антенных решеток измерил потерю равномерности B1 на 12% при использовании компонентов со свинцовым выводом и восстановил её только за счет перехода на SMD-компоненты с низкой ESL.

Проблема 4: Вариативность партий продукции в полевых условиях.

Для портативных МРТ-аппаратов требуется дрейф емкости ниже 2% в зависимости от уровня магнитного поля. Некоторые керамические материалы класса II демонстрируют явные вариации в зависимости от мощности магнитного поля (от 0.1 Т до 0.5 Т), поэтому два прототипа, изготовленные по одному и тому же чертежу, показывают разницу в форме сигнала градиентного тока в 5%. В этом случае каждому устройству требуется собственная калибровка, что препятствует серийному производству.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выбирайте SMD-корпуса класса I.

Используйте N4700 Компоненты класса I в корпусах SMD 1206, 1210 и 1812, охватывающие диапазон напряжений от 2 до 6 кВ с коэффициентом диэлектрической проницаемости ниже 0.1%, коэффициентом напряжения ниже 5% и эквивалентной индуктивностью ниже 5 нГн. Один из прототипов с индуктивностью 0.35 Тл позволил уменьшить объем DC-Link с 380 см³ до 140 см³, что составляет снижение на 63%.

Стратегия 2: Встроить компоненты в печатную плату.

Тонкие корпуса толщиной менее 3 мм могут быть встроены во внутренние слои печатной платы или припаяны к медным нагревательным блокам. Это сокращает длину токового контура и снижает общую эквивалентную индуктивность постоянного тока (ESL) ниже 2 нГн при использовании 4 унций меди, что позволяет повысить частотную характеристику (f_res) выше 50 МГц и охватить все диапазоны частот портативных МРТ-аппаратов.

Стратегия 3: Собрать модуль выпрямителя и фильтра из компонентов HVC.

пара быстровосстанавливающиеся диоды Благодаря времени восстановления менее 50 нс и конденсаторам N4700, устройство образует компактный выпрямительный и фильтрующий модуль. По сравнению с электролитической схемой на конденсаторах 1N4007, объем уменьшается примерно на 80%, а пульсации снижаются до менее 0.5%. Данная схема находится в серийном производстве в отечественных портативных МРТ-аппаратах для отделений интенсивной терапии.

Стратегия 4: Заменить проволочные резисторы на детали из стеклопластика.

В цепях предварительной зарядки и измерения напряжения проволочный высоковольтный резистор может весить более 120 г. толстопленочный резистор При использовании в стекловидной глазури мощность достигает 2 Вт/см², а вес составляет 8 г при том же значении сопротивления, с 10-кратным пределом импульсной перегрузки.

Стратегия 5: Экранирование частичного разряда и магнитного дрейфа в одной партии

Проведите 100% тестирование на частичный разряд при 5 пКл и напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, для компонентов медицинского класса. Затем протестируйте дрейф частоты и емкости на образцах партии в поле 0.5 Тл на частоте 128 МГц. Отчет о тестировании может быть приложен к проектной документации, чтобы производителю не приходилось повторять ту же проверку.

Стратегия 6: Объединение спецификаций высоковольтного оборудования в одном источнике.

Один поставщик конденсаторов, диодов, резисторы выборки HVRGXPИспользование прецизионных делителей позволяет исключить один маршрут входящего контроля для каждого семейства деталей. После привязки к спецификации материалов работа по сертификации и квалификация у второго поставщика объединяются в один комплект документов.

Стратегия 7: Сравните варианты пакетов до того, как будет окончательно определен макет.

Классический пленочный конденсатор Он хорошо удерживает емкость при смещении, но его объем на джоуль значительно больше. Керамический элемент выигрывает по объему и по эквивалентной последовательной проводимости, поэтому пленочный элемент подходит только для тех узлов, где пульсации тока высоки и пространство свободно.

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 портативного аппарата МРТ.

Миниатюризация требует одновременного выполнения трех требований: компактных размеров, низких потерь и стабильной емкости магнита. Компания HVC производит компоненты N4700, отвечающие всем этим требованиям, на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESL ниже 5 нГн. В серии SMD емкостное сопротивление сохраняется выше 25 МГц, где находятся несущая частота ВЧ и градиентные гармоники.
• Коэффициент потерь ниже 0.1%. Потери на единицу мощности остаются на уровне около 20 мВт при напряжении шины 1000 В и пульсациях 20 А, поэтому корпус не требует принудительной вентиляции.
• Коэффициент напряжения ниже 5%. Емкость практически не изменяется при повышении напряжения на шине, поэтому пульсации остаются ниже 1% при полной нагрузке.
• Дрейф составляет менее 0.5% при 0.5 Т. ​​Диэлектрик N4700 не является магнитным, поэтому повторяемость формы градиентного сигнала сохраняется между устройствами.
• Частицы разряда ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Экранирование ограничивает деградацию диэлектрика в течение срока службы устройства, которое невозможно обслуживать в полевых условиях.
• Координированные компоненты. HVD-диоды, резисторы HVRGFP и HVRGXP с защитным покрытием из стекла, и HVR-BSP Делители можно выбирать с помощью конденсаторов, и HVC также соответствует этим параметрам. Murata Зоны охвата DHS и DHR.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а компоненты нестандартных размеров — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в выборе корпуса, проектировании печатных плат, тепловом моделировании и ЭМС-фильтрации для портативного корпуса.

Отправьте напряжение шины, пульсационный ток, габариты корпуса и уровень сигнала на поле. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам таблицу соответствия с номерами компонентов, данными DF и ESL на рабочей частоте, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему микросхема емкостью 10 нФ выдает в схему всего 4 нФ?

Поскольку ферроэлектрическая керамика класса II теряет диэлектрическую проницаемость под воздействием постоянного напряжения, номинальная емкость 10 нФ микросхемы Y5V при напряжении 800 В может снизиться до 4 нФ, что увеличивает пульсации в цепи постоянного тока с 0.6% до более чем 1.5% и может вызвать колебания градиентной петли. Диэлектрик класса I удерживает коэффициент напряжения ниже 5%, поэтому эффективная емкость остается близкой к номинальному значению.

Вопрос 2: Насколько маленьким может быть блок DC-Link?

Размер блока определяется формулой ΔV = I · Δt / C. Сначала установите допустимое падение напряжения, затем определите емкость C по импульсному току и длительности импульса. В прототипе на 0.35 Тл переход от выводных компонентов к 1210 SMD-компонентам уменьшил объем блока с 380 см³ до 140 см³ без изменения емкости. Встраивание компонентов в печатную плату дополнительно снижает эквивалентную последовательную индуктивность (ESL).

В3: Изменяет ли магнит с напряженностью поля 0.55 Тл выбор диэлектрика?

Это по-прежнему исключает ферроэлектрические компоненты класса II. Диэлектрическая проницаемость в этом семействе изменяется на 2–5% на тесла, поэтому амплитуда B1 дрейфует с полем. В керамике класса I изменение составляет менее 0.5% на тесла, и поле имеет значение только на уровне градиента dB/dt, наложенного на B0.

Вопрос 4: Откуда берется ESL после того, как упаковка уменьшается в размерах?

Судя по контактным площадкам, переходным отверстиям и дорожкам печатной платы, даже небольшой корпус с длинной петлей дорожки все равно резонирует на низкой частоте. Держите петлю короткой, используйте толстый слой меди и измеряйте параметры смонтированного компонента, а не голой детали. Компонент емкостью 10 нФ с индуктивностью петли 4 нГн резонирует на частоте 25.2 МГц, что значительно превосходит несущую частоту 128 МГц.

В5: Может ли пленочный конденсатор заменить керамический?

Только там, где позволяет пространство. Пленочный конденсатор сохраняет свою емкость под напряжением и потребляет ток с высокой пульсацией, но занимает гораздо больший объем на джоуль. В корпусе массой менее 300 кг керамический компонент обычно выигрывает по объему и по эквивалентной последовательной индуктивности (ESL), а пленочный компонент остается в узлах с наибольшей пульсацией.

В6: Что необходимо проверить после замены?

Значения DF и ESR на рабочей частоте, ESL установленного компонента, дрейф емкости на уровне поля и частичный разряд при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Необходимо проверить эти четыре параметра до утверждения схемы. Тестирование выборочной партии в поле 0.5 Тл на частоте 128 МГц позволит OEM-производителю получить отчет, который он сможет приложить к проектной документации.

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.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влагиНадежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008
8. Вопросы применения многослойных керамических конденсаторов BME высокого напряжения.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS International 2012), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2012CARTS-ApplicationConsiderationsHighVoltBME-X7RCeramicCapacitors.pdf .
9. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. 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.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com