Потери на коммутации диода свободного хода на выходе градиентного усилителя

Потери на коммутации диода свободного хода на выходе градиентного усилителя

Резюме

Градиентные усилители коммутируют ток в катушке в диапазоне десятков килогерц с пиковыми значениями выше 1000 А, и каждая коммутация извлекает заряд обратного восстановления из диода свободного хода. Этот заряд вызывает потери, скачок напряжения и самонагрев цепи. В этой статье представлена ​​модель восстановления и колебаний, четыре ловушки коммутации и шесть шагов, которые позволили удержать одну 7-тесловую платформу ниже номинального обратного напряжения диода и снизить потери коммутации на 64 %.

1. Введение

Градиентный усилитель МРТ управляет большой индуктивной катушкой, и ток в катушке коммутирует между двумя плечами моста с частотой в десятки килогерц. Когда источник питания выключается, ток в катушке не может сразу прекратиться, поэтому он течет обратно через диод свободного хода.

Диод накапливает заряд во время проведения тока. Этот накопленный заряд должен покинуть устройство до того, как диод снова заблокируется, и процесс удаления заряда потребляет ток от шины в тот же момент, когда диод удерживает полное обратное напряжение.

Потери на одно событие невелики, но частота событий высока. При пиковых значениях градиента выше 1000 А и переключении на частотах в десятки килогерц один диод свободного хода достигает средних потерь в сотни ватт, что определяет размер радиатора и воздушный поток в корпусе.

Обычные кремниевые диоды также работают при температуре выше 125 °C в этом режиме эксплуатации, и время их восстановления увеличивается с повышением температуры. В этой статье рассматривается модель восстановления, последующие колебания, четыре ловушки и шесть этапов, которые уменьшают потери и пиковые значения.

2. Основной механизм

2.1 Обратное восстановление и потери при переключении

При изменении полярности проводящего диода накопленный заряд Q_rr покидает устройство до того, как блокируется переход.

E_rr = 0.5 · Q_rr · V_R · (t_rr / (t_rr + t_f))

где E_rr — энергия, потерянная за одно событие коммутации, Q_rr — заряд обратного восстановления, V_R — обратное напряжение, t_rr — время обратного восстановления, а t_f — время спада тока восстановления.

Диод с мягким восстановлением формирует почти треугольный сигнал и возвращает небольшое значение E_rr. Диод с жестким восстановлением резко обрывает ток и создает кольцевой сигнал. На шине 1000 В с Q_rr = 5 мкКл и t_rr = 75 нс одно событие достигает потерь в 0.25 мДж. При частоте 50 кГц средние потери составляют около 12.5 Вт, и радиатор должен отводить их из небольшого корпуса.

2.2 Замыкание коммутационной петли

Диод, шина и конденсатор звена постоянного тока образуют замкнутый контур, индуктивность которого колеблется с емкостью перехода диода.

V_spike = V_bus + L_loop · (di/dt)_max + I_RM · √(L_loop / C_j)

где V_spike — пиковое напряжение на диоде, V_bus — напряжение на шине, L_loop — индуктивность контура, (di/dt)_max — максимальный наклон тока, I_RM — пиковый ток обратного восстановления, а C_j — емкость перехода.

На одной из 7-транзисторных платформ был зафиксирован пиковый ток выключения 1200 В, что на 20 % выше номинального напряжения диода при обратной полярности. Этот пик стал причиной ранних отказов модулей на платформе.

2.3 Перемещение колебаний с помощью демпфирующего конденсатора

Демпфирующий проводник, подключенный параллельно диоду, ограничивает наклон кривой напряжения и смещает кольцо от важных полос.

f_r = 1 / (2π · √(L_loop · C_s))

где f_r — частота колебаний, L_loop — индуктивность контура, а C_s — емкость демпфирующей цепи.

Значение, при котором f_r ниже 10 МГц, предотвращает попадание кольца в полосу дискретизации контроллера и в полосы электромагнитных помех вблизи 60 МГц. Последовательный резистор рассеивает энергию кольца, и амплитуда импульса падает более чем на 50 %. Демпфирующая цепь класса I с коэффициентом демпфирования ниже 0.1 % и эквивалентной последовательной индуктивностью около 18 нГн поглощает переходный процесс без дополнительного нагрева, что удерживает конденсатор вне его собственного теплового предела.

2.4 Повышение температуры увеличивает заряд восстановления

В горячем переходе носители заряда удерживаются дольше, поэтому значения Q_rr и t_rr возрастают с повышением температуры.

Q_rr(T_j) ≈ Q_rr(25°C) · [1 + 0.008 · (T_j − 25)]

где Q_rr(T_j) — заряд восстановления при температуре перехода T_j, Q_rr(25°C) — заряд при 25 °C, а T_j — температура перехода в градусах Цельсия.

Коэффициент 0.008 означает, что Q_rr увеличивается примерно на 20 % на каждые 25 °C. Большие потери повышают температуру перехода, а более высокая температура снова увеличивает потери. Конструкция, прошедшая через холодную пластину, может выйти из-под контроля в теплом корпусе, поэтому тепловой путь имеет такое же значение, как и технические характеристики диода.

Рис. 1 — Заряд обратного восстановления и индуктивность контура действуют совместно от шины 1000 В к вышедшему из строя модулю, а демпфирующий контур 2.2 нФ/3 кВ срезает скачок напряжения с 1200 В до 520 В.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Реальное значение t_rr больше, чем указано в технической документации.

Значения, указанные в технической документации, получены в условиях, заданных при тестировании, которые редко совпадают с рабочей точкой. На платформе 3T использовался диод с номинальным временем релаксации t_rr = 100 нс. При токе 150 А и температуре перехода 80 °C измеренное значение t_rr достигло 180 нс, что удвоило потери на коммутацию. Температура радиатора повысилась с 65 °C до 98 °C, что привело к срабатыванию защиты.

Проблема 2: Уровень звукового давления демпфера превышает допустимый диапазон.

Пленочный конденсатор с индуктивностью выводов 50 нГн образует колебания с петлей вместо того, чтобы гасить их. В одном проекте полиэфирный компонент уменьшил пиковый ток всего на 8 % и перегрелся от пульсаций тока до тех пор, пока его корпус не вздулся. Демпфирующий элемент должен располагаться близко к диоду с короткими выводами.

Проблема №3: ​​Система отвода тепла препятствует обеспечению достаточного зазора для высокого напряжения.

Диоду необходим короткий тепловой путь к радиатору, а высоковольтной шине — расстояние утечки и зазор от того же радиатора. Традиционные диоды в корпусе редко соответствуют обоим требованиям в компактном корпусе. В одном из проектов длина выводов была увеличена до 8 см для соблюдения правил безопасности; индуктивность контура возросла с 12 нГн до 45 нГн, пиковое напряжение увеличилось на 280 В, а излучение на частоте 60 МГц превысило допустимый предел на 6 дБ.

Проблема 4: Дисбаланс коммутации между каналами.

Три оси градиента используют одну шину постоянного тока и коммутируют в разные моменты времени. На платформе 7 Тл импульс по оси X передавался через шину в схему измерения по оси Y и проявлялся в виде импульса выборки. Без поглощения синфазных помех на каждой оси, эти помехи увеличивали цикл выпрямления электромагнитных помех на три месяца.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите быстровосстанавливающийся диод с низким значением Q_rr.

Выберите устройство, предназначенное для индуктивных нагрузок. HVD-UF быстровосстанавливающийся диод Благодаря контролю времени жизни транзистора достигается значение t_rr около 35 нс, а Q_rr ниже 3 мкКл при токе 100 А. В режиме свободного хода 1000 В/50 А его E_rr составляет примерно 30 % от значения стандартного быстровосстанавливающегося транзистора, что снижает температуру перехода более чем на 25 °C.

Стратегия 2: Установите демпфирующий проводник с низким эквивалентным уровнем последовательного пропускания параллельно диоду.

Разместите 2.2 нФ/3 кВ конденсатор HVCT9G Параллельно диоду, последовательно с неиндуктивным резистором 10 Ом. Диэлектрик класса I удерживает коэффициент диэлектрической проницаемости ниже 0.1 % и эквивалентную последовательную индуктивность около 18 нГн, что позволяет удерживать частоту колебаний ниже 10 МГц, уменьшать пик на 55 % и удерживать повышение температуры корпуса конденсатора в пределах 10 °C.

Стратегия 3: Сокращение коммутационного цикла

Разместите диод, SiC-модуль и конденсатор DC-Link на одной плоскости шины и удерживайте площадь петли в пределах 10 см² и индуктивность петли ниже 15 нГн. Конденсатор с винтовыми клеммами фиксируется непосредственно на шине и укорачивает путь тока, что снижает наведенное напряжение на фронте замыкания.

Стратегия 4: Добавить устройство защитного отключения (УЗО) для контроля остаточной энергии.

Для более сильных импульсов энергии следует отводить её в ограничивающий конденсатор через диод и делительный резистор HVR-BSP. Ограничитель обеспечивает быструю реакцию без расхода энергии при постоянной нагрузке. Диод с ограничением 30 кВ/20 А поглощает индуктивную энергию, выделяемую при градиентной коммутации.

Стратегия 5: Обеспечьте каждой оси собственный путь для передачи сигнала в общем режиме.

Подключите предохранительный конденсатор Y1 и делительный резистор от каждого контура свободного хода к заземлению шасси. Компоненты Y1, сертифицированные по стандарту IEC 60384-14, обеспечивают ток утечки ниже 0.5 мА, одновременно отводя синфазный импульс. На платформе 7T этот шаг снизил уровень межканальных помех на 18 дБ.

Стратегия 6: Проверка на дрейф восстановления при высоких температурах.

Требуется 1000-часовая высокотемпературная защита от обратного смещения на диоде и защита от частичного разряда емкостью 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, на согласующем демпфирующем конденсаторе. Вместе они позволяют удерживать дрейф Q_rr ниже 15 % при температуре перехода 85 °C и поддерживать разряд в пределах допустимых значений для медицинского применения.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Повторяющееся пиковое обратное напряжение	10 кВ VRRM	Серия 2CL, 25 °C
Средний прямой ток	0.8 A IF(AV)	прямоугольная волна, Tc ≤ 85 °C
Прямой импульсный ток	100 А при 8.3 мс	одиночный импульс, IFSM
Время обратного восстановления	< 1 мкс трр	мягкий восстановительный класс
Емкость перехода	25 пФ тип.	VR = 4 кВ, 1 МГц
Рабочая Температура	от −55 °C до +125 °C	Tj макс
ток утечки	< 5 мА при VRRM	25 °C, полная мощность

5. HVC-диоды и конденсаторы для контуров свободного хода

HVC поставляет диод, демпфирующий конденсатор и ограничительный резистор из одного источника и тестирует весь комплект вместе. Линия диода охватывает прямой ток от 5 А до 50 А, обратное напряжение от 1000 В до 30 кВ и время отклика менее 75 нс.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Время восстановления составляет около 35 нс. Короткое время восстановления удаляет большую часть накопленного заряда до того, как он начнет теряться, что снижает E_rr примерно до 30 % от стандартного устройства.
• Q_rr ниже 3 мкКл при 100 А. Низкий накопленный заряд ограничивает пиковый обратный ток и последующий за ним скачок.
• Плавное восстановление с S-фактором выше 0.5. Мягкий край предотвращает резкий скачок, который возбуждает петлю и полосу электромагнитных помех.
• Коэффициент демпфирования демпфирующего конденсатора ниже 0.1 %. Конденсатор поглощает переходные процессы без самонагрева, поэтому демпфирующий конденсатор продолжает работать после нескольких часов при частоте 50 кГц.
• Демпфирующая согласующая способность ESL составляет около 18 нГн. Низкая индуктивность выводов позволяет удерживать частоту кольца ниже 10 МГц и обеспечивает снижение пиковых значений выше 50 %.
• Скоординированное обследование. Керамические конденсаторы N4700 имеют ограничение в 5 пКл, и набор диодов соответствует Вишай и Мурата Номера деталей в одном заказе.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4-8 недель, в отличие от 20-30 недель, что является нормой для импортных брендов. HVC предоставляет данные испытаний на лавинный пробой и HTRB, записи частичных разрядов и моделирование коммутации контура.

Отправьте напряжение шины, пиковый ток катушки, частоту коммутации и геометрию контура. HVC вернет согласованный набор диодов и демпфирующих резисторов с прогнозируемым уровнем пикового напряжения, потерями на одно событие и комплект для оценки с двумя образцами в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему измеренное значение trr больше, чем значение, указанное в технической документации?

Поскольку условия тестирования, указанные в технической документации, редко соответствуют условиям применения, время восстановления увеличивается с прямым током и температурой перехода. На одной из 3-тесловых платформ был выбран диод с номинальным временем восстановления 100 нс, а при токе 150 А и температуре перехода 80 °C было измерено 180 нс, что удвоило потери и привело к срабатыванию защиты от перегрева. Проверьте кривую при реальном токе и реальной температуре перехода.

В2: Как выбрать номинал демпфирующего конденсатора?

Начните с частоты колебаний. Используйте f_r = 1 / (2π · √(L_loop · C_s)) и выберите значение, которое поместит колебания ниже 10 МГц, вдали от полосы дискретизации контроллера и диапазона излучения 60 МГц. Затем проверьте повышение напряжения на корпусе при пульсациях тока; компонент класса I с коэффициентом затухания ниже 0.1 % и эквивалентной последовательной индуктивностью около 18 нГн удерживает это повышение в пределах 10 °C и уменьшает пик более чем вдвое.

В3: Что изменяет диод с мягким восстановлением?

Это устраняет резкое изменение. Устройство с жестким восстановлением тока обнуляется за несколько наносекунд, и этот фронт возбуждает индуктивность петли и излучает в полосу электромагнитных помех. Устройство с мягким восстановлением, имеющее S-фактор выше 0.5, возвращает тот же заряд на более длинном участке, поэтому амплитуда пика и излучение уменьшаются. В сочетании с демпфирующим резистором с низким ESL петля остается бесшумной.

Вопрос 4: Какой допустимый уровень индуктивности контура?

Удерживайте индуктивность ниже 15 нГн. Индуцированный член возрастает пропорционально индуктивности контура, а третий член в уравнении импульса масштабируется с его квадратным корнем. В одном проекте, где провода диода были удлинены до 8 см для обеспечения безопасного зазора, индуктивность увеличилась с 12 нГн до 45 нГн, к импульсу было добавлено 280 В, и уровень излучения на 6 дБ не соответствовал пределу 60 МГц.

В5: Как предотвратить влияние одной оси на другие?

Обеспечьте каждому каналу собственный вывод синфазного сигнала на шасси. Защитный конденсатор Y1 с делительным резистором отводит импульс на источнике, а компонент Y1, сертифицированный по стандарту IEC 60384-14, обеспечивает утечку ниже 0.5 мА. На одной из 7-транзисторных платформ этот шаг снизил уровень межканального шума на 18 дБ и сократил цикл выпрямления электромагнитных помех.

В6: Как убедиться, что диод не изменяет свои характеристики в течение срока службы?

Отслеживайте температуру перехода при фиксированных условиях эксплуатации и сравнивайте ее по месяцам. Повышение температуры при том же токе указывает на более высокое значение Q_rr, что является первым признаком дрейфа восстановления. 1000-часовой тест HTRB удерживает дрейф Q_rr ниже 15 % при температуре перехода 85 °C и обеспечивает базовый уровень для сравнения с полевыми условиями.

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. Ф. Д. Киферндорф, М. Форстер и Т. А. Липо, Снижение пульсаций тока на конденсаторе шины постоянного тока с помощью преобразователя PAM/PWMIEEE Transactions on Industry Applications, том 40, № 2, стр. 607-614, 2004. https://doi.org/10.1109/tia.2004.824495
8. Вопросы применения многослойных керамических конденсаторов BME высокого напряжения.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS International 2012), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2012CARTS-ApplicationConsiderationsHighVoltBME-X7RCeramicCapacitors.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. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com