Паразитные параметры высоковольтных конденсаторов в контурах управления питанием электростимулятора

Паразитные параметры высоковольтных конденсаторов в контурах управления питанием электростимулятора

Резюме

В контуре управления питанием электростатического преобразователя (ЭСУ) измеренная выходная мощность сравнивается с заданным значением, и происходит коррекция коэффициента заполнения или частоты моста. Паразитные эффекты компонентов добавляют фазовый сдвиг и сдвиг усиления, которые простая модель не учитывает, поэтому контур, который моделируется как стабильный, может колебаться на аппаратном уровне. В этой статье представлены сумма фазового запаса, модель импеданса реального компонента, три варианта отказов в полевых условиях и восемь шагов, обеспечивающих стабильность контура от холодного запуска до достижения теплового установившегося состояния.

1. Введение

Электрохирургический аппарат поддерживает стабильную выходную мощность, несмотря на изменение нагрузки на ткани, контакта электрода и напряжения в сети. Система сравнивает измеренную мощность с заданным значением, выбранным хирургом, а затем корректирует коэффициент заполнения моста или частоту переключения. Хорошо настроенная система обеспечивает плавное рассечение и коагуляцию. Система, издающая звон, приводит к неравномерному воздействию на ткани и издает слышимый звук из наконечника.

Многие команды рассматривают нестабильный контур как задачу настройки. Однако предел задаёт сама система. Мост, трансформатор, согласующая цепь и высоковольтная часть — всё это вносит фазовый сдвиг и изменение усиления. Модель, которая исключает эту часть, будет предсказывать больший запас, чем позволяет плата.

Паразитные составляющие частично действуют в рабочем диапазоне частот, а не на постоянном токе. Последовательное сопротивление, последовательная индуктивность и диэлектрические потери добавляют каждый свой вклад, который возрастает с частотой. На частоте 400 кГц эти составляющие уже не являются малыми. Они определяют реальный запас по амплитуде для контура обратной связи.

В данной статье рассматривается модель контура с учетом паразитных эффектов, метод измерения, три случая разрыва контура и восемь этапов проектирования, восстанавливающих запас прочности.

2. Основной механизм

2.1 Архитектура цикла

В контуре электрохирургической ассистенции (ЭСУ) находятся пять блоков: компенсатор, модулятор, мост, выходная сеть с нагрузкой ткани и датчик мощности. Компенсатор представляет собой блок ПИ- или ПИД-регулятора на цифровом сигнальном процессоре (DSP) и работает с фиксированной частотой дискретизации. Объект управления содержит все компоненты между модулятором и датчиком.

Резонансные контуры и выходные фильтры добавляют фазовую задержку. RLC-цепь может обеспечить сдвиг от 90° до 180° в рабочей точке, а некоторые схемы добавляют нуль в правой полуплоскости. Эти составляющие удерживают полезную полосу пропускания ниже f_sw / 10. Простая модель второго порядка описывает форму петли:

G_0(s) = K_p · ω_n² / (s² + 2ζ·ω_n·s + ω_n²)

где K_p — коэффициент усиления по постоянному току, ω_n — затухающая собственная частота в рад/с, ζ — коэффициент затухания, определяемый нагрузкой, и s — переменная Лапласа.

2.2 Импеданс действительной части

Реальная часть ведет себя как идеальная часть с последовательно включенным резистором и последовательно включенной катушкой. Импеданс на заданной частоте равен:

Z_C(f) = ESR + j(2πf · ESL − 1/(2πf · C))

где ESR — последовательное сопротивление в Ом, ESL — последовательная индуктивность в нГн, C — емкость в пФ, f — частота в МГц, а Z_C — часть импеданса в Ом.

Два реактивных члена компенсируют друг друга в точке саморезонанса. Выше этой точки деталь ведет себя как катушка, поэтому она больше не шунтирует высокочастотный шум. Точку саморезонанса следует сместить значительно выше гармонического диапазона, на 5 МГц или выше для устройства с частотой 400 кГц.

2.3 Дополнительный столб и потеря запаса прочности

Частичные паразиты изменяют форму растения:

G_par(s) = G_0(s) · (1 + s·τ_esl) / (1 + s·τ_f)

где τ_esl — постоянная времени последовательной катушки в нс, определяемая как ESL, деленное на ESR, а τ_f — постоянная времени сенсорного фильтра в мкс.

Второй член добавляет фазовый сдвиг в точке пересечения. Потеря запаса по фазе составляет:

ΔPM ≈ −arctan(ω_gc · τ_esl) − arctan(ω_gc · τ_f)

где ω_gc — частота среза в рад/с, τ_esl — постоянная времени катушки в нс, τ_f — постоянная времени фильтра в мкс, а ΔPM — запас по потерям в градусах. При частоте среза 40 кГц общие потери составляют от 5° до 10°. Этого достаточно, чтобы превратить, казалось бы, стабильную конструкцию в кольцо.

2.4 Растение, которое постоянно движется

В ходе операции нагрузка на ткани изменяется, поэтому и оборудование изменяется вместе с ней. При резке нагрузка составляет от 200 до 500 Ом и может изменяться на 100 Ом/мс. При коагуляции нагрузка составляет от 800 до 2 кОм в более широком диапазоне. Потеря контакта приводит к размыканию цепи, и контур должен зафиксировать это в течение 10 мкс.

Резонансная точка и коэффициент демпфирования изменяются вместе с нагрузкой, поэтому одна фиксированная точка настройки не может охватить весь случай. Петля должна обеспечивать запас прочности при каждой нагрузке в диапазоне.

2.5 Шум и задержка

Токовые пробники поддерживают диапазон от 1 МГц до 5 МГц. Делители напряжения добавляют сдвиг на высоких частотах. Частота дискретизации должна соответствовать частоте Найквиста, то есть в 20 раз превышать частоту переключения или более. Цифровая обработка добавляет от 1 до 2 циклов задержки, что составляет от 2.5 до 5 мкс на частоте 400 кГц. Каждый из этих факторов уменьшает запас по амплитуде сигнала.

Рис. 1 — Запас по фазе уменьшается с 52 до 38 градусов при нагреве микросхемы X7R до 35 К, в то время как микросхема N4700 поддерживает температуру 51 градус и удерживает контур выше предела в 45 градусов.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Эта деталь отсутствует в модели завода.

Большинство команд моделируют деталь как идеальную во время настройки. В результате контроллер выглядит стабильным в симуляции и издает звон на плате, потому что реальная система имеет больший фазовый сдвиг. Добавляйте члены ESR и ESL с самого начала, даже если значения приблизительные.

Проблема 2: Перенос тепла изменяет состояние растения.

Корпус класса II может терять от 10% до 20% своей емкости при нагревании, что приводит к смещению резонансной точки на несколько процентов. В этом случае петля, настроенная при 25 °C, перестает соответствовать запасу прочности при рабочей температуре. В приведенном ниже примере показано падение запаса прочности с 52° до 38°.

Проблемный момент 3: Изменения режима работы происходят большими шагами.

Переход от режима резки к режиму коагуляции изменяет нагрузку в 5-10 раз. Петля должна реагировать быстро, без перерегулирования. Слишком малая полоса пропускания приводит к проседанию мощности; слишком большая — к появлению резонанса. Фиксированная точка настройки не может охватывать оба режима.

Проблема №4: Фильтры датчиков добавляют невидимый полюс

Фильтры сглаживания и шумоподавления на цепях напряжения и тока добавляют полюса. Модель, в которой они отсутствуют, показывает больший запас, чем имеется у платы. Добавьте каждый полюс фильтра в модель контура, прежде чем доверять полученному значению.

Болевой пункт 5: Терпимость нарушает симметрию.

В мостовом или двухтактном каскаде несовпадающие компоненты приводят к неравномерному распределению напряжения и неравномерному току. Этот неравномерный ток действует как возмущение в контуре и может вызвать образование замкнутого кольца. Согласуйте компоненты с разницей ΔC/C, равной 0.5%.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использование компонентов с низким ESL и высоким Q.

Корпус катушки поддерживает эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) ниже 5 нГн и добротность (Q) от 2000 до 5000 на частоте 400 кГц. Низкая ESL обрезает постоянную времени катушки, а высокая добротность (Q) обеспечивает резкую, воспроизводимую резонансную точку. Оба члена напрямую влияют на приведенную выше сумму запасов.

Стратегия 2: Выберите стабильный орган класса I.

A Диэлектрик класса I Например, материал N4700 выдерживает погрешность ±30 ppm/°C и стареет менее чем на 0.5% за десятилетие. Замена детали класса II на деталь класса I уменьшает вызванное нагревом смещение резонансной точки более чем на два порядка.

Стратегия 3: Моделируйте каждую часть цикла.

Создайте частотно-зависимую модель каждой детали на критическом пути. Используйте данные производителя или анализатор импеданса. Поместите эти модели в модель контура обратной связи и в проверку стабильности. Проверьте модель по измеренному импедансному сканированию, прежде чем утверждать ее.

Стратегия 4: Удерживайте кроссовер ниже f_sw / 10

Для мостовой схемы с частотой 400 кГц частота кроссовера должна быть ниже 40 кГц. Это обеспечит запас по задержке, вызванной паразитными эффектами компонентов, фильтрами датчиков и задержкой выборки. Более высокая частота кроссовера позволит увеличить скорость и использовать имеющийся запас.

Стратегия 5: Добавить блок опережения-отставания

Блок опережения-отставания увеличивает запас прочности вблизи точки пересечения:

C(s) = K · (s + z₁)(s + z₂) / ((s + p₁)(s + p₂))

где z₁ и z₂ — координаты нулей в рад/с, p₁ и p₂ — координаты полюсов в рад/с, K — коэффициент усиления блока, а C(s) — выходной сигнал компенсатора. Для опережающего режима нули располагаются ниже частоты среза, а полюса — выше неё, для высокочастотного спада. Типичный результат — запас от +15° до +25°.

Стратегия 6: Переключайте наборы настроек по режимам.

Определите режим работы и загрузите набор настроек, разработанный специально для него. Удерживайте изменение в пределах 1 мс, чтобы хирург не увидел скачка. Это лучше всего работает, когда детали стабильны, поскольку в этом случае большая часть смещения системы приходится на член, описывающий режим работы.

Стратегия 7: Сопоставляйте детали на симметричных этапах.

Для мостового или двухтактного каскада используйте согласованные комплекты с разницей ΔC/C не более 0.5%. Компания HVC сортирует компоненты и поставляет согласованные комплекты, поэтому распределение напряжения и тока остается равномерным. дверная ручка конденсаторы В этой серии рассматриваются резонансное и согласованное положения.

Стратегия 8: Проверка с помощью диаграммы Боде и ступенчатого теста.

Измерьте коэффициент усиления и фазу контура с помощью анализатора цепей. Проверьте запас прочности при малой, номинальной и полной нагрузке, а также при холодном пуске и в состоянии теплового равновесия. Затем проведите ступенчатый тест при изменении режима работы и при ступенчатом изменении нагрузки. В таблице ниже приведены справочные номера для этого класса.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (HVCHF-B серии).	15 кВ постоянного тока.	Высокотемпературный режим 1.5× в течение 60 с.
Емкость.	470 пФ ±5% (471).	1 МГц, 1 В среднеквадратичного значения.
ЭПР на частоте 1 МГц.	Сопротивление ниже 50 мОм.	Анализатор импеданса.
Индуктивность контура.	Ниже 8 нГн.	Расстояние между выводами 40 мм.
Сопротивление изоляции.	Сопротивление выше 10 ГОм.	500 В постоянного тока, 25 °C, 60% относительной влажности.
Диапазон температур.	от −40 °С до +125 °С.	Серия IEC 60068-2.
Пульс dv/dt.	При напряжении выше 50 кВ/мкс.	При номинальном напряжении.

5. Высоковольтные конденсаторы для обеспечения стабильности контура управления.

Компания HVC производит компоненты для трех чувствительных контуров: выходного фильтра, резонансного контура и делителя обратной связи. Все три компонента поставляются с завода площадью 6,000 м² в Дунгуане и работают в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Здесь важны шесть параметров.

• ESL ниже 5 нГн. Низкая последовательная индуктивность уменьшает постоянную времени катушки, поэтому добавляемый ею запас остается небольшим.
• Добротность Q составляет от 2000 до 5000 на частоте 400 кГц, в отличие от 200 до 800 у компонентов класса II. Резонансная точка остается четкой и воспроизводимой, поэтому собранный вами комплект для настройки будет работать даже после прогрева устройства.
• Коэффициент потерь составляет 0.1% или меньше на частоте 1 МГц. Низкие потери обеспечивают стабильное усиление петли и предотвращают нагрев элемента, в котором он находится.
• Коэффициент теплопередачи составляет ±30 ppm/°C, по сравнению с ±15% для тела класса II. Сдвиг резонансной точки, вызванный нагревом, уменьшается более чем на два порядка.
• Старение составляет менее 0.1% за десятилетие, поэтому настройка сохраняется на протяжении всего срока службы устройства. HVRGXP Измерительные резисторы в цепи измерения изнашиваются с одинаковой скоростью.
• Подборка компонентов моста с разницей ΔC/C не превышает 0.5%. Электрические характеристики компонентов HVC также соответствуют параметрам моста. Vishay Компоненты HVCC и KEMET с радиальными выводами, поэтому замена платы не требуется.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4-8 недель, а подобранные комплекты — в течение 6-10 недель. HVC предоставляет библиотеку моделей для LTspice и PSpice, проверенную по данным анализатора импеданса с точностью до 3%. Каскады демпфирования и выпрямления могут занимать более 3 недель. HVR-BSP градуировочные резисторы и HVC быстровосстанавливающийся диод частей.

Отправьте блок-схему контура, целевую частоту кроссовера, диапазон переключения и диапазон нагрузки. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит пакет данных по стабильности с номерами компонентов, данными ESL и Q на частоте 400 кГц, а также таблицу запаса для каждой позиции.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какую величину фазового запаса я теряю из-за паразитных эффектов?

От 5° до 10° при частоте кроссовера 40 кГц, исходя из постоянной времени катушки и постоянной времени фильтра датчика. Зачастую этого достаточно, чтобы перевести конструкцию, которая казалась стабильной, в кольцевой режим, поскольку петля с запасом в 45° падает ниже предела после добавления этих составляющих.

В2: Почему электрохирургический аппарат начинает колебаться только после прогрева?

Поскольку деталь класса II теряет от 10% до 20% своей стоимости при нагревании, резонансная точка смещается вместе с ней. Стоимость одного блока снизилась на 2.8%, резонансная точка сместилась на 1.4%, а запас прочности упал с 52° до 38° после 3-5 минут резки. Деталь класса I сохраняет свою стоимость, поэтому установка не перемещается.

В3: Где следует установить частоту кроссовера?

Ниже f_sw / 10. Для моста с частотой 400 кГц это означает менее 40 кГц. Паразитные параметры, фильтры датчиков и задержка выборки — все это создает запас в точке кроссовера, поэтому более быстрый контур расходует запас, которого у него нет.

Вопрос 4: Можно ли исправить неисправность детали с помощью блока опережения-запаздывания?

Нет. Это добавляет от 15° до 25° запаса вблизи точки пересечения, что помогает, но деталь все равно смещает установку по мере нагревания. Закрепите деталь и компенсатор вместе: стабильная деталь удерживает установку на месте, а компенсатор затем сохраняет запас.

В5: Как отследить событие потери контакта?

Следите за нагрузкой и реагируйте в течение 10 мкс. Потеря контакта приводит к разомкнутой цепи нагрузки, поэтому контур должен отключить питание до того, как выходное напряжение повысится. Добавьте эту проверку к тому же алгоритму, который отслеживает изменения режима работы.

В6: Что мне следует измерить, чтобы доказать устойчивость контура?

Диаграмма Боде при малой, номинальной и полной нагрузке, при холодном пуске и в состоянии теплового равновесия, а также ступенчатый тест при изменении режима работы. Запас по фазе должен быть выше 45° в каждой точке. Важным показателем является запас по фазе при полном нагреве и полной нагрузке.

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 60601-2-2:2019, Медицинское электрооборудование — Часть 2-2: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам высокочастотного хирургического оборудования.Женева: МЭК, 2019.
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. Б. Ван, Дж. Мэн и П. Чжао, Мониторинг состояния старения алюминиевых электролитических конденсаторов в преобразователях частотыIEEE Transactions on Power Electronics, том 37, № 4, стр. 4564-4574, 2022. https://doi.org/10.1109/tpel.2021.3121813
8. 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.
9. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
10. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com