Самонагрев резонансного конденсатора и дрейф выходного напряжения в рентгеновских генераторах

Самонагрев резонансного конденсатора и дрейф выходного напряжения в рентгеновских генераторах

Резюме

В медицинских рентгеновских генераторах выполняются длительные последовательности экспозиций, и резонансный конденсатор в контуре нагревается, пропуская пульсирующий ток. Емкость изменяется с температурой, резонансная точка смещается, и выходное напряжение изменяется вместе с ней. В этой статье приводятся уравнения дрейфа, три типа отказов в полевых условиях и этапы проектирования, обеспечивающие точность выходного сигнала: выбор диэлектрика, тепловая схема и частотная компенсация.

1. Введение

Недавно установленный рентгеновский генератор удерживает заданное значение напряжения (кВ). После нескольких месяцев непрерывного облучения высокими дозами тот же прибор отклоняется от заданного значения, и на изображениях появляются полосовые артефакты. Инверторная петля, делитель напряжения и цепь обратной связи нити накала проходят проверку в пределах допустимых значений.

Дрейф начинается в резонансном контуре. Высоковольтный керамический конденсатор изменяет свою емкость в зависимости от температуры, и резонансная частота определяется этой емкостью. Нагретый конденсатор расстраивает контур, коэффициент усиления преобразователя изменяется, и выходное напряжение в киловольтах следует за изменением емкости.

Высококачественные системы визуализации требуют точности по напряжению лучше ±1% и пульсаций ниже 0.5%. Несколько процентов дрейфа резонансной частоты снижают качество изображения ниже клинического предела. Стабильность выходного сигнала в значительной степени определяется температурными характеристиками керамического конденсатора контура.

В данной статье рассматривается путь от самонагрева до дрейфа выходного сигнала. Приводятся уравнения дрейфа, три типа отказов в полевых условиях и этапы проектирования, ограничивающие проблему: выбор диэлектрика, тепловая схема и частотная компенсация в контуре управления.

2. Основной механизм

2.1 Резонансная частота и дрейф емкости

Резонансный преобразователь LCC устанавливает свою резонансную частоту на основе последовательной индуктивности L_r и эквивалентной резонансной емкости C_eq:

f_r = 1 / (2π · √(L_r · C_eq))

где f_r — резонансная частота, L_r — последовательная резонансная индуктивность, а C_eq — эквивалентная резонансная емкость. В LCC-контуре C_eq формируется из последовательно соединенного конденсатора C_s и параллельно соединенного конденсатора C_p.

Частота обратно пропорциональна квадратному корню из емкости. Следовательно, изменение емкости сдвигает резонансную точку примерно на половину ее величины:

Δf_r/f_r ≈ −½ · ΔC/C = −½ · TCC · ΔT

где TCC — температурный коэффициент в ppm/°C, а ΔT — повышение температуры керамического тела. Диэлектрик класса II с TCC −15% при повышении температуры на 50 °C теряет 7.5% своей емкости и сдвигает f_r на 3.8%.

2.2 Изменение коэффициента усиления при фиксированной частоте возбуждения

При фиксированной частоте возбуждения f_s, сдвиг f_r изменяет отношение f_s/f_r, а вместе с ним и коэффициент усиления по напряжению M резонансного контура:

M = |V_out / V_in| ≈ 1 / √[(1 − (f_s/f_r)²)² + (1/Q · (f_s/f_r) · ((f_s/f_r)² − 1))²]

где V_out — выходное напряжение, V_in — входное напряжение, f_s — частота возбуждения, f_r — резонансная частота, а Q — добротность колебательного контура.

При f_r = 100 кГц, L_r = 50 мкГн, C_eq = 50 нФ и Q ≈ 5, сдвиг f_r на 3.8% изменяет коэффициент усиления на частоте 100 кГц на 5–8%. Выходное напряжение изменяется на тот же процент, поскольку кривая усиления крутая вблизи резонанса.

2.3 Мощность самонагрева и коэффициент рассеивания

Конденсатор нагревается за счет своего эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). На высоких частотах мощность нагрева пропорциональна коэффициенту рассеяния:

P_heat = 2π · f · C · V² · DF

где f — рабочая частота, C — емкость, V — среднеквадратичное напряжение на компоненте, а DF — коэффициент рассеяния. Произведение 2π·f·C·V² — реактивная мощность; DF показывает долю, теряемую в виде тепла.

При частоте 100 кГц, емкости 10 нФ и напряжении 1 кВ микросхема X7R с коэффициентом диэлектрической проницаемости ≈ 2.5% рассеивает около 157 мВт. Микросхема N4700 с коэффициентом диэлектрической проницаемости ≈ 0.05% рассеивает около 3.1 мВт. При одинаковом пульсирующем токе и одинаковых условиях монтажа разница в тепловыделении составляет 50 раз.

2.4 Температурный градиент внутри тела

Тепло отходит от керамического диска через его поверхность, поэтому сердечник нагревается сильнее, чем корпус. В контуре с высоким пульсирующим током сердечник высоковольтного элемента класса II может нагреваться на 20–40 °C выше температуры корпуса. Диэлектрик сердечника испытывает температуру, которую датчик корпуса никогда не регистрирует.

Рис. 1 — X7R теряет 15% емкости при повышении температуры на 50 °C и смещает бак на 3.8%; N4700 остается в пределах 0.18% при повышении температуры на 60 °C.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Постепенное изменение напряжения (кВ) при длительной экспозиции.

При проведении компьютерной томографии (КТ) или цифровой субтракционной ангиографии (ЦСА) выполняется от десятков до сотен снимков подряд. С каждым снимком корпус конденсатора нагревается, емкость увеличивается, а показания напряжения отклоняются от заданного значения на 2–5%. Однако на ранних этапах последовательности точность все еще приемлема.

В одном КТ-сканере с 256 срезами дрейф напряжения после 300 секунд непрерывного сканирования достиг 3.2%, что превышает клинический предел ±2%. Распределение дозы облучения пациента по области сканирования стало неравномерным, и вторая половина последовательности отличалась от первой.

Проблема 2: Холодное и горячее состояния различаются при одной и той же заданной точке.

В операционной или в условиях тропического климата температура окружающей среды составляет от 35 до 40 °C. При холодном запуске конденсатор контура находится при температуре окружающей среды с номинальной емкостью. После прогрева происходит самонагрев за счет воздействия окружающей среды, и деталь достигает температуры от 80 до 100 °C.

В этом случае два состояния ведут себя по-разному. В микросхеме X7R емкость изменяется на 12% при повышении температуры на 80 °C, что соответствует сдвигу f_r на 6%. В микросхеме N4700 изменение составляет 0.12% при том же повышении температуры. Инженеры настраивают компенсацию дважды, по одному разу для каждого состояния.

Проблемный момент 3: Высокий коэффициент декомпрессии приводит к тепловому разгону контура.

Керамика класса II теряет больше вещества при нагреве. Для сплава X7R коэффициент теплопередачи (DF) составляет от 1% до 2.5% при 25 °C и от 4% до 6% при 85 °C. Более высокий коэффициент теплопередачи означает более высокое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), что означает большее количество тепла, а значит, и еще более высокую температуру.

Контур питается сам по себе. В крайнем случае, сердечник проходит точку Кюри за считанные секунды, емкость рушится, точка резонанса смещается, и защита от перенапряжения отключает генератор. В жарком климате обратные напряжения возбуждения возрастают именно по этой причине.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диэлектрик класса I и управляйте термоэлектрическим покрытием.

Керамика I класса, например N4700 Измеряет удельную емкость с точностью ±30 ppm/°C, что на три порядка лучше, чем у X7R (±15%) и Y5V (±22%/−82%). При повышении температуры на 50 °C емкость изменяется примерно на 0.15%, а f_r — примерно на 0.075%, что незначительно по сравнению с целевой точностью ±1%.

Диапазон рабочего напряжения составляет от 1 кВ до 150 кВ, поэтому одно и то же семейство диэлектриков подходит как для динамического резонатора, так и для высококачественного трансформатора тока.

Стратегия 2: Управление DF для контроля самонагрева.

Коэффициент DF напрямую определяет мощность нагрева. Деталь класса I с коэффициентом DF ниже 0.1% выделяет в 25 раз меньше тепла, чем деталь X7R с коэффициентом DF 2.5%, поэтому повышение температуры при том же пульсирующем токе намного меньше, и замкнутый контур никогда не запускается.

Указывайте коэффициент диэлектрической проницаемости (DF) ниже 0.1% на фактической рабочей частоте, а не на 1 кГц. В технических характеристиках конденсаторов часто указывается коэффициент диэлектрической проницаемости на низких частотах, где любой диэлектрик выглядит хорошо.

Стратегия 3: Исправить тепловую схему.

Разместите резонансный конденсатор вдали от силовых полупроводников, трансформатора и выпрямительного блока. Установите его в вентилируемой части корпуса или на поверхности радиатора.

Для мощных трансформаторов тока добавьте термопрокладку или алюминиевый рассеиватель в месте крепления и поддерживайте температуру корпуса ниже 60 °C. Не размещайте несколько резонансных конденсаторов вплотную друг к другу, так как это приведет к накоплению тепла и образованию локальной зоны перегрева.

Стратегия 4: Компенсация частоты возбуждения за счет температуры конденсатора.

Контролируйте температуру корпуса с помощью терморезистора NTC и корректируйте частоту управления в реальном времени, чтобы инвертор оставался близким к фактической резонансной точке по мере нагревания контура. Составьте таблицу компенсации на основе измеренных данных при нескольких температурах.

Используйте Низкоиндуктивные резисторы выборки HVRGHP в делителе, подающем питание на сеть терморезисторов. Стабильная цепочка датчиков предотвращает добавление собственного дрейфа в результате компенсации.

Стратегия 5: Снизить напряжение и добавить запас.

Увеличьте номинальное напряжение конденсатора в 1.5–2 раза, чтобы компенсировать потерю запаса изоляции при повышенной температуре. Для критически важных каналов подключите два конденсатора параллельно, чтобы устройство могло продолжать работать при пониженной мощности после обрыва одной из частей.

Стратегия 6: Игнорировать танка и сбалансировать состав группы.

Установите RC-демпфер параллельно резонансному конденсатору. Используйте HVR-BSP демпфирующие резисторы для низкой индуктивности и высокой мощности импульса, а также HVCT9G радиально-выводная часть с низким коэффициентом DF и высокой устойчивостью к dV/dt для демпфирующего конденсатора.

В последовательной схеме добавьте планарные резисторы HVRGFP сопротивлением от 100 МОм до 1 ГОм с допуском ±1% на каждом конденсаторе, чтобы статическое напряжение распределялось равномерно и ни один отдельный элемент не нес всю нагрузку.

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 резонансного контура.

Два параметра конденсатора определяют предельный дрейф емкости контура: количество тепла, выделяемого компонентом на частоте переключения, и то, насколько мало изменяется емкость при нагреве. Компания HVC производит компоненты N4700 для обоих параметров на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• TCC ±30 ppm/°C. Емкость сохраняется во всем рабочем диапазоне, поэтому резонансная точка остается неизменной по мере нагревания устройства, и точность измерения напряжения не снижается при длительной экспозиции.
• Коэффициент затухания ниже 0.1% при частоте выше 100 кГц. Мощность самонагрева снижается в 25 раз по сравнению с X7R при том же пульсирующем токе, внутренний нагрев остается в диапазоне от 10 °C до 15 °C, и контур зависимости коэффициента затухания от температуры никогда не замыкается.
• Показатель эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) находится в диапазоне миллиом. При ESR ниже 50 мОм на частоте 1 МГц потери остаются в диапазоне милливатт, а температура корпуса в термостатируемой ванне не превышает 60 °C.
• Частичные разряды ниже 5 пКл при напряжении в 1.5–2 раза превышающем номинальное. Удаление пузырьков воздуха с помощью вакуума и эпоксидное формование поддерживают низкий уровень частичных разрядов, поэтому термические циклы не приводят к образованию электрических древовидных структур внутри керамики.
• Скоординированные компоненты. Быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды, HVR-BSP Для выпрямителя, демпфирующей цепи и балансировочной сети можно выбрать трубчатые демпфирующие резисторы BOP и планарные балансировочные резисторы HVRGFP вместе с конденсаторами контура.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и показателям надежности. Vishay Используются генераторы высокого напряжения HVCC, KEMET с радиальными выводами, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV, а также применяются в крупносерийном производстве генераторов высокого напряжения для OEM-производителей медицинского оборудования, входящих в список Fortune 500.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты демпфирования и согласования, изготовленные на заказ, — 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 выборе конденсаторов для контура, моделировании самонагрева, анализе тепловой схемы и составлении таблиц частотной компенсации.

Укажите частоту переключения, пульсационный ток, емкость контура, температуру окружающей среды и чертеж корпуса. Компания HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист подбора конденсаторов с номерами деталей, данными DF и ESR на рабочей частоте, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему выходное напряжение (кВ) изменяется во время длительной экспозиции?

Поскольку резонансный конденсатор нагревается, пропуская пульсирующий ток, и его емкость изменяется с температурой, резонансная частота следует за емкостью по формуле Δf_r/f_r ≈ −½ · TCC · ΔT, поэтому повышение температуры на 50 °C для элемента класса II с допуском −15% смещает резонансную точку на 3.8%. Коэффициент усиления контура изменяется вместе с этим, и выходное напряжение дрейфует на 5–8%.

Вопрос 2: Какое повышение температуры конденсатора является допустимым?

Поддерживайте внутреннее повышение температуры ниже 15 °C при полном пульсирующем токе и не допускайте повышения температуры корпуса ниже 60 °C. Диэлектрик класса I поддерживает температурный коэффициент теплового расширения на уровне ±30 ppm/°C, поэтому повышение температуры на 15 °C обходится всего примерно в 0.045% емкости и практически не влияет на резонансную точку.

В3: Может ли контур управления компенсировать самонагрев?

Частично. Коррекция частоты на основе температуры поддерживает инвертор вблизи фактической резонансной точки, а терморезистор NTC на корпусе обеспечивает входной сигнал. Но если компонент продолжает терять емкость по мере нагрева, контур следит за постоянно движущейся целью. Выбор диэлектрика и проектирование системы управления должны быть взаимосвязаны.

В4: Почему значение DF важнее значения емкости?

Поскольку DF определяет тепловыделение, а тепловыделение определяет дрейф. Мощность самонагрева определяется формулой P_heat = 2π · f · C · V² · DF, поэтому микросхема X7R с DF 2.5% выдает 157 мВт, тогда как микросхема N4700 с DF 0.05% выдает 3.1 мВт. Более высокая точность достигается при меньшем тангенсе угла потерь до изменения емкости.

В5: Как следует закрепить резонансный конденсатор, чтобы он не перегревался?

Держите его подальше от выключателей, трансформатора и выпрямительного блока. Разместите его в вентилируемой части корпуса или у радиатора, добавьте термопрокладку для мощных трансформаторов тока и оставьте зазор между соседними конденсаторами контура, чтобы тепло не накапливалось в локальной точке перегрева.

В6: Что происходит, когда конденсатор достигает теплового пробоя?

Диэлектрическая проницаемость (DF) возрастает с температурой, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) возрастает с DF, а потери возрастают с ESR, поэтому петля самоусиливается. В крайнем случае, сердечник проходит точку Кюри за считанные секунды, емкость рушится, точка резонанса смещается, и срабатывает защита от перенапряжения. Диэлектрик класса I с DF ниже 0.1% устраняет петлю в источнике.

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. 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
8. 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
9. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
10. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com