Компенсация дрейфа резонансной частоты для широкого диапазона рентгеновского излучения

Компенсация дрейфа резонансной частоты для широкого диапазона рентгеновского излучения

Резюме

Медицинский рентгеновский генератор должен обеспечивать стабильное выходное напряжение от маммографии (40 кВ) до компьютерной томографии (140 кВ). Сопротивление трубки, отражающееся в первичном контуре, уменьшается с увеличением нагрузки, что приводит к смещению резонансной частоты и ухудшению пульсаций. В данной статье приводятся уравнения смещения нагрузки, три последующие задачи управления и пять шагов, охватывающих полосу пропускания ФАПЧ, проектирование конденсаторной матрицы и выбор компонентов.

1. Введение

Один рентгеновский генератор должен охватывать очень широкий диапазон. Маммография работает при 40 кВ и 100 мА для получения низкоэнергетических изображений. Обычная рентгенография грудной клетки работает при 80 кВ и 200 мА. Интервенционная цифровая субтракционная ангиография работает при 120 кВ и 800 мА в режиме непрерывной флюороскопии. Компьютерная томография работает при 120–140 кВ и пиковом токе 1000 мА в течение 0.25 с.

Диапазон напряжения на лампе составляет почти 4×, от 40 кВ до 150 кВ. Диапазон тока на лампе составляет два порядка величины, от 10 мА до 1000 мА. Генератор должен поддерживать стабильное выходное напряжение во всем этом диапазоне, а резонансный контур должен оставаться настроенным при изменении нагрузки.

Резонансный инвертор с фиксированной частотой плохо справляется с этой задачей. Отражённое сопротивление лампы изменяет эквивалентную резонансную частоту колебательного контура на ±5–10%. Привод, работающий на одной частоте, расстраивает колебательный контур: эффективность падает, пульсации на выходе увеличиваются, и окно переключения при нулевом напряжении закрывается.

Проблема решается двумя компенсационными слоями. Фазовая автоподстройка частоты отслеживает резонансную точку в реальном времени, а массив переключаемых конденсаторов перемещает колебательный контур с грубыми шагами. Оба метода зависят от качества компонентов. Конденсатор должен иметь низкий коэффициент диэлектрической проницаемости и низкий температурный коэффициент. Измерительный резистор должен иметь низкую индуктивность и жесткий допуск.

2. Основной механизм

2.1 Труба как нелинейная нагрузка

Рентгеновская трубка ведет себя как нелинейный резистор, и ее сопротивление уменьшается по мере увеличения тока в трубке. В установившемся режиме эквивалентное сопротивление определяется следующим образом:

R_X = V_tube² / P_tube

где R_X — эквивалентное сопротивление трубки, V_tube — напряжение трубки, а P_tube — мощность трубки. При 80 кВ и 16 кВт R_X составляет 400 кОм. При 120 кВ и 80 кВт R_X составляет 180 кОм. Таким образом, сопротивление нагрузки изменяется более чем в два раза в клиническом диапазоне.

Это сопротивление, передаваемое через повышающий трансформатор, появляется на первичном контуре в виде переменного резистора, соединенного параллельно с параллельно подключенным конденсатором. Оно изменяет как добротность Q, так и резонансную частоту контура.

2.2. Нагрузка на резонансную частоту

В LCC-преобразователе отраженное сопротивление нагрузки R_ac подключено параллельно параллельному конденсатору C_p. Эквивалентная резонансная частота становится следующей:

f_r' = f_r · √(1 − 1/(Q² · (1 + k)²))

где f_r' — резонансная частота под нагрузкой, f_r — резонансная частота без нагрузки, Q — добротность контура, а k — отношение параллельной и последовательной емкостей.

По мере увеличения нагрузки R_ac уменьшается, Q уменьшается, а f_r' приближается к f_r. Фазовая характеристика изменяется гораздо сильнее, чем частота, и именно это смещение нарушает условие ZVS.

Сама резонансная частота без нагрузки определяется компонентами резонансного контура:

f_r = 1 / (2π · √(L · C))

где L — полная последовательная резонансная индуктивность, а C — эффективная резонансная емкость.

2.3 Пример решения задачи DSA

Генератор на 120 кВ использует последовательную индуктивность 50 мкГн, последовательную емкость 47 нФ и параллельную емкость 10 нФ. Резонансная частота без нагрузки составляет около 100 кГц, а добротность Q — около 15. При флюороскопии при напряжении 120 кВ и токе 800 мА сопротивление трубки составляет 150 кОм, а отраженное сопротивление первичной обмотки — около 15 Ом. Добротность Q падает примерно до 3, а резонансная точка смещается примерно до 97 кГц.

Если частота возбуждения остается на уровне 100 кГц, отношение частоты возбуждения к резонансной частоте составляет 1.03. Сдвиг частоты составляет всего 3%, но фазовый угол изменяется от −30° до −60°. Потери на переключение возрастают примерно на 40%, а пульсации на выходе увеличиваются с 0.3% до 0.8%.

2.4 Почему слежения в разомкнутом контуре недостаточно

Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) находит точку пересечения резонансного тока с нулевой отметкой и регулирует частоту возбуждения при каждом цикле переключения. Это работает, пока резонансная точка остается неподвижной. В непрерывной флюороскопии DSA ток трубки изменяется без пауз, поэтому резонансная точка перемещается непрерывно, и медленная петля всегда отстает.

Трехуровневая архитектура устраняет этот пробел: быстрая ФАПЧ для отслеживания, цифровой ПИД-регулятор для повышения точности выходного сигнала и массив конденсаторов для грубого выбора полосы пропускания. Измерение тока устанавливает предел скорости ФАПЧ. Если резистор датчика имеет индуктивность 50 нГн, индуктивное сопротивление на частоте 100 кГц достигает десятков мОм и искажает дискретизированную форму сигнала. В этом случае контур фиксируется на неправильной фазе.

Рис. 1 — Частота колебаний колебательного контура изменяется со 105 кГц при малой нагрузке до 95 кГц при полном токе; сдвиг на 3% приводит к увеличению потерь при переключении на 40% и удваивает пульсации.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Цикл работает медленнее, чем переключение экспозиции.

В системе DSA оператор переключает режимы экспозиции каждые 1–3 секунды. Каждое переключение представляет собой шаг загрузки, и контур должен повторно заблокироваться в течение нескольких циклов переключения. Аналоговая ФАПЧ имеет полосу пропускания контура от 10 кГц до 20 кГц. Цифровая ФАПЧ добавляет задержку АЦП и время выполнения алгоритма, которые могут достигать десятков микросекунд.

Одной системе DSA требовалось около 15 циклов переключения, или 150 мкс, для повторной синхронизации после перехода от флюороскопии с напряжением 80 кВ и током 200 мА к ангиографии с напряжением 120 кВ и током 600 мА. Интервал команд составлял 50 мкс, поэтому первые 3 или 4 импульса выполнялись с отклонением напряжения более 5%.

Проблема 2: Отслеживание резонансной точки — это не то же самое, что поиск оптимальной точки.

Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) фиксируется на резонансной частоте текущей нагрузки, независимо от того, какая это частота. Паразитные эффекты трансформатора и конденсатора нелинейны в этом диапазоне частот, поэтому пик эффективности находится вблизи нескольких конкретных частот. В диапазоне от 80 кВ до 100 мА при малой нагрузке и от 120 кВ до 1000 мА при большой нагрузке резонансная частота смещается от 105 кГц до 95 кГц. Паразитные эффекты трансформатора приводят к тому, что добротность Q вблизи 95 кГц ниже, чем добротность Q вблизи 100 кГц. ФАПЧ может фиксироваться на частоте 95 кГц и при этом терять более 10% эффективности.

Проблема 3: Емкость конденсаторов влечет за собой дополнительные затраты на обеспечение надежности.

Управление массивом осуществляется с помощью высоковольтных реле или тиристоров, срабатывающих от света. Реле срабатывает медленно, от 10 до 100 мс, но имеет низкое сопротивление в открытом состоянии. Тиристор срабатывает менее чем за 1 мс, но увеличивает потери проводимости. В обоих случаях частое переключение приводит к износу, а массив DSA может переключаться десятки раз в минуту.

Емкость каждого каскада также должна быть согласована. Если один из каскадов неисправен, резонансная точка в точке переключения смещается слишком сильно, и контур управления не может стабилизироваться. Согласование каскадов — это разница между плавным переходом и видимым артефактом на изображении.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Создание быстродействующей цифровой ФАПЧ с прогнозированием нагрузки.

Произведите выборку резонансного тока с помощью АЦП с частотой 5 Мвыб/с или выше и запустите ФАПЧ на ПЛИС или DSP. Увеличьте полосу пропускания контура до 50 кГц или 100 кГц. Добавьте фильтр Калмана для прогнозирования тренда нагрузки и отрегулируйте частоту возбуждения до наступления скачка нагрузки. Используйте планарный измерительный резистор с индуктивностью менее 5 нГн, поскольку фазовая ошибка в дискретизированном сигнале смещает точку синхронизации.

Стратегия 2: Разделить параллельный конденсатор на переключаемые каскады.

Разделите общую параллельную емкость на два-четыре бинарных взвешенных каскада, например, 1 нФ, 2 нФ, 4 нФ и 8 нФ. Переключайте их с помощью реле с магнитной фиксацией, которые удерживают состояние с нулевой удерживающей мощностью и достигают 10⁷ механических циклов. Используйте последовательность «разрыв перед замыканием», чтобы два каскада никогда не проводили ток одновременно. Экранируйте каскады с точностью до ±2%, чтобы резонансная точка смещалась равномерными шагами.

Стратегия 3: Поддерживайте параметры конденсатора и резистора в диапазоне температур.

Каждый каскад антенной решетки должен отслеживать остальные. Диэлектрик первого класса, например, N4700 Емкость остается в пределах 0.35% в диапазоне температур от −30 °C до +85 °C с температурным коэффициентом ±30 ppm/°C. Коэффициент затухания сигнала (DF) остается ниже 0.1% в диапазоне частот от 20 кГц до 200 кГц, поэтому добротность (Q) остается высокой везде, где происходит ФАПЧ.

Измерительному резистору необходима собственная стабильность. При ±50 ppm/°C коэффициент чувствительности остается стабильным, в то время как часть резистора при ±200 ppm/°C изменяется на 1.7% при повышении температуры на 85 °C и увлекает за собой компенсацию ПИД-регулятора.

Стратегия 4: Оптимизация частоты, емкости и коэффициента заполнения одновременно.

Рассматривайте все три регулятора как одно пространство. Используйте выход ФАПЧ в качестве грубой настройки, массив конденсаторов — в качестве среднего шага, а коэффициент заполнения ШИМ — в качестве точной регулировки. Сохраните оптимальные комбинации для типичных настроек экспозиции, таких как 40 кВ и 100 мА, 80 кВ и 200 мА, 120 кВ и 800 мА, а также 140 кВ и 1000 мА. Таблица соответствия обеспечит быстрый старт, а регулировка ФАПЧ будет производиться исходя из этих параметров.

Стратегия 5: Добавить демпфер и зажим.

Установите демпфирующий резистор с защитным отключением (УЗО) на выходе инверторного моста для поглощения импульсных перенапряжений. Используйте толстопленочный резистор Рассчитан на импульсную мощность 10 Вт и более, в комплекте с низкопотерным высоковольтным конденсатором. Закрепите шину с помощью быстровосстанавливающийся высоковольтный диод которые отключаются менее чем за 50 нс. Эти компоненты защищают переключатели и резонансный конденсатор во время ступенчатых изменений нагрузки.

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 N4700 для широкого диапазона резонанса.

Для широкодиапазонного слежения необходимы конденсаторные каскады, поддерживающие синхронизацию, и тракт измерения, обеспечивающий безошибочное определение фазы. Компания HVC производит компоненты N4700 для первого типа и планарные резисторы для второго на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• TCC ±30 ppm/°C. Все каскады массива дрейфуют синхронно, поэтому резонансная точка сохраняется после переключения каскада, и контур управления не требует постоянной перенастройки.
• Коэффициент потерь ниже 0.1%. В диапазоне от 20 кГц до 200 кГц тангенс угла потерь остается ниже 0.1%, а добротность Q — выше 1000, поэтому КПД колебательного контура не снижается при отклонении ФАПЧ от номинальной частоты.
• Низкоиндуктивные измерительные резисторы. планарные резисторы HVRGHP При этом индуктивность должна быть ниже 5 нГн, допуск ±1%, а температурный коэффициент — ±50 ppm/°C, так что измеряемый ток сохраняет свою истинную фазу, а ПИД-регулятор остается в пределах ±0.5%.
• Частичная разрядность ниже 5 пКл при напряжении в 1.5–2 раза превышающем номинальное. Массив переключается тысячи раз, и низкая частичная разрядность предотвращает дальнейшее разрушение диэлектрика при каждом переключении.
• Варианты пакетов. Конденсатор дверной ручки HVCT8G Используется высоковольтная шина с винтовым креплением от M6 до M12, а серия с радиальными выводами охватывает массив с диаметром корпуса от 8 до 30 мм.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпуса. Vishay Используются генераторы HVCC, KEMET с радиальными выводами, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV, а также применяются в крупносерийном производстве медицинских генераторов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, подобранные по каскадам, — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в моделировании контура, настройке параметров ФАПЧ, согласовании массива и выборе демпфирующих цепей. Необходимо указать диапазон выходного напряжения и тока, полосу частот переключения и количество каскадов массива. HVC предоставит таблицу согласования каскадов с номерами компонентов и данными DF в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему резонансная частота изменяется при изменении тока в лампе?

Поскольку сопротивление лампы отражается в первичный контур параллельно параллельному конденсатору. При 80 кВ и 16 кВт сопротивление лампы составляет 400 кОм, а при 120 кВ и 80 кВт — 180 кОм. Более тяжелая нагрузка снижает добротность (Q), и эквивалентная резонансная частота приближается к значению без нагрузки, в то время как фазовый угол значительно смещается.

В2: Какое значение сдвига частоты допустимо?

Это зависит от запаса по фазе, а не только от частоты. В примере с напряжением 120 кВ резонансная точка сместилась всего на 3%, со 100 кГц до 97 кГц, но фазовый угол изменился с −30° до −60°. Потери при переключении возросли примерно на 40%, а пульсации увеличились с 0.3% до 0.8%. Отслеживайте фазу, а не только частоту.

В3: Почему бы не запускать ФАПЧ на одной фиксированной частоте для каждого сеанса съемки?

Поскольку резонансный контур расстраивается во всем диапазоне частот, ФАПЧ отслеживает резонансную точку текущей нагрузки, но пик эффективности находится вблизи нескольких конкретных частот, где паразитные параметры трансформатора и конденсатора ведут себя хорошо. Фиксация на частоте 95 кГц вместо 100 кГц может привести к снижению эффективности более чем на 10% даже при заблокированном контуре.

Вопрос 4: Сколько каскадов с коммутируемыми конденсаторами мне нужно?

Обычно диапазон рабочих частот в медицинском диапазоне охватывает от двух до четырех бинарных взвешенных каскадов, например, 1 нФ, 2 нФ, 4 нФ и 8 нФ. Каждый каскад обрабатывает одну подполосу, поэтому ФАПЧ нужно настраивать только в узком окне. Согласование каскадов должно производиться с точностью до ±2%, иначе резонансная точка на переключателе будет смещаться слишком сильно, и контур не сможет стабилизироваться.

В5: Что ограничивает индуктивность измерительного резистора?

Фазовая ошибка в измеренном токе. При 50 нГн индуктивное сопротивление на частоте 100 кГц достигает десятков мОм и искажает форму сигнала настолько, что смещает точку фиксации. Плоский резистор с индуктивностью менее 5 нГн делает это сопротивление пренебрежимо малым. Жесткий допуск и температурный коэффициент ±50 ppm/°C обеспечивают стабильность коэффициента чувствительности при нагревании корпуса.

В6: Как взаимодействуют конденсатор и контур управления?

Петля может отслеживать только неподвижную цель. Если емкость конденсатора изменяется с повышением температуры, резонансная точка смещается по причинам, которые петля не может отделить от изменения нагрузки. Емкость в пределах 0.35% в диапазоне температур от −30 °C до +85 °C и коэффициент затухания ниже 0.1% во всем диапазоне позволяют петле работать только при изменении нагрузки.

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. К. Ориа, А. Ортис, Д. Ферреньо, И. Карраскаль и И. Фернандес, Современный обзор характеристик целлюлозных диэлектрических материалов в силовых трансформаторах: механический отклик и старение.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 26, no. 3, pp. 939-954, 2019. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.007896
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. Высоковольтные керамические конденсаторы для силовой электроники, Х. Лавиль (Exxelia), техническая статья EE Power, https://eepower.com/technical-articles/high-voltage-ceramic-capacitors-for-power-electronics/.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com