Высоковольтные конденсаторы с низкими потерями для МРТ-аппаратов 3Т и 7Т

Высоковольтные конденсаторы с низкими потерями для МРТ-аппаратов 3Т и 7Т

Резюме

Разделительный конденсатор на заключительном каскаде радиочастотного усилителя МРТ принимает импульсы киловольтного диапазона от 64 МГц при 1.5 Тл до 298 МГц при 7 Тл. Его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) определяют потери на входе и добротность, а часть, которая становится индуктивной выше собственного резонанса, расстраивает всю согласующую цепь. В этой статье приведены уравнения для импеданса, потерь на входе и фазовой ошибки, необходимая частота собственного резонанса для диапазонов 3 Тл и 7 Тл, а также характеристики конденсатора, обеспечивающие однородность B1 выше 94%.

1. Введение

В передающем тракте МРТ-аппарата импульсы киловаттной мощности передаются от усилителя мощности к катушке, расположенной на теле пациента. По этому пути сигнал проходит через согласующую цепь, настроечную цепь, делитель мощности и один или несколько разделительных конденсаторов, блокирующих постоянный ток.

На разделительный конденсатор на заключительном этапе подается пиковое ВЧ-напряжение в несколько киловольт. Он блокирует постоянный ток и одновременно пропускает сигнал Лармора. Этот сигнал находится на частоте 64 МГц для 1.5 Тл, 128 МГц для 3 Тл и 298 МГц для 7 Тл.

Инженеры замечают это, когда меняется марка конденсатора. Замена марки конденсатора на идентичной плате приводит к изменению однородности B1 на 3–8%. Это изменение обусловлено потерями на входе и коэффициентом качества компонента.

Равномерность B1 определяет отношение сигнал/шум и контрастное разрешение. Каждые 0.1 дБ вносимых потерь ослабляют эффективную амплитуду B1 примерно на 1.15%, что проявляется в виде полосатых артефактов на изображениях, полученных методом быстрого спинового эха на 3Т.

В данной статье рассматриваются модели потерь и добротности (Q), отказы в полевых условиях, ухудшающие качество связи, а также правила выбора, позволяющие поддерживать низкие вносимые потери в диапазоне частот от 64 МГц до 298 МГц.

2. Основной механизм

2.1 Вносимые потери и импеданс

Потери в высоковольтном керамическом конденсаторе обусловлены двумя паразитными составляющими: эквивалентным последовательным сопротивлением и эквивалентной последовательной индуктивностью. В диапазоне частот от 64 МГц до 300 МГц импеданс отклоняется от чисто емкостного:

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

где ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, ESL — эквивалентная последовательная индуктивность, C — емкость, f — частота, а Z(f) — импеданс на этой частоте.

С повышением частоты индуктивный член компенсирует емкостной. Импеданс достигает минимума на собственной резонансной частоте. Выше этой точки компонент становится индуктивным и перестает блокировать постоянный ток.

Потери на входе в децибелах выводятся из тех же двух членов:

IL = 10 · log₁₀[1 + (ESR / (2πf · C))² + (ESL / (2πf · C))²]

где IL — вносимые потери в децибелах, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, ESL — эквивалентная последовательная индуктивность, C — емкость, а f — рабочая частота.

2.2 Эффективный коэффициент рассеяния

Эффективный коэффициент рассеяния измеряет резистивную долю этих потерь:

DF_eff = 2πf · C · ESR = 1 / Q

где DF_eff — эффективный коэффициент рассеяния, f — частота, C — емкость, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, а Q — добротность компонента.

На частоте 298 МГц емкостное сопротивление компонента емкостью 1 нФ составляет около 0.53 Ом. При эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) 3 мОм эффективность DF_eff составляет около 0.56%, а добротность Q — около 180. При увеличении ESR до 60 мОм эффективность DF_eff превышает 11%.

В уравнении потерь на входе этот член возводится в квадрат, поэтому то же изменение умножает его примерно на 400. Измерения на серийных платах показали, что один разделительный конденсатор класса II X7R имеет добротность Q = 80 и потери на входе 0.32 дБ на частоте 128 МГц. Конденсатор класса I N4700 того же номинала достиг добротности Q выше 350 и потерь на входе 0.07 дБ.

2.3 Коэффициент добротности и межканальная фаза

В параллельной передающей антенной решетке каналы должны удерживать фазу в пределах ±5°. Низкое значение добротности (Q) добавляет случайное фазовое искажение между каналами:

Δφ = arctan(DF_eff) = DF_eff

где Δφ — межканальная фазовая ошибка в радианах, а DF_eff — эффективный коэффициент диссипации разделительного конденсатора.

При изменении значения DF_eff с 0.1% до 1% межканальная фазовая ошибка возрастает с 0.057° до 0.57°. Эта ошибка нарушает сходимость алгоритма коррекции B1, поэтому массиву требуется дополнительная калибровка.

2.4 Собственная резонансная частота для диапазонов 3Т и 7Т

Частота Лармора составляет 128 МГц при 3 Тл и 298 МГц при 7 Тл. Собственная резонансная частота разделительного конденсатора должна оставаться значительно выше обеих:

f_SRF = 1 / (2π · √(ESL · C))

где f_SRF — собственная резонансная частота, ESL — эквивалентная последовательная индуктивность, а C — емкость.

Керамика класса II X7R имеет диэлектрическую проницаемость около 2000–4000 и высокую эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). Ее собственный резонанс приходится на частоту 200–300 МГц, поэтому на частоте 298 МГц она ведет себя как индуктор, и согласующая цепь разрушается. Керамика класса I N4700 имеет диэлектрическую проницаемость около 80 и ESL от 2 до 3 нГн, что позволяет использовать компоненты емкостью 1 нФ на частотах выше 500 МГц.

Оставьте запас не менее 1.5 октав между рабочей частотой и собственным резонансом. Этот запас компенсирует температурный дрейф, разброс характеристик и сдвиг резонанса, вызванный нагрузкой.

Рис. 1 — Компоненты класса II X7R достигают потерь на входе 0.32 дБ и становятся индуктивными на частоте 298 МГц, в то время как компонент класса I N4700 имеет потери 0.07 дБ и добротность выше 350.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Высокое напряжение и низкие потери в одной из частей.

Для работы ВЧ-каскадов требуется связь класса киловольт, но обычные высокодобротные компоненты C0G рассчитаны на несколько сотен вольт. В высоковольтной керамике вместо этого используются сегнетоэлектрики класса II, такие как X7R и Y5V, диэлектрическая проницаемость которых достигает эффективности диэлектрической проницаемости от 1% до 3% на частоте 128 МГц и добротности Q ниже 100.

A пленочный конденсатор Обладает низким углом потерь, но его эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) от 30 до 80 нГн приводит к тому, что собственный резонанс находится ниже диапазона 7 Тл. На практике номинальное напряжение и низкие потери должны обеспечиваться одним керамическим элементом.

Проблема 2: Недостаточный собственный резонанс вызывает несоответствие 7Т

Большинство компонентов X7R 1 нФ/3 кВ имеют собственный резонанс на частотах от 200 до 300 МГц. На частоте 298 МГц они проявляют индуктивность и увеличивают согласующую индуктивность цепи, что отдаляет её от значения 50 Ом.

КСВ увеличивается с 1.2 до более чем 2.0. Отраженная мощность на заключительном этапе возрастает, защитная схема ограничивает выходной сигнал, а эффективная амплитуда B1 падает на 10–15%.

Проблемный момент 3: Широкий разброс качества от партии к партии.

Импортная высоковольтная керамика может демонстрировать разброс добротности от партии к партии в пределах ±25%, что требует индивидуальной настройки каждой производственной платы. Один OEM-производитель 3T-технологий протестировал 1,000 образцов из партии Murata DHR4EUA471 и измерил добротность в диапазоне от 60 до 105.

Гистограмма равномерности B1 оказалась бимодальной, а выход годной продукции с первого раза составил всего 85%. Широкое распространение дефектов одновременно увеличивает себестоимость производства и частоту сервисного обслуживания.

Проблемный момент 4: Совместимость магнитных каналов и температурный дрейф.

Внутри канала с напряженностью поля 3Т или 7Т конденсатор не должен содержать намагничиваемого материала. Остаточная намагниченность должна оставаться ниже 10 ppm, иначе градиент поля нагружает компонент, и локальная прокладка B0 деградирует.

Нагрев добавляет второй дрейф. Температурный коэффициент N4700 ±30 ppm/°C удерживает тепловой дрейф фазы B1 ниже 0.05° на °C, что имеет значение при длительном сканировании с непрерывным радиочастотным воздействием.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диэлектрик класса I N4700.

Класс I N4700 Диэлектрическая проницаемость DF_eff составляет от 0.05% до 0.15% в диапазоне частот от 1 МГц до 300 МГц. Этот диапазон охватывает как 3-тактный, так и 7-тактный диапазоны с одним диэлектриком. Компания HVC выпускает на его основе серию осевых выводов HVCT9G, охватывающую диапазоны от 1 кВ до 30 кВ и емкость от 1 пФ до 10 нФ.

Измеренные значения: DF_eff ниже 0.15% на частоте 298 МГц, PD на уровне 5 пКл или ниже, и собственный резонанс выше 500 МГц для значений 1 нФ. Такая комбинация позволяет работать в обоих диапазонах одновременно.

Стратегия 2: Использовать аксиально-выводной модуль с низким ESL.

Каждое снижение эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) на 1 нГн повышает собственную резонансную частоту примерно на 15%. Конструкция HVCT9G с осевыми выводами позволяет поддерживать ESL на уровне 2–3 нГн при коротких и широких выводах, что примерно на 30% лучше, чем у обычных компонентов с радиальными выводами.

При сборке платы расположите выводы конденсатора вплотную к микрополосковой линии печатной платы. Дополнительная длина выводов увеличивает индуктивность контура, что сводит на нет улучшение характеристик корпуса.

Стратегия 3: Параллельное использование компонентов для снижения ESR и повышения избыточности.

Параллельное подключение конденсаторов уменьшает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). В одном 32-канальном усилителе с параллельной передачей от двух до четырех компонентов HVCT9G на канал снижают ESR ниже 0.05 Ом и уменьшают потери на входе на 40%.

Параллельная компоновка также повышает среднее время безотказной работы (MTBF). Отказ одной детали больше не приводит к остановке системы, поэтому канал продолжает работать до следующего окна обслуживания.

Стратегия 4: Совместное моделирование сети согласования широкополосного доступа

Создайте S-параметрическую модель разделительного конденсатора в ADS или AWR и выполните сканирование диапазона от 64 МГц до 300 МГц с помощью согласующих индукторов. Целевое значение КСВН должно быть ниже 1.5 в этом диапазоне.

Там, где сеть образует кольца, добавьте HVR-BSP толстопленочный резистор для демпфирования и зарезервируйте подстроечный конденсатор емкостью от 0.5 до 2 пФ для окончательного согласования. Измерьте параметры модели при реальном рабочем напряжении, поскольку значение параметра компонента класса II изменяется под воздействием смещения.

Стратегия 5: Проверка частичной выписки и подтверждение длительной продолжительности жизни.

Частичный разряд — это то, что со временем ухудшает добротность (Q). Разделительный конденсатор при 7 Тл работает при ВЧ-напряжении класса киловольт в течение многих лет, и микроразряд постепенно разрушает диэлектрик.

Требуется 100% проверка на частичные разряды (ЧР) при уровне не выше 5 пКл и напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, с предоставлением протокола испытаний для каждой партии. Перед запуском в производство необходимо запросить данные о сроке службы в течение 1,000 часов для партии медицинского назначения.

Стратегия 6: Гарантировать равномерное распределение партии Q и немагнитность детали.

Для многоканальных матриц необходимо задать разброс добротности Q от партии к партии ниже ±5% и допуск по емкости в пределах ±1%. Плотная поставка позволяет исключить этап настройки каждой платы на производственной линии.

Укажите немагнитные медные электроды и немагнитный диэлектрик. Остаточная намагниченность ниже 10 ppm обеспечивает дрейф добротности в пределах 2% в канале, а температурный коэффициент заполнения ±30 ppm/°C обеспечивает согласование с целью по мере нагревания магнита.

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 радиочастотной передающей цепи 3T и 7T.

Вносимые потери и добротность остаются на заданном уровне, когда разделительный конденсатор поддерживает низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и низкую эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) на частоте Лармора. Компания HVC производит компоненты N4700 для обоих типов устройств на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 50 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Эффективность DF_eff ниже 0.15% на частоте 298 МГц. Низкие потери обеспечивают высокое значение добротности Q, поэтому амплитуда B1 сохраняется, а межканальная фазовая ошибка остается ниже 1°.
• ESL ниже 3 нГн. Конструкция с осевыми выводами обеспечивает собственный резонанс выше 500 МГц для 1 нФ, что охватывает диапазоны 3Т и 7Т одновременно.
• TCC составляет ±30 ppm/°C. Емкость сохраняется во всем диапазоне температур канала, поэтому дрейф фазы B1 составляет менее 0.05° на °C при длительном сканировании.
• Частицы разряда не превышают 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Экранирование ограничивает эрозию диэлектрика, а эрозия приводит к прогрессирующей потере добротности.
• Немагнитная конструкция. HVCT8G Винтовые клеммы и осевые выводы HVCT9G содержат медные электроды с остаточной намагниченностью менее 10 ppm, поэтому дрейф добротности в канале остается в пределах 2%.
• Скоординированные компоненты. резисторы выборки HVRGXP, планарные детали HVRGFP и HVR-BSP Трубчатые толстопленочные резисторы заказываются вместе с конденсаторами для цепи смещения и согласования.

Зажимные и смещающие компоненты. Компания HVC также поставляет продукцию. быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды от 5 кВ до 20 кВ с временем отклика менее 100 нс, для ограничения перенапряжения ВЧ-усилителя и защиты от обратной полярности приемопередающего переключателя.

Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и показателям надежности. Murata DHR/DHS, Vishay HVCC и TDK UHV, и используются в крупномасштабном производстве радиочастотного оборудования для МРТ для компаний из списка Fortune 500, занимающихся производством медицинского оборудования для визуализации.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты, подобранные по партиям, — в течение 6–10 недель, в то время как для вышеуказанных брендов этот показатель составляет 20–30 недель. Все линейки продукции HVC имеют сертификат ISO 13485. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в выборе диэлектрика, измерении ESR и ESL на частоте 298 МГц, моделировании согласующей сети и разработке планов скрининга частичных разрядов.

Отправьте данные о напряженности поля, рабочей частоте, пиковом ВЧ-напряжении, целевом КСВН и количестве каналов. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист согласования конденсаторов с номерами деталей, данными о добротности (Q) и эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) на частоте Лармора, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Каковы могут быть вносимые потери в разделительный конденсатор?

На частоте Лармора необходимо поддерживать уровень потерь ниже 0.07 дБ на каждую деталь. Каждые 0.1 дБ потерь уменьшают эффективную амплитуду B1 примерно на 1.15% и проявляются в виде полосовых артефактов на изображениях, полученных методом быстрого спинового эха 3T. Измеренные значения для серийного производства составляют 0.07 дБ для детали N4700 и 0.32 дБ для детали класса II X7R на частоте 128 МГц.

В2: Почему конденсаторы X7R выходят из строя при 7T?

Поскольку их собственный резонанс находится в диапазоне 200–300 МГц, а высокая диэлектрическая проницаемость (2000–4000) сопровождается большим эквивалентным последовательным сопротивлением (ESL), на частоте 298 МГц они выглядят индуктивными и увеличивают согласующую индуктивность, а не компенсируют её. КСВ возрастает с 1.2 до более чем 2.0, а эффективная амплитуда B1 падает на 10–15%.

В3: Как выбрать между клеммами с осевым выводом и винтовыми клеммами?

Используйте клеммы с осевыми выводами, когда результат зависит от ESL. Конструкция HVCT9G с осевыми выводами поддерживает ESL на уровне 2–3 нГн, и каждое удаление 1 нГн повышает собственный резонанс примерно на 15%. Используйте клеммы с винтовыми выводами, такие как HVCT8G, когда преобладают номинальное напряжение и путь протекания тока, например, в диапазоне от 5 до 50 кВ.

Вопрос 4: Действительно ли параллельное соединение конденсаторов помогает?

Да, по двум причинам. Параллельное соединение уменьшает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), поэтому потери снижаются с увеличением количества компонентов. Четыре компонента в одном 32-канальном усилителе позволили снизить ESR с 0.12 Ом до 0.04 Ом и уменьшить потери на входе на 40%. Второе преимущество — избыточность: отказ одного компонента больше не приводит к отключению канала.

В5: Насколько узким должен быть спред Q?

Разница между партиями составляет менее ±5%. В импортных партиях разброс может составлять ±25%, а в одной выборочной партии из 1,000 штук значение Q находилось в диапазоне от 60 до 105. Такой разброс привел к бимодальному гистограммному распределению равномерности B1 и выходу годной продукции с первого раза в 85%, поскольку каждая плата требовала отдельной процедуры настройки.

В6: Какой уровень PD следует указать для непрерывной передачи?

Проводимость проверки составляет не более 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, с предоставлением отчета по каждой партии. Частичный разряд вызывает эрозию диэлектрика и проявляется позже в виде повышения DF_eff и снижения Q. Для непрерывной работы на высокой мощности 7 Тл запросите данные о сроке службы в течение 1,000 часов и отчеты о 100% тестировании на частичный разряд для партии медицинского класса.

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 60601-2-33, Медицинское электрооборудование — Часть 2-33: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам оборудования магнитно-резонансной томографии для медицинской диагностикиЖенева: МЭК, 2022.
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 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 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