Нагрев за счет пульсаций тока в конденсаторах градиентного постоянного тока в МРТ-аппарате

Нагрев за счет пульсаций тока в конденсаторах градиентного постоянного тока в МРТ-аппарате

Резюме

Градиентные усилители МРТ подают в катушку импульсы с амплитудой в килоампер, а конденсатор DC-Link передает пульсации. Измеренные среднеквадратичные пульсации на конденсатор достигают 200–400 А, что в пять-десять раз превышает уровень пульсаций в источнике питания КТ. В этой статье приводятся уравнения самонагрева, срока службы и частичного разряда, четыре пути отказа, а также конструкция блока и системы охлаждения, которая удерживает температуру в зоне перегрева ниже 95 °C.

1. Введение

Градиентный усилитель МРТ на 3 или 7 Тл подает в катушку пиковые токи выше 1000 А в течение миллисекунды. Конденсатор шины постоянного тока передает этот импульс. Он также поглощает высокочастотные пульсации, которые SiC MOSFET-транзисторы передают обратно в шину.

Пульсации являются определяющим фактором при проектировании. При типичной последовательности градиентов один конденсатор звена постоянного тока пропускает 200–400 А среднеквадратичного значения. Высоковольтный источник питания с трансформатором тока потребляет от одной пятой до одной десятой от этого значения. Ток протекает через эквивалентное последовательное сопротивление компонента и преобразуется в тепло.

Данные, полученные от ведущих производителей МРТ-оборудования, связывают около 38% незапланированных простоев градиентного модуля с термической деградацией конденсатора звена постоянного тока. К основным причинам относятся дрейф ЭПР, частичный разряд и растрескивание уплотнения. Все три фактора начинаются с изменения температуры.

В данной статье представлены уравнения самонагрева, срока службы и разряда, четыре пути отказа, измеренные на платформах 3Т и 7Т, а также конструкция блока, системы охлаждения и экранирования, которая удерживает температуру в горячей точке ниже 95 °C.

2. Основной механизм

2.1 Пульсации тока и самонагрев конденсатора

При наличии градиентного импульса конденсатор DC-Link выглядит как последовательно соединенные конденсаторы C, ESR и ESL. Пульсирующий ток проходит через ESR и выделяет джоулево тепло. Среднеквадратичное значение зависит от коэффициента заполнения:

I_ripple(rms) ≈ I_peak · √D

где I_peak — пиковый ток градиента, D — коэффициент заполнения, а I_ripple(rms) — среднеквадратичный пульсационный ток в конденсаторе.

При I_peak = 1000 А и D = 30%, I_ripple(rms) ≈ 547 А. Потери, возникающие при этом токе, составляют:

P_loss = I_ripple(rms)² · ESR

где ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, а P_loss — рассеиваемая мощность. Через сопротивление 5 мОм рассеивается 547 А среднеквадратичного значения, что составляет около 1.5 кВт. Повышение температуры соответствует тепловому сопротивлению корпуса:

ΔT = P_loss · R_th

где R_th — тепловое сопротивление между корпусом и охлаждающей жидкостью, а ΔT — повышение температуры в точке перегрева над охлаждающей жидкостью. Корпус с R_th = 1.5 °C/Вт нагревается на 2250 °C за счет этих потерь, при этом ни одна деталь не остается целой. Блоку приходится разделять ток, а система охлаждения должна отводить тепло.

2.2 Зависимость ЭПР и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры

Диэлектрическая проницаемость диэлектрика класса I N4700 (T3M) составляет −4700 ± 15% ppm/°C. ЭПР и тангенс угла диэлектрических потерь не остаются такими же стабильными. В диапазоне температур от 25 °C до 125 °C ЭПР снижается на 20–30%, а тангенс угла диэлектрических потерь следует U-образной кривой, обусловленной диэлектрической релаксацией. Активные потери составляют:

P_loss(t) = I_ripple(t)² · ESR(T) + 2π · f_sw · C · V_ripple(rms)² · tanδ_eff(T)

где I_ripple(t) — мгновенный пульсирующий ток, ESR(T) — зависящее от температуры последовательное сопротивление, f_sw — частота переключения, C — емкость, V_ripple(rms) — среднеквадратичное пульсирующее напряжение, а tanδ_eff(T) — зависящий от температуры тангенс угла диэлектрических потерь.

Первый член уравнения доминирует ниже 100 кГц. Второй член возрастает с частотой, поэтому часть, выбранная только на основе низкочастотного ЭПР, может перегреваться в диапазонах переключения и колебаний.

2.3 Термические циклы и механическая усталость

Температура воздуха в камере с градиентным нагревом колеблется от 45 °C до 75 °C в течение года. Каждая последовательность градиентного нагрева приводит к перепадам температуры в сердечнике конденсатора от −15 °C до +45 °C. При 300 последовательностях в день годовое количество термических циклов достигает 100 000. Керамика и металл имеют разные коэффициенты теплового расширения, поэтому в каждом цикле в соединении возникает сдвиговое напряжение. Каждое повышение рабочей температуры на 10 °C сокращает средний срок службы примерно на 40%.

2.4 Частичный разряд и обратная связь по температуре

Повышение температуры снижает напряжение начала частичного разряда:

U_i(T) ≈ U_i(25 °C) · (1 − 0.002 · (T − 25))

где U_i(T) — напряжение начала разряда при температуре T, а T — температура конденсатора в °C. При 100 °C напряжение начала разряда падает примерно на 15%. Разряд на краю диэлектрика затем приводит к дополнительным потерям, что еще больше повышает температуру.

Этот контур представляет собой путь от нагретой детали к вышедшей из строя детали. Заводская настройка температуры на 5 пКл задает отправную точку, а тепловая схема определяет запас прочности ниже точки перегиба кривой.

Рис. 1 — От градиентного импульса 1000 А до горячей точки с температурой 108 градусов и тепловое сопротивление, определяющее предел.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Недооценивается среднеквадратичный пульсационный ток.

Одна из 3T-платформ была разработана для пульсаций постоянного тока в звене 150 А (среднеквадратичное значение). При пиковом токе 1500 А и коэффициенте заполнения 40% измеренные пульсации достигли 310 А (среднеквадратичное значение), что более чем в два раза превышает расчетное значение. Во втором проекте температура в точке перегрева конденсатора поднялась с 65 °C до 108 °C в течение пяти минут сканирования. Оба случая объясняются одной и той же ошибкой: в расчете использовался средний ток, а пульсации следуют за пиковым значением.

Проблема 2: изменения СОЭ и ЭСЛ в зависимости от частоты сердечных сокращений

Градиентный усилитель переключается между частотами 20 кГц и 100 кГц, поэтому импеданс компонента не постоянен. В одном проекте измеренное эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) составило 3 мОм на частоте 20 кГц. В кольцевой полосе 128 МГц SiC-каскада ESL доминирует в импедансе, и общее сопротивление возрастает более чем в десять раз. Компонент, выбранный только по низкочастотному ESR, будет перегреваться в процессе эксплуатации.

Проблема 3: Тепловая связь при многоканальной работе

Три оси градиента используют одну пластину с водяным охлаждением, и тепло передается между конденсаторами вбок. На платформе 7T температура в точке перегрева одного канала составляла 72 °C. При работе трех каналов центральный конденсатор достиг 98 °C, что значительно превышает расчетный предел. Такое соединение также нарушает принцип распределения тока, поэтому один конденсатор изнашивается раньше остальных.

Болевой момент 4: Частичная эякуляция и повышение температуры взаимно усиливают друг друга.

Начальный уровень разряда для медицинского оборудования составляет 5 пКл. Повышение температуры снижает напряжение начала разряда, а дополнительный разряд снова повышает температуру. Как только внутренняя температура превышает 100 °C, напряжение начала разряда падает примерно на 15%, разряд становится самоподдерживающимся, и деталь не восстанавливается.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите конденсатор с низким ESL и высокими пульсациями.

В компонентах HVC N4700 используются медные электроды и осевые выводы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESL). Блок 10 нФ/15 кВ поддерживает ESR на уровне 3 мОм или ниже, ESL на уровне 25 нГн или ниже и уровень пульсаций выше 80 А среднеквадратичного значения. На платформе 7T блок из 6 параллельных и 12 последовательных конденсаторов снизил пульсации на каждый конденсатор с 310 А среднеквадратичного значения до 52 А среднеквадратичного значения и удержал повышение температуры в пределах 35 °C.

Стратегия 2: Установить блок на охлаждающую пластину и расположить блоки на некотором расстоянии друг от друга.

Установите массив DC-Link на поверхность охлаждаемой водой пластины, нанеся слой термопасты толщиной менее 50 мкм, обеспечивающий сопротивление R_th ниже 0.5 °C/Вт. Оставьте зазор 2 мм между соседними конденсаторами для уменьшения бокового теплового потока. HVR-BSP толстопленочные резисторы Благодаря тому, что эти элементы также использовались для обмена данными, разброс температур по трем каналам снизился с 26 °C до 8 °C.

Стратегия 3: Добавить RC-демпфер к каждому модулю SiC.

Установите RC-демпфер между серединой моста каждого SiC-модуля и шиной. Низкоиндуктивный конденсатор HVC N4700 2.2 нФ/2 кВ, включенный последовательно с HVRGXP Резистор с покрытием из стекла сопротивлением 5 Ом уменьшает колебания шины на 60% и снижает пульсации на основном конденсаторе примерно на 15%.

Стратегия 4: Проведение скрининга частичной выписки и мониторинг DF_eff в режиме онлайн.

HVC проводит 100% контроль частичных разрядов при уровне 5 пКл или ниже при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, для медицинских заказов, с возможностью контроля до 2 пКл по запросу. Установите прецизионный делитель на клеммах конденсатора и запустите онлайн-мост DF_eff. Когда тангенс угла потерь превышает 5% от базового значения, деталь начинает стареть, и открывается окно для технического обслуживания.

Стратегия 5: Согласовать коэффициент заполнения градиента с ресурсом термического цикла.

Значение L10 определяется по модели Аррениуса в реальных условиях перегрева, а не по условиям, указанным в технической документации. При температуре в точке перегрева 95 °C, 40% загрузке и 300 последовательностях в день серия HVC N4700 достигает значения L10 в 120 000 часов, что составляет 13.7 лет непрерывной работы и превышает 10-летнюю гарантию на МРТ.

Стратегия 6: Одновременное развязывание высокочастотных составляющих и подавление синфазного сигнала.

Установите конденсатор емкостью 0.1 мкФ. пленочный конденсатор Заземлите шину через положительный и отрицательный полюсы для поглощения пульсаций выше 100 кГц. Заземлите шину через защитный конденсатор HVC Y1 с током утечки менее 0.5 мА. Такая комбинация одновременно обеспечивает выдерживаемое напряжение изоляции и предел синфазного сигнала, а также позволяет компоненту иметь медицинскую сертификацию IEC 60384-14.

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 для градиентного DC-канала МРТ

Точка перегрева определяется эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), распределением пульсаций и тепловым путем. Компания HVC производит компоненты N4700, которые контролируют все три параметра, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ и емкостью от 1 нФ до 10 мкФ, на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESR не превышает 3 мОм. Компонент емкостью 10 нФ/15 кВ преобразует 80 А среднеквадратичного значения в 19 Вт, поэтому повышение температуры в точке перегрева остается в пределах расчетного диапазона даже при 40%-ном коэффициенте заполнения.
• ESL не выше 25 нГн. Низкая индуктивность петли ограничивает колебания, вызываемые фронтом 50 кВ/мкс, что исключает высокочастотную составляющую потерь.
• Допустимый уровень пульсаций выше 80 А среднеквадратичного значения. HVCT8G и HVCT9G Данная серия передает импульсы уровня кА без превышения температуры корпуса.
• Эффективность разряда (DF_eff) ниже 0.1%, а разрядная плотность (PD) составляет 5 пКл или меньше при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Доступен вариант с разрядной плотностью 2 пКл, который снижает вероятность повреждения от разряда более чем вдвое.
• Подобраны компоненты. Керамические дисковые конденсаторы N4700 для отбойника, быстровосстанавливающиеся диоды Для цепи свободного хода резисторы HVRGXP/HVRGFP, используемые совместно, могут быть выбраны в виде единого комплекта для цепи пульсаций.
• Поддержка перекрестных ссылок. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Vishay 715C/660R, AVX HP/HW/HK, Murata DHR/DHS и TDK серии D — все это в одном и том же габаритном размере.

Измеренные результаты

Производитель МРТ-оборудования 3T изготовил матрицу HVCT8G из 24 элементов 33 нФ/20 кВ на шине градиентного постоянного тока. Каждый конденсатор показал среднеквадратичное значение пульсаций 62 А при температуре 67 °C, а коэффициент нелинейности DF_eff составил 0.06%. Это на 22 °C меньше, чем у замененного блока Vishay 715C, и 8000 часов непрерывной работы не выявили аномалий частичных разрядов.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты демпфирования, 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 моделировании пульсаций, анализе тепловых потоков и разработке схемы мониторинга DF_eff.

Отправьте градиентный сигнал, пиковый ток и коэффициент заполнения, температуру охлаждающей жидкости и размер блока. HVC вернет таблицу пульсаций и теплового бюджета с номерами компонентов, ESR на частоте переключения и набор данных для оценки двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой пульсирующий ток может выдержать один конденсатор звена постоянного тока?

Установите верхний предел, исходя из повышения температуры, а не из одного числа. Компонент HVC 10 нФ/15 кВ имеет номинальный уровень пульсаций выше 80 А среднеквадратичного значения. Вычислите I_ripple(rms) ≈ I_peak · √D, затем проверьте, что P_loss = I_ripple(rms)² · ESR удерживает ΔT = P_loss · R_th в пределах допустимого значения. Пиковый ток 1000 А при 30% коэффициенте заполнения дает 547 А среднеквадратичного значения, поэтому блоку требуется как минимум семь таких блоков, соединенных параллельно.

В2: Почему расчетная пульсация составила половину измеренного значения?

Чаще всего в конструкции использовался средний ток шины. Конденсатор передает импульс, а среднеквадратичное значение следует за пиковым значением и квадратным корнем из коэффициента заполнения. Платформа 3T, рассчитанная на 150 А среднеквадратичного значения, показала 310 А среднеквадратичного значения при пиковом значении 1500 А и коэффициенте заполнения 40%. Пересчитайте значение, исходя из пикового значения, затем добавьте запас для полосы колебаний.

В3: Как предотвратить взаимный нагрев трех градиентных каналов?

Установите каждый конденсатор на отдельную теплоотводящую площадку с зазором не менее 2 мм между соседними элементами и разместите массив на одной пластине с водяным охлаждением и слоем смазки толщиной менее 50 мкм. Это позволит поддерживать сопротивление R_th ниже 0.5 °C/Вт. На платформе 7T такая компоновка сократила разброс температур трех каналов с 26 °C до 8 °C.

Вопрос 4: Повышается или понижается СОЭ с изменением температуры?

В диапазоне температур от 25 °C до 125 °C эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) детали из сплава N4700 снижается на 20–30%, в то время как тангенс угла диэлектрических потерь следует U-образной кривой. Удельные потери при этом не уменьшаются, поскольку второй член 2π · f_sw · C · V_ripple(rms)² · tanδ_eff(T) возрастает с частотой. Проверьте оба члена в точке перегрева, а не при 25 °C.

В5: Что дает мне обследование с частичным разрядом?

Более низкая начальная точка на кривой разряда. Начальное напряжение падает как U_i(T) ≈ U_i(25 °C) · (1 − 0.002 · (T − 25)), поэтому деталь, которая начинает работу с 5 пКл, имеет больший запас по напряжению до того, как контур станет самоподдерживающимся. HVC проверяет 100% медицинских назначений при 5 пКл при напряжении в 1.5 раза превышающем номинальное, и предлагает класс защиты 2 пКл.

В6: Как долго банк просуществует в полевых условиях?

Рассмотрим срок службы L10 в измеренной точке перегрева. При температуре 95 °C, 40% загрузке и 300 циклах в день серия HVC N4700 достигает 120 000 часов, или 13.7 лет непрерывной работы. Повышение температуры в точке перегрева на 10 °C приводит к снижению среднего срока службы примерно на 40%, поэтому конструкция системы охлаждения определяет гарантийный срок.

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. 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 .
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
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