Демпфирующие резисторы с защитой от утечки тока и токоизмерительные клещи для переключения режимов работы энергоблоков

Демпфирующие резисторы с защитой от утечки тока и токоизмерительные клещи для переключения режимов работы энергоблоков

Резюме

Многорежимный энергоблок с изменяющимся выходным напряжением повышается с 200 В (пиковое значение) до 3000 В (пиковое значение) за несколько сотен наносекунд. Этот фронт создает колебания в кабеле и согласующей цепи. На устройстве мощностью 400 Вт пиковое значение достигает 890 мкДж, а коэффициент перерегулирования составляет 1.67. Большинство отказов IGBT происходит в первые 200 мкс, когда перенапряжение и перегрузка по току достигаются слишком поздно. В этой статье представлены модель переходного процесса, уравнения для расчета параметров УЗО, ТВС и активного зажима, а также данные испытаний 1000 переключателей режимов работы.

1. Введение

Современный электрохирургический аппарат работает в пяти и более режимах. Для режимов «Реза», «Смешивание», «Коагуляция», «Распыление» и «Фульгурация» требуется разный уровень выходного напряжения. Режим «Реза» работает при напряжении 200-400 В (пиковое значение) и сопротивлении 50-200 Ом. Режим «Коагуляция» работает при напряжении 2000-4000 В (пиковое значение) и сопротивлении 500-3000 Ом. Режим «Распыление» достигает 5000 В (пиковое значение) при обработке сухих тканей.

Для переключения режима инвертор должен перейти с одного уровня на другой за микросекунды. Энергия, запасенная в звене постоянного тока, трансформаторе и кабеле, не имеет выхода, поэтому возникает колебание. Браун и Дэвис протестировали 100 переключателей на коммерческом устройстве. Среднее значение коэффициента перерегулирования составило 1.67, пиковая энергия импульса — 890 мкДж, а частота колебаний — 10.8 МГц.

Данные о сбоях указывают на то же самое. В этом наборе тестов 87% отказов IGBT произошли в течение 200 мкс после переключения. OVP и OCP реагируют в течение 1-50 мкс, поэтому оба параметра упускаются из виду. Устройство повреждается до того, как контур успевает отреагировать.

В этой статье рассматриваются переходная модель, три этапа зажима, уравнения для расчета размеров и измеренные данные. В заключение описываются детали, удерживающие зажим в целостном состоянии при нагреве и многократном воздействии тепла.

2. Основной механизм

2.1 LC-сеть, которая образует кольца

Силовой контур сводится к LC-цепи второго порядка. Часть, идущая от звена постоянного тока, питает цепь рассеяния трансформатора, согласующую часть и индуктивность кабеля. При переключении режимов эти части образуют сразу несколько контуров. Выходной сигнал затем следует переходной характеристике затухающей системы второго порядка:

V_out(t) = V_steady + A · exp(-t/τ) · sin(ω_d · t + φ)

где τ = 2L/R — постоянная времени затухания, ω_d = √(1/(LC) - (R/2L)²) — затухающая угловая частота, а A и φ — члены, заданные начальным состоянием.

Индуктивность кабеля составляет около 1 мкГн/м, а согласующая часть — около 220 пФ. В итоге кольцо оказывается здесь:

f_res = 1 / (2π√(L·C)) ≈ 10.7 MHz

где L — индуктивность петли в генри, C — емкость петли в фарадах, а f_res — частота кольца в герцах. Значение 10.7 МГц находится близко к 25-й гармонике несущей частоты 400 кГц, которая находится на частоте 10 МГц. Эти две частоты биятся вместе, и пик возрастает.

2.2 Задержка контура управления

ПИД-регулятор в устройстве мощностью 400 Вт имеет полосу пропускания 50-100 кГц. Переключение режимов происходит за наносекунды, поэтому контур не участвует в процессе. Цифровая цепочка добавляет свою задержку: 1 мкс на выборку АЦП, 2 мкс на обработку в DSP или FPGA и 0.5 мкс на запись в регистр ШИМ. Общая задержка составляет около 3.5 мкс.

При частоте 400 кГц период составляет 2.5 мкс, поэтому 3.5 мкс покрывают 1.4 цикла. Выходной сигнал превышает порог безопасности до того, как его увидит контур обратной связи. Программное обеспечение само по себе не может удержать импульс. Ограничение должно быть аппаратным.

2.3 Коэффициент перерегулирования и энергия пика

Событие описывается двумя числами. Коэффициент перерегулирования сравнивает пиковое значение с номинальным уровнем:

Overshoot ratio = V_peak / V_rated

где V_peak — максимальное выходное напряжение в переходном процессе, V_rated — пиковое значение в нормальном рабочем режиме, а отношение — простое число. Энергия импульса интегрирует напряжение и ток по всему импульсу:

E_spike = ∫ V(t) · I(t) dt

где V(t) — выходное напряжение, I(t) — выходной ток, а интеграл пробегает ширину пика. Событие с энергией 890 мкДж, происходящее в переходе устройства емкостью 120 пФ, приводит к превышению номинальной мощности кристалла и запуску тактового генератора отказов.

2.4. В каких случаях стандартные меры безопасности оказываются недостаточными.

Каждый защитный механизм имеет пороговое значение и время отклика. OVP срабатывает при 1.2-кратном превышении номинального пикового значения и требует 1-5 мкс. OCP срабатывает при 1.5-кратном превышении номинального среднеквадратичного тока и требует 10-50 мкс. OTP ожидает наступления температуры 85 °C и срабатывает за секунды. Программное ограничение мощности работает в миллисекундах. Ни один из четырех механизмов не охватывает первые 200 мкс, в течение которых и происходит повреждение.

Рис. 1 — Скачкообразное изменение напряжения с 200 до 3000 Впик-пик длительностью 300 нс модулирует петлю на частоте 10.8 МГц с пиковым значением 890 мкДж; три ограничительных каскада поддерживают коэффициент перерегулирования на уровне 1.12.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: пик срабатывает до того, как сработает какая-либо петля.

Устройство может выглядеть исправным на стенде в одном режиме, а выйти из строя в следующем. Режим «Отключение до коагуляции» — наихудший вариант, поскольку инвертор изменяет уровень выходного сигнала в 15 раз. Шлейф постоянного тока, утечка трансформатора и кабель образуют контур с низкими потерями, поэтому затухание колебания происходит медленно. Без ограничения времени спада до установившегося уровня составляет 12 мкс.

Проблема 2: одного этапа недостаточно для охвата всей полосы.

Каждый ограничитель работает в одном временном масштабе. Демпфирующий резистор с УЗО работает в наносекундах и подавляет первый импульс. Цепочка TVS работает в диапазоне 1-10 нс и подавляет пик. Активный ограничитель работает в диапазоне 50 нс и обходит импульс. Один каскад оставляет другие диапазоны открытыми. Данные испытаний показывают следующее: один только УЗО оставляет отношение равным 1.35, а пик — 320 мкДж.

Проблема №3: ​​дополнительные затраты и риск повторного тестирования.

Три этапа компенсируют затраты на компоненты. При заказе 1000 штук демпфирующая деталь стоит 4.5 йены, демпфирующий резистор — 2.0 йены, быстродействующий диод — 3.5 йены, TVS-фильтр — 6.0 йен, накопительная деталь — 15.0 йен, а ВЧ-фильтр — 8.0 йен. Полный комплект добавляет 83 йены за единицу. К этому добавляется стоимость повторного тестирования на электромагнитную совместимость (ЭМС) в размере 30 000–100 000 йен, а также стоимость ремонта IGBT-транзистора в полевых условиях.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: сначала измерьте отсутствующие детали.

Анализатор импеданса или LCR-метр позволяют рассчитать необходимые параметры. Точка утечки кабеля и трансформатора составляет около 100-200 нГн. Выходная емкость устройства составляет около 100-200 пФ. резистор выборки В цикле отображается текущая трассировка. Запишите все три значения, прежде чем выбирать одно из них.

Стратегия 2: определить размер емкости демпфирующего контура.

Демпфирующий элемент отводит энергию, которая в противном случае выделилась бы из контура. Его значение определяется допустимым пиковым значением:

C_snub = C_oss × (V_peak / V_dc - 1)

где C_oss — выходная емкость устройства, V_peak — допустимое пиковое значение, V_dc — напряжение шины, а C_snub — емкость демпфирующей цепи. При V_peak = 4500 В, V_dc = 3000 В и C_oss = 120 пФ значение составляет 60 пФ. Выберите 47 пФ или 100 пФ для запаса.

Стратегия 3: определить размер демпфирующего сопротивления.

Резистор задает демпфирование и не должен создавать собственного колебания:

R_snub = √(L_stray / C_snub)

где L_stray — измеренная паразитная индуктивность, C_snub — емкость демпфирующего элемента, а R_snub — сопротивление демпфирования. При индуктивности 150 нГн и емкости 60 пФ результат составляет около 50 Ом. Подходит стандартный проволочный резистор на 47 Ом или 51 Ом.

Стратегия 4: проверьте питание резистора.

Резистор сжигает поглощенную энергию на каждом цикле:

P_R ≈ ½ · C_snub · V_clamp² · f_sw

где C_snub — емкость демпфирующей цепи, V_clamp — напряжение ограничения, f_sw — частота переключения, а P_R — средняя мощность. При 3500 В, 400 кГц и 100 пФ потери составляют около 0.25 Вт. Используйте металлопленочный компонент мощностью 2 Вт и удерживайте повышение температуры ниже 50 °C.

Стратегия 5: добавить строку TVS

Широкозонные полупроводниковые приборы переключаются со скоростью 50-200 кВ/мкс, и одного только УЗО недостаточно. Цепочка TVS-датчиков покрывает следующий десяток переходного процесса. Установите напряжение пробоя на уровне 1.1 раза выше нормального пикового значения или выше. Поддерживайте емкость перехода ниже 100 пФ, чтобы цепочка не создавала новых кольцевых эффектов. Три последовательно соединенных элемента P6KE дают около 5 кВ.

Стратегия 6: замкнуть контур с помощью активного зажима

Ограничитель принимает на себя остаточный заряд. Дифференциальный усилитель с полосой пропускания более 50 МГц управляет компаратором, настроенным на 1.1 раза больше номинального пикового значения. Компаратор управляет вспомогательным MOSFET-транзистором с задержкой управления менее 50 нс. Ограничитель принимает отводимый заряд, а резистор мощностью 10 Вт отводит его. пленочный конденсатор На единицу объема накапливается больше энергии, но для зажимного пути требуется низкий эквивалентный уровень электростатического сопротивления (ESL), поэтому керамические детали подходят лучше.

Стратегия 7: проверка в крайних случаях

После 2-часовой выдержки переключатель запускали при температуре -40 °C, затем при 95% относительной влажности через 48 часов, а затем после 1000 термических циклов. Измеренные коэффициенты составили 1.14, 1.13 и 1.15. Также отслеживали температуру зажимной части. В целом, схема позволила удержать повышение температуры ниже 15 °C.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Демпфирующий конденсатор, HVCA-471K	470 пФ, 6 кВ	ESL ниже 3 нГн
Демпфирующий резистор, HVR-HTE-47R	47 Ом, 5 Вт	неиндуктивная проволочная обмотка
Быстровосстанавливающийся диод, HVD-06	VRRM 6 кВ, trr менее 75 нс	при номинальном токе
струна TVS, P6KE × 3	Vbr около 5 кВ	Cj при 100 пФ
Накопительный конденсатор, HVDCT-102	10 нФ, 15 кВ	пульсация 400 кГц
ВЧ фильтрующий конденсатор, CT101K	100 пФ, 8 кВ	гармоническая полоса
Ограничительный конденсатор, HVDCT-222	2.2 нФ, 20 кВ	путь активного зажима

5. Высоковольтные конденсаторы для зажима ЭСУ

Зажим удерживает напряжение только тогда, когда каждая ступень сохраняет свое значение при нагревании и многократном воздействии. Компания HVC производит детали для всех трех ступеней на собственном заводе площадью 6000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ. Линия включает в себя дисковые детали. дверная ручка конденсаторыа также болтовые крепления для настольных и переносных устройств.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESL менее 3 нГн. Последовательная демпфирующая цепь HVCA поддерживает малый размер петли, поэтому наносекундный импульс попадает в низкоимпедансный путь, и кольцо затухает раньше.
• 470 пФ при 6 кВ. HVCA-471K Рассматривается приведенный выше пример расчета размеров с запасом на шине 3000 В.
• Точность ±5%. Класс I. N4700 Диэлектрическая проницаемость сохраняет свои значения в диапазоне температур от -40 °C до +125 °C, поэтому демпфирующий элемент сохраняет свой запас прочности в холодном помещении.
• Импульсное значение dv/dt выше 50 кВ/мкс. Диэлектрик принимает быстрый фронт без частичного разряда, поэтому деталь выдерживает 1000 переключений.
• Подобраны детали. HVR-BSP демпфирующие резисторы, компоненты системы хранения энергии 15 кВ и быстровосстанавливающиеся диоды отгружается с той же линии и соответствует пути передачи энергии зажима.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. VishayСерии дверных ручек Murata и TDK выпускаются серийно компанией ESU.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4-8 недель, а подобранные комплекты демпфирующих резисторов — в течение 6-10 недель. Необходимо предоставить таблицу режимов, напряжение шины и измеренную паразитную индуктивность. HVC предоставит список компонентов резистора с данными DF и ESR на частоте 400 кГц в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему переключение режимов вообще повреждает IGBT?

Поскольку инвертору необходимо перевести выходное напряжение с 200 В (пиковое значение) на 3000 В (пиковое значение) за несколько сотен наносекунд, энергия в звене постоянного тока, утечка трансформатора и кабель не имеют выхода, поэтому возникает петля колебаний. Измеренное отношение составляет 1.67, а пиковое значение — 890 мкДж. В том же тестовом наборе 87% отказов IGBT произошли в течение 200 мкс после переключения.

Вопрос 2: Могу ли я отказаться от демпфирующего элемента УЗО и оставить только цепочку TVS?

Нет. Эти два этапа имеют разные временные масштабы. Этап RCD поглощает первый наносекундный пик с помощью низкоэмиссионного каскада и демпфирующего резистора. Затем цепочка TVS ограничивает пик в диапазоне 1-10 нс. Сам по себе этап RCD обеспечивает соотношение 1.35, а цепочка TVS сама по себе передает наносекундный фронт на устройство. В итоге, полный набор достигает 1.12.

В3: Как выбрать значение емкости демпфирующей цепи?

Начните с формулы C_snub = C_oss × (V_peak / V_dc - 1). Для устройства с емкостью 120 пФ на шине 3000 В и допустимым пиковым напряжением 4500 В значение составляет 60 пФ. Затем выберите ближайший стандартный компонент: 47 пФ или 100 пФ. Больший компонент обеспечивает запас по пиковому напряжению и приводит к небольшим потерям в демпфирующем резисторе.

Вопрос 4: Что определяет сопротивление демпфированию?

Паразитная индуктивность и демпфирующая емкость. R_snub = √(L_stray / C_snub) дает значение, которое демпфирует петлю без нового кольца. При 150 нГн и 60 пФ результат составляет около 50 Ом, поэтому подходит проволочный элемент с сопротивлением 47 Ом или 51 Ом. Одновременно проверьте мощность: около 0.25 Вт при 3500 В и 400 кГц, что покрывает элемент мощностью 2 Вт.

В5: Нужен ли мне активный зажим на устройстве среднего ценового сегмента?

Это зависит от количества режимов и диапазона нагрузки. Только каскады RCD и TVS обеспечивают коэффициент усиления 1.18 и время спада 5 мкс. Активный ограничитель добавляет последний этап, до 1.12 и 3 мкс, с помощью компаратора, небольшого MOSFET и одного высоковольтного элемента. В устройстве, работающем в пяти и более режимах, дополнительный каскад окупается за счет возврата в эксплуатацию.

В6: Как доказать работоспособность зажима на протяжении всего срока службы изделия?

Проведите испытания переключателя при предельно допустимых температурах и влажности, а также после термоциклирования. Измеренные коэффициенты составили 1.14 при -40 °C, 1.13 при 95% относительной влажности и 1.15 после 1000 циклов. Затем проведите испытания 1000 переключателей и подсчитайте количество отказов: три IGBT вышли из строя без ограничителя тока, один — только с каскадом УЗО, и ни одного — с полным комплектом. Это увеличивает среднее время безотказной работы (MTBF) примерно со 1176 тыс. до 8333 тыс.

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 60601-2-2:2017, Медицинское электрооборудование — Часть 2-2: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам высокочастотного хирургического оборудования и высокочастотных хирургических принадлежностей.Женева: МЭК, 2017.
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. Л. Чжэн, Л. Чжу, Дж. Лю, З. Ди и С. Цзи, Самовосстанавливающиеся характеристики металлизированного пленочного конденсатора при постоянном и переменном напряжении с гармониками., в сборнике трудов конференции IEEE по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям (CEIDP), стр. 175-178, 2022. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286
8. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
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. 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.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com