Буферные конденсаторы N4700 для питания мобильных компьютерных томографов.

Буферные конденсаторы N4700 для питания мобильных компьютерных томографов.

Резюме

Мобильный трансформатор тока работает от автомобильного генератора, аккумуляторной батареи или берегового источника питания, и ни один из этих источников не ведет себя так же, как больничная сеть. Колебания напряжения составляют ±10%, частоты — ±2 Гц, а искажения — от 5% до 15%. В этой статье представлен энергетический баланс высоковольтной буферной батареи, предел эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), обеспечивающий ее охлаждение, и шесть этапов проектирования, позволяющих удерживать шину трансформатора тока в пределах 5% во время изменения нагрузки.

1. Введение

Мобильный компьютерный томограф позволяет проводить визуализацию инсульта непосредственно у пациента. Аппарат работает от автомобильного дизель-генератора, аккумуляторной батареи или от сети электропитания, и ни один из этих источников не ведет себя так же, как больничная электросеть. Колебания напряжения составляют ±10%, колебания частоты — ±2 Гц, а общие гармонические искажения — от 5% до 15%. В больничной электросети этот показатель ниже 3%.

Генератор высокого напряжения КТ потребляет большой скачок тока при запуске трубки. Этот скачок вызывает падение напряжения на импедансе источника генератора, и шина постоянного тока проседает на десятки миллисекунд. В мобильном блоке, работающем в области плато, напряжение при запуске упало с 380 В до 290 В, что вызвало срабатывание защиты и завершило сканирование.

Буферный блок высокого напряжения компенсирует это провисание. Он высвобождает накопленную энергию, когда источник не может обеспечить нагрузку, и поглощает энергию, когда нагрузка падает. Компания HVC принимала участие в разработке нескольких мобильных силовых модулей трансформаторов тока и обнаружила, что емкость буфера и эквивалентное последовательное сопротивление буфера определяют вероятность успешного сканирования при питании транспортного средства.

В данной статье представлена ​​модель возмущения мощности транспортного средства, энергетический баланс буферного блока, тепловой предел ESR и шесть этапов проектирования мобильного компьютерного томографа.

2. Основной механизм

2.1 Модель возмущения от источника транспортного средства

Дизель-генератор или инверторный источник питания выступает в качестве источника напряжения с внутренним импедансом, а также гармониками и провалом напряжения:

V_grid(t) = V_nom · sin(2π f_0 t) + Σ V_h · sin(2π h f_0 t + φ_h) + V_sag(t)

где V_nom — номинальная амплитуда в В, f_0 — основная частота в Гц, V_h — амплитуда h-й гармоники в В, φ_h — её фазовый угол, а V_sag(t) — член прогиба в В.

Генератор транспортного средства работает с уровнем гармонических искажений от 5% до 15%, в то время как в больничных сетях этот показатель ниже 3%. Более высокие искажения достигают контура управления инвертора и смещают выходное напряжение в киловольтах от заданного значения.

2.2 Энергетический баланс буферного банка

Накопленная в батарее энергия определяется ее емкостью и напряжением на шине:

E_C = ½ · C · V²

где C — емкость аккумуляторной батареи в мкФ, V — напряжение шины в кВ, а E_C — запасенная энергия в Дж.

Когда скорость шины падает с V_max до V_min, блок высвобождает полезную часть этой энергии:

ΔE = ½ · C · (V_max² − V_min²)

где V_max — напряжение верхней шины в кВ, V_min — напряжение нижней шины в кВ, а ΔE — выделяемая энергия в Дж.

Падение на 5% устанавливает V_min на уровне 0.95·V_max, поэтому высвобождаемая энергия становится 0.0975·C·V_max². Таким образом, батарея емкостью 10 мкФ на шине 10 кВ высвобождает 97.5 Дж. Для одного сканирования требуется около 50 Дж, и батарея покрывает это самостоятельно.

2.3 ЭПР и пульсационный нагрев

Пульсирующий ток, протекающий через аккумуляторную батарею, выделяет тепло в эквивалентном последовательном сопротивлении:

P_heat = I_rms² · ESR

где I_rms — пульсация тока в А, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в Ом, а P_heat — потери в Вт.

При пульсирующем токе 5 А и эквивалентном последовательном сопротивлении 0.1 Ом потери составляют 2.5 Вт, а повышение температуры происходит следующим образом:

ΔT = P_heat · R_th

где R_th — тепловое сопротивление в °C/Вт, а ΔT — повышение температуры в °C.

При R_th = 30 °C/Вт повышение температуры достигает 75 °C, что значительно выходит за пределы безопасного диапазона для керамической детали в герметичном корпусе. Первым параметром, который необходимо определить, является ESR.

Рис. 1 — Буферный блок емкостью 10 мкФ и напряжением 10 кВ высвобождает 97.5 Дж и удерживает напряжение на шине в пределах 5% при провале напряжения источника питания транспортного средства на пуске трансформатора тока.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Мощность генератора рассчитана на постоянную нагрузку.

Генераторы для транспортных средств обычно проектируются с мощностью, в 1.2–1.5 раза превышающей номинальную мощность трансформатора тока, а пусковой ток высоковольтного генератора достигает 3–5 раз большей мощности, чем ток в установившемся режиме. Предварительный нагрев трубки, вращение анода и установление напряжения совпадают по времени. Затем выходное напряжение генератора падает, и высоковольтный генератор срабатывает в защитном режиме. В энергоблоке, расположенном на плато, напряжение при запуске упало с 380 В до 290 В, поскольку первоначальный буферный блок был слишком мал для размещения шины.

Проблема 2: Гармоники изменяют индекс дозы.

Гармоники, возникающие в результате работы транспортного средства, достигают контура управления инвертором и сдвигают выходное напряжение в кВ. При изменении входного сигнала на ±10% медленный член прямой связи оставляет на выходе от ±3% до ±5%, и индекс CTDIvol перемещается вместе с ним. Изменение дозы нарушает согласованность изображения и добавляет систематическую ошибку к последующим сравнениям. Гармонический ток также достигает тактового генератора выборки детектора, где он повышает уровень шума изображения.

Проблема №3: ​​Ограничения по площади и массе банка

Мобильный компьютерный томограф имеет жесткое ограничение по объему, и вся машина должна оставаться в пределах допустимой массы шасси. Увеличение емкости улучшает буфер и приводит к увеличению массы и объема. Электролитические ячейки накапливают больше энергии на литр, но срок их службы сокращается с повышением температуры, а электролит может протекать. Керамический аккумуляторный блок обладает большей емкостью и сроком службы, но требует большего объема для хранения той же энергии.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Добавить входной фильтр и буферный блок.

Установите активный фильтр мощности или буфер ИБП между генератором и высоковольтным генератором. Активный фильтр компенсирует гармонические колебания тока в реальном времени и снижает искажения до уровня ниже 3%. Модуль ИБП или суперконденсатора компенсирует просадки напряжения. Рассчитывайте его мощность с учетом наихудшего сценария дефицита энергии:

E_buffer ≥ P_CT · t_sag_max

где P_CT — пиковая мощность трансформатора тока в кВт, t_sag_max — максимальная величина просадки напряжения в мс, а E_buffer — энергия буфера в Дж. Типичному мобильному трансформатору тока требуется 5 кДж или более.

Стратегия 2: Разделить буфер на два этапа.

На первом этапе устанавливаются большие пленочные или электролитические ячейки, которые компенсируют провисание на низких частотах. На втором этапе устанавливается N4700. массив керамических дисков и покрывает высокочастотные пульсации и переходные скачки. Разделите два каскада индуктором с низким эквивалентным уровнем звукового давления (ESL). Выберите второй каскад с номинальным напряжением, в 1.5 раза превышающим пиковое значение шины, коэффициентом демпфирования (DF) ниже 0.1% на частоте 1 кГц и коэффициентом частичного разряда (PD) ниже 5 пКл.

Стратегия 3: Закрепить массив на корпусе и обеспечить ему путь для отвода тепла.

Мобильный компьютерный томограф подвергается постоянной вибрации и воздействию дорожного покрытия, поэтому массиву требуется механическая фиксация и конструкция для демпфирования. Установите конденсаторы на металлические кронштейны, соедините их со стенкой корпуса с помощью теплопроводящих прокладок и используйте корпус в качестве радиатора. Тепловое моделирование должно показать, что температура в зоне перегрева составляет менее 80% от максимально допустимой номинальной температуры. Убедитесь, что выводы и паяные соединения не подвержены изгибающим напряжениям, и герметизируйте сборку в местах наибольшей вибрации.

Стратегия 4: Подача входного напряжения в прямом направлении.

Отслеживайте входное напряжение V_in в контуре управления и добавляйте его в расчет коэффициента заполнения в качестве опережающего члена:

D = D_0 + k_ff · (V_nom − V_in) / V_nom

где D — фактический коэффициент заполнения, D_0 — номинальный коэффициент заполнения, k_ff — коэффициент прямой связи, V_nom — номинальный входной сигнал в В, а V_in — измеренный входной сигнал в В.

Быстродействующий прямой вывод уменьшает влияние колебаний входного сигнала на выходное напряжение более чем на 60%. Используйте также конденсатор N4700 в делителе обратной связи, чтобы замкнутая цепь считывала истинное напряжение шины.

Стратегия 5: Написать тест на приемку мощности транспортного средства.

Перед поставкой протестируйте устройство на симуляторе электропитания автомобиля. Важны четыре сценария: просадка напряжения на 20% в течение 100 мс, гармоническая инжекция с искажением 10%, размах частоты ±2 Гц и холодный запуск с подключенной нагрузкой от лампы. Зарегистрируйте стабильность напряжения, уровень шума изображения и количество срабатываний защиты. Поддерживайте стабильность напряжения в пределах ±1%, изменение уровня шума в пределах 5% и не допускайте ложных срабатываний.

Стратегия 6: Замена электролитических ячеек на критическом этапе.

Керамическая матрица не содержит электролита, поэтому она не может высохнуть, и её ёмкость не уменьшается со временем. Она также выдерживает вибрацию и удары без монтажной клетки. Используйте керамическую матрицу на этапе, где проходит импульсный ток, и размещайте электролитические ячейки только там, где плотность энергии оправдывает себя. Пленочные конденсаторы охватывают этап больших емкостей, где ESR имеет наименьшее значение.

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 проектирования буфера мобильного трансформатора тока.

Буферный блок должен быстро передавать энергию и оставаться холодным. Эту задачу выполняют два параметра конденсатора: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) на частоте пульсаций и стабильность емкости в диапазоне температур корпуса. Компания HVC производит компоненты класса I 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.

• Пиковый импульсный ток достигает сотен ампер. Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESL) позволяют аккумуляторной батарее поглощать переходные процессы, вызванные работой автомобиля, и пульсации при переключении генератора.
• Диапазон рабочих температур: от −55 °C до +125 °C. Диэлектрическая проницаемость сохраняет свои значения в этом диапазоне, поэтому глубина буфера одинакова как при холодном запуске, так и в нагретом корпусе.
• Отсутствие электролита. Расчетный срок службы превышает 15 лет, что исключает возможность выхода из строя из-за высыхания, характерную для электролитических батарей.
• Коэффициент потерь ниже 0.05%, а коэффициент разряда ниже 5 пКл. Низкие потери обеспечивают незначительное повышение температуры при непрерывном пульсирующем токе.
• Координированные компоненты. резисторы выборки HVRGXP, HVR-BSP толстопленочные резисторы и быстровосстанавливающиеся выпрямительные диоды Поскольку они происходят из одной линии, то входная фильтрация, буферизация энергии и выходное напряжение совпадают.
• Перекрестные ссылки и упаковка. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Мурата DHS/DHR и Вишай HVCC, и Серия винтовых клемм HVCT8G обеспечивает низкоиндуктивное крепление, необходимое для буферной матрицы.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а изготовленные на заказ буферные массивы — в течение 6–10 недель, по сравнению с 20–30 неделями для указанных выше брендов. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в расчете дефицита энергии, моделировании буферных сетей и проверке взаимодействия автомобиля с окружающей средой.

Отправьте номинальные параметры генератора, профиль просадки напряжения, напряжение на шине и объем шкафа. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист согласования буферов с номерами деталей, данными ESR на частоте пульсаций и комплектом для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какая емкость буфера необходима для мобильного компьютерного томографа?

Размер емкости определяется исходя из дефицита энергии. Целевое значение емкости само по себе не говорит о том, выдержит ли батарея просадку напряжения. E_buffer ≥ P_CT · t_sag_max показывает энергию, которую поглощает просадка напряжения, а ΔE = ½·C·(V_max² − V_min²) преобразует эту энергию в емкость. Падение напряжения на шине на 5% дает ΔE = 0.0975·C·V_max². Для шины 10 кВ и дефицита 50 Дж 10 мкФ покрывают одно сканирование.

В2: Почему в данном случае эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) важнее емкости?

Поскольку ESR определяет повышение температуры, а батарея находится внутри герметичного корпуса, P_heat = I_rms² · ESR при пульсирующем токе 5 А и сопротивлении 0.1 Ом дает 2.5 Вт, а ΔT = P_heat · R_th при 30 °C/Вт превращает эти потери в повышение температуры на 75 °C. Батарея, которая сильно нагревается, со временем теряет емкость и увеличивает ESR. Необходимо поддерживать ESR на минимально возможном уровне, допустимом конструкцией.

Вопрос 3: Может ли аккумуляторная батарея заменить батарею буферных конденсаторов?

Это невозможно. Батарея компенсирует просадку напряжения, длящуюся секунды, а буфер компенсирует динамическую составляющую скачка нагрузки. Конденсаторная батарея реагирует за микросекунды и подает импульсный ток, который батарея не может обеспечить. Эти два элемента работают в разных временных масштабах, поэтому в конструкции системы питания транспортного средства обычно используются оба.

Вопрос 4: Какого результата достигает член прямой связи?

Это устраняет влияние колебаний входного сигнала до того, как замкнутая система отреагирует. D = D_0 + k_ff·(V_nom − V_in)/V_nom регулирует коэффициент заполнения в том же цикле переключения, в котором изменяется входной сигнал. Быстрый член прямой связи уменьшает ошибку в кВ, вызванную колебаниями входного сигнала, более чем на 60%, а остаточная ошибка в контуре становится небольшой.

Вопрос 5: Какие тесты необходимо провести перед поставкой?

Четыре варианта мощности двигателя: просадка напряжения на 20% в течение 100 мс, гармоническая инжекция с искажением 10%, размах частоты ±2 Гц и холодный запуск с подключенной нагрузкой на трубу. Контролируйте стабильность напряжения, уровень шума изображения и срабатывание защиты. Поддерживайте стабильность напряжения в пределах ±1%, изменение уровня шума в пределах 5% и не допускайте ложных срабатываний.

Вопрос 6: Как керамические элементы справляются с вибрацией от дорожного покрытия?

Лучше, чем электролитические ячейки, потому что нет жидкости, которая могла бы плескаться, и нет уплотнения, которое могло бы изнашиваться. Установите массив на металлические кронштейны и соедините его со стенкой шкафа с помощью теплопроводящих прокладок, чтобы шкаф принимал на себя как массовую нагрузку, так и тепло. Залейте сборку в местах наибольшей вибрации и обеспечьте защиту выводов от изгибающих напряжений.

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. Технические заметки по проектированию и надежности конденсаторов (указатель, включая информацию о периоде возникновения дуги, коронном разряде и влиянии компоновки печатной платы на отказы при высоком напряжении), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
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. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com