Конденсаторы постоянного тока для регулирования скорости нарастания градиента и просадки шины МРТ

Конденсаторы постоянного тока для регулирования скорости нарастания градиента и просадки шины МРТ

Резюме

В современной системе 3 Тл скорость градиентного нарастания превышает 200 Тл/м/с, поэтому усилитель потребляет килоамперный ток от шины постоянного тока за микросекунды. Конденсатор шины обеспечивает этот заряд, и любое провисание ограничивает форму тока. Емкость, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) определяют провисание. В этой статье приводятся соотношения разряда и переходных процессов, четыре типа отказов в полевых условиях и этапы проектирования, позволяющие поддерживать скорость градиентного нарастания на расчетном уровне в течение десятилетнего срока службы сканера.

1. Введение

Скорость градиентного нарастания определяет скорость кодирования k-пространства и решает, какие последовательности может обрабатывать сканер. Клинические системы 3 Тл достигают скорости 200 Тл/м/с, а исследовательские системы 7 Тл — более высокой. Достижение этой скорости означает подачу тока в килоамперах в катушку в течение микросекунд.

Конденсатор звена постоянного тока обеспечивает заряд во время нарастания тока. Когда емкость блока слишком мала, напряжение на шине падает, усилитель ограничивает выходной сигнал, и градиентная форма сигнала теряет свою форму. За этим следуют геометрические искажения и потеря отношения сигнал/шум.

Примерно 23% проблем с производительностью градиента связаны с недостаточным запасом прочности конструкции DC-Link. В большинстве случаев это проявляется на поздних стадиях, во время приемочного тестирования последовательности на системном уровне, когда перепроектирование обходится дорого.

В данной статье рассматриваются соотношения между емкостью и провисанием, члены ESR и ESL, четыре типа отказов в полевых условиях, а также этапы проектирования, позволяющие исключить неопределенность при расчете размеров энергоблока.

2. Основной механизм

2.1 Скорость нарастания и напряжение катушки

Градиентная катушка подчиняется закону Фарадея. Для катушки с индуктивностью L_grad напряжение на клеммах, необходимое для достижения целевой скорости нарастания SR, составляет:

V_grad = L_grad · SR

где V_grad — напряжение на клеммах катушки, L_grad — градиентная индуктивность катушки, а SR — целевая скорость нарастания в Т/м/с.

Для катушки с индуктивностью 400 мкГн и частотой сдвига 200 Т/м/с требуется несколько сотен вольт на её клеммах. Выходная мощность усилителя ограничена напряжением шины, поэтому каждый вольт просадки напряжения на шине уменьшает запас по напряжению для скорости нарастания.

2.2 Емкость и просадка напряжения

В течение времени нарастания тока конденсатор отдает заряд в нагрузку. Падение напряжения за этот интервал составляет:

ΔV = Q_pulse / C_dc = (I_load · Δt) / C_dc

где ΔV — просадка напряжения на шине, Q_pulse — заряд, подаваемый в импульсе, I_load — ток нагрузки, Δt — время нарастания тока, а C_dc — емкость звена постоянного тока.

При токе 500 А в течение 200 мкс емкостью 100 мкФ напряжение провисает на 1 В. Емкостью 20 мкФ напряжение провисает на 5 В, что составляет 0.6% от напряжения на шине 800 В и достаточно для того, чтобы усилитель перешел в режим ограничения. Зависимость линейная, поэтому для удвоения импульсного тока требуется удвоенная емкость для того же провисания.

2.3 Минимальная емкость из последовательности

Изменение порядка следования элементов в уравнении провисания позволяет получить наименьшую допустимую емкость для данной последовательности:

C_min = (I_peak · Δt) / ΔV_max

где I_peak — пиковый ток последовательности, Δt — время нарастания этого импульса, а ΔV_max — просадка, которую усилитель может поглотить до того, как он ограничит форму сигнала.

Используйте наиболее ресурсоемкую последовательность в плане производства. Расчет размеров на основе номинального сканирования не оставляет запаса для наихудшего сценария, и дефицит проявляется только во время приемочных испытаний.

2.4 Переходное падение от ЭПР и ЭСТ

Реальный конденсатор добавляет к просадке напряжения резистивный и индуктивный составляющие:

V_drop(t) = I_load(t) · ESR + L_ESL · dI_load/dt + (1 / C_dc) · ∫ I_load(t) dt

где ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, L_ESL — эквивалентная последовательная индуктивность, C_dc — емкость, а I_load(t) — ток нагрузки как функция времени.

В шине, управляемой SiC, индуктивный член достигает десятков вольт и может превышать емкостной член. Градиентные усилители, переключающиеся с частотой 50 кГц и выше, превращают небольшую эквивалентную последовательную генерацию (ESL) в большой пик, поэтому ESL всего параллельного блока становится пределом скорости нарастания.

Рис. 1 — Измеренная градиентная шина 3 Тл поддерживала просадку напряжения на уровне 9 В и скорость нарастания на уровне 97 % с использованием керамического блока с низким ESL, по сравнению с 18 В и 82 % для блока емкостью 47 мкФ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Емкость, выбранная на основе опыта.

Большинство инженеров определяют размеры батареи, исходя из предыдущей конструкции, а не из формы тока последовательности. В одном проекте с 3 Тл использовалось 47 мкФ, и при высокочастотных последовательностях ЭПИ напряжение на шине пропадало на 18 В. Скорость нарастания напряжения упала до 82% от расчетного значения, а на изображениях появились геометрические искажения. Исправление было внесено с опозданием и потребовало полной переработки конструкции батареи.

Проблема 2: Объем и вес конкурируют с емкостью.

Шкафы с градиентным охлаждением компактны, а водяное охлаждение и шины уже занимают большую часть пространства. Большие электролитические батареи дешевы, но громоздки и недолговечны. пленочный конденсатор По размеру и импульсной устойчивости банк занимает промежуточное положение между ними. Керамические детали малы, но для достижения целевого значения требуется множество параллельно соединенных элементов.

Проблема 3: Параллельные банки распределяют текущий капитал неравномерно.

Для достижения емкости 300 нФ при использовании керамических компонентов необходимо параллельно соединить десятки элементов. Различия в ESR и ESL затем приводят к пульсациям тока в нескольких ветвях. В одной группе из двадцати четырех конденсаторов шесть элементов пропускали ток, более чем в два раза превышающий средний, и нагревались на 25 °C сильнее, что и привело к их первым отказам.

Проблемный момент 4: Несоответствие между стабильностью смещения и номинальным напряжением.

Градиентные шины работают в диапазоне от 400 В до 1000 В, поэтому компоненты должны иметь высокий номинальный ток. Диэлектрики X7R теряют до 80% своей емкости при высоком постоянном напряжении смещения, что приводит к тому, что реальная емкость значительно ниже номинального значения и завышает кажущийся запас скорости нарастания.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выполнить вычисление на основе последовательности.

Определите минимальную емкость, исходя из целевой скорости нарастания, индуктивности катушки, пикового тока и допустимого провисания, используя формулу C_min = (I_peak · Δt) / ΔV_max. Затем проверьте на наиболее сложной последовательности, что скорость нарастания остается в пределах 5% от расчетного значения в наихудших условиях.

Стратегия 2: Выбор компонентов N4700 с учетом потерь и стабильности смещения.

Диэлектрик класса I N4700 Диапазон рабочих напряжений составляет от 500 В до 50 кВ, а коэффициент потерь (DF) ниже 0.1%. Потери емкости при высоком постоянном напряжении смещения остаются ниже 5%, что значительно ниже 80%, которые теряют X7R. Стабильный температурный коэффициент обеспечивает точность в диапазоне температур корпуса от 45 °C до 75 °C.

Стратегия 3: Сократить использование английского языка как иностранного в компоновке автобуса.

Компоненты с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) 25 нГн или ниже, симметрично расположенные на ламинированной шине, обеспечивают каждому блоку одинаковую индуктивность токового пути. Шестнадцать параллельно соединенных блоков могут достичь эквивалентной ESL ниже 2 нГн, что снижает падение напряжения di/dt примерно на 70%.

Стратегия 4: Добавить резисторы для распределения тока и улучшить тепловую схему.

A резистор HVRGXP с разделением тока Увеличение сопротивления с 0.1 Ом до 1 Ом в каждой ветви позволяет снизить дисбаланс параллельного тока с ±40% до ±8%. Пластина с водяным охлаждением и термопаста поддерживают температуру в зоне перегрева конденсатора ниже 80 °C, что обеспечивает точность измерения емкости в течение всего десятилетнего расчетного срока службы.

Стратегия 5: Пусть демпфирующие конденсаторы пропускают высокочастотный ток.

Демпфирующий конденсатор N4700 емкостью 2.2 нФ и напряжением 2 кВ с демпфирующим резистором, расположенный параллельно средней точке SiC-моста, поглощает пульсации переключения вблизи 100 кГц. Такая схема снижает высокочастотную нагрузку на основной блок примерно на 20% и позволяет использовать его для питания импульсного заряда.

Стратегия 6: Мониторинг просадок в работе.

Разделительная сеть на шине измеряет провисание в реальном времени. Сравнивая его с параметрами последовательности, система может вычислить эффективную емкость и отметить ухудшение качества изображения до того, как оно начнет снижаться.

Стратегия 7: Оцените банк на протяжении всего срока его обслуживания.

Проведите тестирование аккумуляторной батареи в условиях температурных циклов и 12 000 часов нагрузки, затем повторно измерьте емкость, коэффициент запаса прочности (DF) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). Повышение емкости конденсатора должно оставаться в пределах 45 °C, а дрейф коэффициента запаса прочности (DF) — ниже 0.03% для батареи, сохраняющей свой запас прочности в течение десяти лет.

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 градиентной шины DC-Link

Банк должен вмещать сотни нанофарад при напряжении 800 В и более, распределять импульсы в килоамперах между параллельно работающими блоками и сохранять свою стоимость в шкафу с температурой от 45 °C до 75 °C. Компания HVC производит компоненты N4700 для каждого из этих требований на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент DF ниже 0.1% при емкости от 1 нФ до 10 мкФ. Блок остается холодным при повторяющихся импульсах, поэтому расчет просадки остается верным, а не изменяется по мере нагрева компонентов.
• Потери емкости составляют менее 5% при высоком постоянном напряжении смещения. Эффективная емкость остается близкой к номинальному значению на шине от 400 В до 1000 В, где X7R теряет до 80%.
• ESL на уровне 25 нГн или ниже, и ниже 18 нГн на осевом выводе. серия HVCT9GШестнадцать параллельно соединенных блоков обеспечивают эквивалентную ESL ниже 2 нГн и сокращают падение di/dt на 70%.
• Устойчивость к пульсациям до 80 А среднеквадратичного значения на единицу на винтовых клеммах HVCT8G с медными клеммами и керамическими корпусами. В этом случае блок выдерживает импульсный ток без снижения номинальной мощности.
• Комплектующие объединены в одном заказе. быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды с временем восстановления 35 нс и лавинной устойчивостью выше 200 мДж при свободном ходе и зажиме, и HVR-BSP прецизионные циркули для отзывов об автобусе.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. VishayДетали Murata и TDK позволяют сохранить существующую конструкцию банка и данные для его проверки.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете емкости, компоновке шин и плане распределения тока.

Отправьте напряжение шины, пиковый ток последовательности, время нарастания, допустимое провисание и объем шкафа. HVC в течение пяти рабочих дней вернет схему расположения компонентов с номерами деталей, данными об ESL и пульсациях, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как рассчитать минимальную емкость звена постоянного тока?

Используйте формулу C_min = (I_peak · Δt) / ΔV_max, где C_min = (пиковый ток ...), ΔV_max - (пиковое время нарастания тока) / ΔV_max, а ΔV_max - максимально допустимое значение. Для тока 1200 А в течение 200 мкс при допустимом напряжении 10 В минимальная идеальная емкость составляет 24 мкФ. Добавьте запас на старение, а также на эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL).

В2: Почему просадка напряжения в 20 мкФ имеет значение на шине 800 В?

Поскольку просадка напряжения в 5 В составляет 0.6% от напряжения на шине, а усилителю необходимо полное напряжение на шине, чтобы достичь скорости нарастания. Любая потеря напряжения на шине приводит к обрезанию формы тока на пике импульса, что проявляется в виде геометрических искажений, а не очевидной неисправности.

В3: Можно ли просто подключить параллельно еще несколько керамических конденсаторов?

Да, но параллельной батарее нужна помощь. Двадцать четыре блока с неравными ESR и ESL пропускают через шесть из них более чем в два раза больший средний ток, из-за чего они нагреваются на 25 °C. Резистор от 0.1 Ом до 1 Ом в каждой ветви удерживает дисбаланс в пределах ±8%.

Вопрос 4: Какой уровень владения английским языком (ESL) может допустить банк?

Значение индуктивности для всей батареи составляет менее 2 нГн. Индуктивная составляющая L_ESL · dI_load/dt достигает десятков вольт в системе на основе SiC, переключающейся с частотой 50 кГц и выше, и может превышать емкостную составляющую. Симметричная компоновка шин и компоненты с низким значением ESL позволяют достичь этого значения.

В5: Почему бы не использовать керамику X7R для облицовки стены?

Поскольку X7R теряет до 80% своей емкости при высоком постоянном напряжении на шине от 400 до 1000 В, реальная емкость в этом случае значительно ниже расчетного значения, в то время как расчеты предполагают номинальную емкость, поэтому запас по емкости исчезает еще до отгрузки сканера. N4700 обеспечивает потери ниже 5% при том же напряжении.

Вопрос 6: Как убедиться, что банк по-прежнему исправен после многих лет работы?

Контролируйте просадку напряжения на шине с помощью делительной цепи и сравнивайте её с параметрами последовательности. Увеличение просадки при том же импульсном токе означает снижение эффективной емкости. В эксплуатационных данных для градиентной шины 3 Тл повышение емкости конденсатора оставалось в пределах 45 °C, а дрейф коэффициента заполнения оставался ниже 0.03% после 12 000 часов.

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 60601-2-33:2022, Медицинское электрооборудование — Часть 2-33: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам оборудования магнитно-резонансной томографииЖенева: 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. AND90319/D: Схема RC-демпфера для высоковольтных SiC FET-транзисторов, онсеми, https://www.onsemi.com/download/application-notes/pdf/and90319-d.pdf.
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. Рашид, М.Х. (ред.), Справочник по силовой электронике, 4-е изд. Оксфорд: Butterworth-Heinemann, 2017.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com