Паразитное извлечение высоковольтных керамических конденсаторов для МРТ с частотой 400 МГц

Паразитное извлечение высоковольтных керамических конденсаторов для МРТ с частотой 400 МГц

Резюме

Сверхвысокопольная МРТ при 9.4 Т и 10.5 Т разгоняет ларморовскую частоту протонов до более чем 400 МГц, где высоковольтный керамический конденсатор перестает вести себя как чистая емкость. Саморезонанс, диэлектрическая дисперсия и скин-эффект электрода добавляют частотно-зависимые члены, которые не может представить трехпараметрическая модель, и тогда ошибка модели достигает 25%. В этой статье приводятся уравнения резонанса, дисперсии и скин-эффекта, четыре случая неудачного извлечения данных, этапы широкополосных измерений и данные о конденсаторе, которые позволяют удерживать 7-элементную модель в пределах 3%.

1. Введение

Сверхвысокопольные МРТ-платформы позволили увеличить несущую радиочастоту до более чем 400 МГц. Ларморовская частота протонов подчиняется уравнению B0 = 42.58 МГц/Т, поэтому система с напряженностью магнитного поля 10.5 Т работает на частоте 447.6 МГц. На частоте 128 МГц модель с трехпараметрическим конденсатором достаточно хорошо работает. Выше 400 МГц она перестает работать.

Три эффекта изменяют импеданс. Собственный резонанс между диэлектрической емкостью и эквивалентной последовательной индуктивностью делает компонент индуктивным. Диэлектрическая дисперсия повышает эффективный коэффициент рассеяния. Скин-эффект электрода повышает последовательное сопротивление. Каждый эффект изменяется с частотой, поэтому одно суммарное значение не может охватить весь диапазон.

Затраты проявляются в цепи передачи. В проекте параллельной передачи на 10.5 Тл, в котором использовалась трехпараметрическая модель, было зафиксировано отклонение настройки на 1.8 МГц, а эффективность B1 снизилась на 19%. Локальное прогнозирование SAR отличалось от измеренного значения более чем на 25%, поэтому доклинической программе потребовались повторные корректирующие запуски.

В этой статье представлены уравнения саморезонанса, дисперсии и скин-эффекта, четыре случая ошибок при извлечении данных, этапы построения 7-элементной модели, а также данные о конденсаторах, позволяющие поддерживать погрешность модели в пределах 3% на частоте 400 МГц.

2. Основной механизм

2.1 Собственная резонансная частота и эффективная емкость

На низких частотах импеданс керамического конденсатора уменьшается как 1/(ωC). В этом случае становится видна эквивалентная последовательная индуктивность. На собственной резонансной частоте два реактивных сопротивления компенсируют друг друга, и импеданс достигает минимума. Выше этой точки начинает преобладать индуктивность.

f_SR = 1 / (2π · √(L_ESL · C_0))

где f_SR — собственная резонансная частота, L_ESL — эквивалентная последовательная индуктивность, а C_0 — номинальная емкость.

Микросхема N4700 с емкостью 100 пФ и индуктивностью 2.5 нГн достигает частоты f_SR = 318 МГц. При работе на частоте 447 МГц импеданс составляет десятки Ом, что устраняет функцию блокировки постоянного тока в канале pTx. Небольшие значения емкости увеличивают f_SR, но они не могут выдержать рабочее напряжение 10 кВ.

2.2 Диэлектрическая дисперсия и эффективный коэффициент диссипации

Ниже 1 МГц коэффициент рассеяния N4700 остается неизменным. В диапазоне от 100 МГц до 1 ГГц потери увеличиваются за счет релаксации Дебая и ионной проводимости. Измеренный коэффициент рассеяния на частоте 400 МГц в два-три раза превышает значение на частоте 128 МГц.

DF_eff(f) ≈ DF_0 + k_f · √(f / f_ref)

где DF_eff — эффективный коэффициент рассеяния, DF_0 — низкочастотная опорная частота, k_f — коэффициент дисперсии, f — рабочая частота, а f_ref — опорная точка на частоте 1 МГц.

Высокочастотная версия N4700 обеспечивает коэффициент потерь мощности (DF_eff) ниже 0.15% на частоте 400 МГц. У обычной версии N4700 этот показатель превышает 0.3%. Потери мощности подчиняются закону P_loss = 2πf · C · V_rms² · DF_eff, поэтому зазор зависит от частоты, емкости и квадрата среднеквадратичного напряжения.

2.3 Скин-эффект и сопротивление электрода

Радиочастотный ток в электроде протекает в поверхностном слое, определяемом глубиной проникновения в кожу.

δ = √(2ρ / (μ · 2πf))

где δ — глубина проникновения света, ρ — удельное сопротивление электрода, μ — магнитная проницаемость, а f — частота. При частоте 400 МГц серебряный электрод обеспечивает δ ≈ 3.2 мкм.

Этот тонкий проводящий слой повышает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) более чем на 40% по сравнению со значением на частоте 128 МГц. В HVC используется процесс печати наночастицами серебряной пасты, благодаря чему ESR остается ниже 50 мОм на частоте 400 МГц.

2.4 Широкополосная 7-элементная сеть

Три описанных выше эффекта сходятся в одной модели импеданса. Трехпараметрическая последовательная сеть не может их передать, поэтому для извлечения используется 7-элементная сеть с ветвью утечки и ветвью релаксации.

Z(jω) = ESR + jωL_ESL + 1/(jωC_0) + R_leak ∥ 1/(jωC_de) ∥ jωL_mount

где Z — комплексное сопротивление, ω — угловая частота, ESR — последовательное сопротивление, L_ESL — последовательная индуктивность, C_0 — емкость, R_leak — сопротивление утечки, C_de — емкость релаксационной ветви, и L_mount — монтажная индуктивность.

Трехпараметрическая модель достигает погрешности в 25% при частоте выше 400 МГц. Семиэлементная сеть удерживает погрешность в пределах 3% в диапазоне от 100 МГц до 1 ГГц.

Рис. 1 — Семиэлементная схема учитывает утечку, релаксацию и генерацию, которые отсутствуют в трехпараметрической схеме, удерживая погрешность модели ниже 3 процентов на частоте 400 МГц.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Трехпараметрическая модель дает погрешность в 25% на частотах выше 400 МГц.

Инструменты моделирования pTx, такие как HFSS и CST, по умолчанию импортируют трехпараметрическую модель с сосредоточенными параметрами. В программе для 10.5 Тл такой импорт привел к отклонению настройки на 1.8 МГц и потере эффективности B1 на 19%. Обратное вычисление модели на основе измеренных S-параметров увеличило цикл разработки на несколько месяцев.

Проблема 2: Дисперсия влияет на прогнозируемую удельную мощность поглощения энергии.

Стандарт IEC 60601-2-33 требует, чтобы средняя ошибка SAR при 10 г оставалась ниже 15%. Обычная деталь N4700 получает DF_eff на частоте 400 МГц, что смещает прогноз локальной зоны высокой удельной поглощенной мощности более чем на 25% по сравнению с измеренными значениями. В результате доклиническая программа требует многократных корректирующих запусков.

Проблема 3: Индуктивность проводников снижает собственный резонанс.

Контактная площадка конденсатора и дорожка на печатной плате образуют распределенную индуктивность. Медная дорожка толщиной 10 мм добавляет 7 нГн, что снижает собственную резонансную частоту с 320 МГц до 200 МГц. В результате катушка pTx оказывается далеко от точки настройки, и весь канал расстраивается.

Проблема 4: паразитные явления, возникающие в конструкции устройства, трудно устранить.

Пробник Keysight 42941A показывает 0.8 нГн и 0.5 фФ на частоте 400 МГц. Калибровка в режиме разомкнутой цепи, короткого замыкания и под нагрузкой по-прежнему оставляет около 5% остаточной погрешности. Для того чтобы полученное значение ESL имело смысл, необходимы приспособление Кельвина и этап деэмбединга.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Проведите пальцем по ремешку и установите модель с 7 элементами.

Измерьте 201 логарифмическую точку в диапазоне от 1 МГц до 3 ГГц на реальном образце, затем аппроксимируйте 7-элементную схему с помощью инструмента векторной аппроксимации. В результате ошибка комплексного импеданса останется ниже 2% в диапазоне от 100 МГц до 1 ГГц, что соответствует входному сигналу, от которого зависит настройка катушки.

Стратегия 2: Укажите высокочастотный диэлектрик N4700.

Высокочастотный N4700 В этой версии коэффициент эффективности DF_eff составляет менее 0.15%, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) — менее 50 мОм, а эквивалентная индуктивность (ESL) — менее 2 нГн на частоте 400 МГц. Коэффициент дисперсии k_f остается ниже 8×10⁻⁵ на √Гц, что более чем на 40% ниже, чем у обычного компонента N4700. Модель импортируется непосредственно в CST Studio как элемент pTx.

Стратегия 3: Контроль индуктивности при монтаже в компоновке.

Приложите контактную площадку к ВЧ-дорожке и разместите под ней массив переходных отверстий заземления с расстоянием между ними менее 2.5 мм на частоте 400 МГц. Это позволит поддерживать L_mount ниже 0.8 нГн и f_SR выше 350 МГц. Используйте дорожку шириной 0.4 мм и толщиной 35 мкм при сопротивлении 50 Ом. пленочный конденсатор Допускается более свободное расположение контактных площадок, но оно не может выдерживать напряжение 10 кВ на той же площади, поэтому следует зафиксировать расположение на керамической части.

Стратегия 4: Калибровка с помощью оправки Кельвина и извлечения эмбеддинга.

Для этапа SOLT используйте измерительный прибор Кельвина с калибровочным комплектом, затем удалите паразитные параметры прибора с помощью автоматического алгоритма удаления измерительного прибора. В этом случае остаточная погрешность измерения снизится ниже 1%, а извлеченная ESL будет отражать только работу конденсатора.

Стратегия 5: Сочетайте конденсатор с быстровосстанавливающимся диодом.

В переключателе T/R, быстровосстанавливающийся диод Это обеспечивает сохранение емкости перехода ниже 1.5 пФ и времени обратного восстановления ниже 35 нс на частоте 400 МГц. Это поддерживает стабильную изоляцию и снижает межканальные перекрестные помехи примерно на 18 дБ.

Стратегия 6: Согласуйте канал с помощью резисторов из стекла.

HVRGXP Резисторы из стеклопластика обеспечивают паразитную индуктивность ниже 1 нГн и температурный коэффициент ниже 25 ppm/°C на частоте 400 МГц. Они используются в согласующих аттенюаторах и делителях мощности с сопротивлением 50 Ом, поддерживают амплитуду и фазу по всем каналам и обеспечивают долговременную стабильность лучше, чем 0.1% в год.

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 радиочастотного тракта УВЧ МРТ.

Погрешность моделирования не превышает 3%, если для данного диапазона заданы диэлектрические потери, последовательная индуктивность и индуктивность крепления. Компания HVC производит компоненты N4700 для всех трех диапазонов на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESL ниже 1.5 нГн. Укороченный внутренний электродный блок повышает f_SR выше 410 МГц для компонента емкостью 100 пФ, поэтому функция блокировки постоянного тока сохраняется на частоте 447 МГц.
• Эффективная частота дискретизации (DF_eff) ниже 0.15% на частоте 400 МГц. Коэффициент дисперсии остается ниже 8×10⁻⁵ на √Гц, что обеспечивает низкие потери мощности и самонагрев.
• ЭПР ниже 50 мОм. Наносеребряные электроды, изготовленные методом печати, сохраняют это значение на частоте 400 МГц, где глубина проникновения света в серебро составляет около 3.2 мкм.
• Частичный разряд не превышает 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. 100% экранирование удаляет внутренние пустоты до того, как они превратятся в путь пробоя при 10 кВ.
• Клеммы с низкой индуктивностью. дверная ручка конденсаторы В сериях HVCT8G и HVCT9G напряжение поддерживается на уровне 10 кВ при коротком пути прохождения сигнала через клеммы, что обеспечивает высокое значение f_SR при компактной компоновке катушек.
• Скоординированные компоненты. толстопленочный резистор Делители, выпрямительные диоды HVD и керамические конденсаторы HVC заказываются как единый комплект для блока постоянного тока, переключателя приема/передачи и цепи тока.

Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпуса. Vishay Серии 715C, AVX HQ и Murata DHR используются в крупномасштабном производстве УВЧ МРТ для OEM-производителей оборудования для визуализации из списка Fortune 500.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в настройке широкополосных измерений, векторной подгонке, деэмбединге и проверке настройки катушек.

Отправьте несущую частоту, геометрию катушки, напряжение и количество каналов. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист соответствия с номерами деталей, S-параметрами на рабочей частоте и комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему конденсатор емкостью 100 пФ перестает работать на частоте 400 МГц?

Поскольку ESL резонирует с емкостью. Микросхема N4700 емкостью 100 пФ с ESL 2.5 нГн саморезонансится на частоте 318 МГц. Выше этой частоты импеданс становится индуктивным и возрастает до десятков Ом на частоте 447 МГц, поэтому микросхема больше не блокирует постоянный ток и не пропускает необходимый каналу ВЧ-ток. Уменьшите ESL или емкость, чтобы повысить f_SR.

В2: Насколько сильно отличается трехпараметрическая модель от модели, работающей на частотах выше 400 МГц?

Примерно 25%. Семиэлементная схема, включающая ветвь рассеяния, ветвь релаксации и монтажную индуктивность, удерживает погрешность в пределах 3%. В одном проекте головной катушки на 9.4 Тл была установлена ​​семиэлементная модель, и была достигнута погрешность комплексного импеданса в 1.8% в диапазоне от 10 МГц до 1 ГГц.

В3: Как повысить собственную резонансную частоту?

Уменьшите ESL и уменьшите емкость. Укороченный внутренний электродный пакет в высокочастотной версии N4700 снижает ESL ниже 1.5 нГн и выводит f_SR выше 410 МГц для компонента с емкостью 100 пФ. Также укоротите контактную площадку и дорожку: дорожка длиной 10 мм добавляет 7 нГн и снижает f_SR с 320 МГц до 200 МГц.

Вопрос 4: Что приводит к увеличению коэффициента рассеяния с 0.1% до 0.3% на частоте 400 МГц?

Диэлектрическая дисперсия. Релаксация Дебая и ионная проводимость увеличивают потери с повышением частоты, и эффективная диэлектрическая дисперсия на частоте 400 МГц в два-три раза превышает значение на частоте 128 МГц. Высокочастотная версия N4700 поддерживает коэффициент k_f ниже 8×10⁻⁵ на √Гц и удерживает эффективную диэлектрическую дисперсию ниже 0.15% на частоте 400 МГц.

Вопрос 5: Требуется ли специальное приспособление для измерения импеданса?

Да. Пробник оставляет 0.8 нГн и 0.5 фФ на частоте 400 МГц, поэтому калибровка только обрыва цепи, короткого замыкания и нагрузки оставляет остаточную погрешность около 5%. Используйте приспособление Кельвина для этапа SOLT, затем удалите данные с приспособления с помощью автоматического алгоритма удаления приспособления, что снизит остаточную погрешность до менее 1%.

В6: Как модель изменяет прогноз SAR?

Это определяется коэффициентом потерь. P_loss = 2πf · C · V_rms² · DF_eff задает рассеиваемую мощность, и эта мощность используется для расчета локальной оценки SAR. Деталь с возрастающим коэффициентом потерь смещает прогнозируемое значение горячей точки более чем на 25% от измеренных значений. Точная кривая коэффициента потерь в сочетании с 7-элементной сетью позволяет снизить ошибку SAR до уровня менее 10%.

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 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. Цян-Тао Лай, Цзюнь-Фа Мао и Му-Шуй Чжан, Компенсационная схема многослойного керамического конденсатора с блокировкой постоянного тока для высокоскоростных приложений.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 1, no. 5, pp. 742-751, 2011. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2011.2116016
8. США 6,181,543, Высоковольтный керамический конденсаторПатент выдан компанией Murata Manufacturing Co., Ltd. в 2001 году, https://www.freepatentsonline.com/6181543.html.
9. MIL-PRF-55681 Ред. H, Конденсатор, чип, многослойный, фиксированный, с керамическим диэлектриком, с установленной и неустановленной надежностью, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2025.
10. Вопросы применения многослойных керамических конденсаторов BME высокого напряжения.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS International 2012), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2012CARTS-ApplicationConsiderationsHighVoltBME-X7RCeramicCapacitors.pdf .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com