Компромисс между утечкой Y-конденсатора и электромагнитной совместимостью при решении проблем с наркозными аппаратами

Компромисс между утечкой Y-конденсатора и электромагнитной совместимостью при решении проблем с наркозными аппаратами

Резюме

В наркозных аппаратах используется компонент типа CF, поэтому утечка тока от пациента должна оставаться ниже 10 мкА в нормальных условиях и 50 мкА при единичном сбое. Самое быстрое решение проблемы ЭМС — увеличение емкости Y-цепи на входе переменного тока, и это решение включает добавление тока сетевой частоты к цепи от пациента. В этой статье рассматриваются физические принципы утечки, три напряжения внутри компактного устройства и шаги, позволяющие выполнить требования CISPR 11, при этом показания утечки остаются ниже допустимого уровня.

1. Введение

Работа с электромагнитной совместимостью наркозного аппарата следует известной схеме. Группа исследователей сканирует кондуктивные излучения и обнаруживает превышение предела на 6–8 дБ в диапазоне от 150 кГц до 2 МГц. Рефлекторным решением является увеличение емкости Y-компоненты на входе переменного тока с 2.2 нФ до 4.7 нФ.

Сканирование проходит успешно, с запасом прочности. Однако лаборатория безопасности сообщает другие данные. При напряжении 264 В переменного тока и частоте 60 Гц утечка тока от пациента увеличилась с 7.8 мкА до 14.2 мкА, что превышает допустимый предел в 10 мкА для компонентов типа CF в нормальных условиях.

Значение Y возвращается к исходному уровню, выбросы снова выходят из строя, и проект зацикливается между двумя лабораториями на два-три месяца. Этот цикл отнимает время у инженеров и задерживает дату выпуска.

В этой статье рассматриваются физические причины этого конфликта, три вида напряжений внутри компактного наркозного аппарата, а также выбор деталей, позволяющий одновременно преодолеть оба предела.

2. Основной механизм

2.1 Y-часть как путь передачи сигнала на линейной частоте

Разъем Y расположен между первичной и вторичной земляными платами. Он обеспечивает обратный путь для тока синфазного шума, минуя LISN, и этот же разъем проводит ток на частоте сети.

I_leak = 2 · π · f · C_Y · V_line

где I_leak — ток утечки на землю в мкА, f — частота сети в Гц, C_Y — общая емкость Y в нФ, а V_line — напряжение между линией и землей в В.

При емкости 4.7 нФ, напряжении переменного тока 264 В и частоте 60 Гц это дает 467 мкА. Каждый дополнительный 1 нФ добавляет около 100 мкА при тех же условиях. При максимальном токе пациента в 10 мкА значение Y представляет собой грубое регулирование с большим коэффициентом усиления.

2.2 Почему фильтру требуется большое значение Y

Кондуктивные помехи соответствуют стандарту CISPR 11, с пределами от 66 дБмкВ до 56 дБмкВ в диапазоне частот от 150 кГц до 500 кГц для класса А. Частота переключения источника питания составляет от 65 кГц до 130 кГц, поэтому его гармоники находятся в самой узкой части этой кривой.

Z_Y = 1 / (2 · π · f · C_Y)

где Z_Y обозначает импеданс Y-части в Ом, f — частоту в Гц, а C_Y — емкость в нФ.

На частоте 150 кГц конденсатор 2.2 нФ дает сопротивление 482 Ом. Вход LISN находится на уровне 50 Ом, поэтому большая часть синфазного напряжения приходится на LISN и отображается как неудачное сканирование. Конденсатор 4.7 нФ дает сопротивление 226 Ом на той же частоте, что снижает показания примерно на 6 дБ.

Путь распространения шума проходит от стока переключателя, через межвитковую емкость трансформатора, во вторичную землю и обратно через Y-образную часть. Эта межвитковая емкость составляет от 20 пФ до 100 пФ, поэтому она и Y-образная часть образуют делитель.

2.3 Барьерная емкость как второй источник

В компактном наркозном аппарате трансформатор, модули DC-DC и цифровые изоляторы расположены близко друг к другу, и их паразитные емкости суммируются.

I_ps = 2 · π · f · C_ps · V_line

где I_ps — ток через барьер в мкА, C_ps — емкость барьера в пФ, f — частота сети в Гц, а V_line — напряжение между линией и землей в В.

Изолированный DC-DC модуль пропускает через свой барьер от 15 до 30 пФ, что обеспечивает ток от 1.5 до 3 мкА при напряжении переменного тока 264 В и частоте 60 Гц. Цифровые изоляторы добавляют от 1 до 3 пФ каждый, поэтому от 4 до 6 из них добавляют от 6 до 18 пФ, или от 0.6 до 1.8 мкА.

Эти два параметра занимают от 20% до 48% от максимального значения, прежде чем будет учтена часть Y. Быстрые фронты ухудшают ситуацию, поскольку каскад на основе GaN или SiC с dv/dt от 10 кВ/мкс до 50 кВ/мкс управляет той же емкостью на высокой частоте.

Рис. 1 — Утечка тока от пациента отслеживает значение Y, и компонент емкостью 4.7 нФ позволяет конструкции типа CF преодолеть предел в 10 мкА даже после завершения сканирования излучения.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Значение Y как единственный контрольный параметр.

Значение Y — это самый простой в использовании регулятор, но наименее надежный. Его влияние на утечку прямое и линейное, а влияние на излучение слабое, если высокочастотную работу выполняет хороший дроссель.

Измеренные пары показывают компромисс. Без Y-образного элемента сканирование выходит за пределы допустимого диапазона на 8–12 дБ, а утечка остается ниже 2 мкА. При 2.2 нФ сканирование проходит, и утечка составляет 5–7 мкА. При 4.7 нФ запас достигает 4–6 дБ, а утечка возрастает до 8–12 мкА, что приводит к сбою.

Проблема 2: Затруднительное пространство и барьер борются за место.

Для дросселя, достигающего индуктивности от 5 до 10 мГн на частоте 150 кГц, требуется большой сердечник и много витков. На плате питания размером 120 мм × 80 мм этот сердечник занимает место, необходимое для изоляционного барьера, а барьер должен обеспечивать зазор утечки в 8 мм.

Увеличение количества витков также повышает межвитковую емкость дросселя. При значениях выше примерно 10 пФ подавление на частотах 5 МГц и выше падает, а именно в этом диапазоне измеряются излучаемые помехи.

Проблема 3: Тестирование, которое не выявляет причину неисправности.

Прибор, измеряющий ток 8.5 мкА при неповрежденном защитном заземлении, может измерять ток 120 мкА и более при разомкнутом заземлении. В этом случае ток в Y-образном контуре должен найти другой путь, и остается только соединение с пациентом.

Аналогичный разрыв наблюдается и при нагрузке. При сканировании в режиме холостого хода может быть пропущен ток, протекающий при одновременной работе всех клапанов, датчиков и дисплеев.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Установите значение Y, исходя из пределов, установленных для пациента.

Измерьте коэффициент преобразования тока утечки на землю и тока пациента на реальной плате, поскольку компоновка определяет, какая часть тока Y-сети проходит через контактное соединение с пациентом. В компактном устройстве с плотно расположенными контактными площадками этот коэффициент может превышать 30%.

Затем уменьшайте значение Y на один шаг за раз и повторно сканируйте после каждого изменения. Одна микросхема 2.2 нФ на входе переменного тока с более качественным дросселем обычно превосходит три небольшие микросхемы, распределенные по шинам питания.

Стратегия 2: Централизация фильтра

Шесть шин с небольшим Y-образным элементом каждая вносят вклад от 0.5 мкА до 1.0 мкА, поэтому суммарно это составляет от 3 мкА до 6 мкА. Один элемент на входе переменного тока, рассчитанный на всю нагрузку, поддерживает общий ток на уровне, который команда может измерить и контролировать.

В тех случаях, когда в фильтрующем узле необходима деталь, сохраняющая свои характеристики при нагревании, пленочный конденсатор Это хорошо работает, потому что его характеристики изменяются гораздо меньше, чем у керамики класса II на том же протяжении.

Стратегия 3: Перенести работы общего назначения на зону дроссельной заслонки и в зону разметки.

Используйте дроссель с индуктивностью от 5 до 10 мГн на частоте 150 кГц и поддерживайте низкую межвитковую емкость, разделив обмотку на секции. Затем обрежьте контактную площадку между первичной и вторичной обмотками, поскольку эта область определяет часть барьерной емкости.

Стратегия 4: Оставлять деталь класса I там, где должна оставаться деталь класса Y.

Некоторые позиции по оси Y нельзя вырезать. Там, где деталь должна оставаться на месте, используйте диэлектрик класса I с высоким сопротивлением ИК-излучению. N4700 Деталь выдерживает внутреннее сопротивление выше 100 000 МОм при номинальном напряжении, тангенс угла диэлектрических потерь менее 0.2% и имеет диапазон ±3.3% от значения в пределах от −25 °C до +85 °C.

Деталь с емкостью 470 пФ/6 кВ пропускает менее 0.05 мкА при напряжении 264 В переменного тока, что на один-два порядка ниже, чем у детали класса II с тем же значением. Детали класса Y1 также должны выдерживать импульс 8 кВ, и компания HVC поставляет детали, сертифицированные по стандарту EN 60384-14.

Стратегия 5: Отключение узла коммутатора

RC-демпфер, подключенный параллельно стоку и истоку переключателя, разделяет кольцевой сигнал в диапазоне от 50 МГц до 150 МГц. Используйте компонент с высокой способностью к dv/dt и низкими потерями, поскольку компонент с большими потерями преобразует кольцевой сигнал в тепло на корпусе.

Компонент класса I с показателем dv/dt выше 10 кВ/мкс лучше подходит для каскада на основе SiC или GaN, чем компонент X7R с теми же параметрами, поскольку его потери и значение остаются неизменными при нагреве каскада.

Стратегия 6: Проверить наличие необходимых ресурсов.

Измерьте утечку тока через пациента при напряжении 264 В переменного тока и частоте 60 Гц при полной нагрузке прибора, затем повторите измерение при разомкнутом защитном заземлении. Добавьте сканирование спектра в точке подключения к пациенту в диапазоне от 10 Гц до 1 МГц, поскольку измерительный прибор сильнее учитывает ток выше 1 кГц.

Выполните сканирование на соответствие стандарту CISPR 11 до и после любой замены компонентов. Меньшее значение Y изменяет запас проводимости, и проверка, которая учитывает только утечку, может скрыть это изменение до сертификационной камеры.

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	ниже 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	ниже 5 мА при VRRM	25 °C, полная мощность

5. Детали HVC для позиций Y и демпфирования.

Показатели утечки зависят от ИК-излучения и потери деталей на барьере. Компания HVC производит детали N4700 для обоих случаев. дверная ручка конденсаторы и дисковых типов, в диапазоне от 1 кВ до 15 кВ постоянного тока, на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Сопротивление ИК-излучению превышает 100 000 МОм при номинальном напряжении. Путь утечки постоянного тока остается в диапазоне наноампер, поэтому положение по оси Y сохраняется без большого запаса.
• Тангенс угла потерь составляет менее 0.2%. Низкие потери обеспечивают охлаждение демпфирующих и фильтрующих элементов, благодаря чему их ИК-излучение сохраняется более 8 лет.
• Значения находятся в пределах ±3.3% в диапазоне температур от −25 °C до +85 °C. Кривая фильтра остается в том же состоянии, что и при сканировании ЭМС, как при холодном запуске, так и после прогрева.
• Способность к изменению dv/dt выше 10 кВ/мкс. Детали выдерживают быстрые фронты импульсов в SiC или GaN-переключателях без скачков потерь.
• Координированные компоненты. HVRGXP резисторы выборки, градуировочные резисторы и быстровосстанавливающийся диод Комплекты можно проверять за один раз на наличие разрядника, делителя и выпрямителя.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Vishay Линии 715C, Murata DHS и TDK UHV.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4-8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6-10 недель. Инженеры-технологи HVC проводят анализ выбора положения Y-образного разветвителя, размеров демпфирующего элемента, а также плана испытаний на утечку и электромагнитную совместимость.

Укажите напряжение питания, частоту переключения, предел утечки и площадь платы. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит спецификацию с данными по IR, потерям и dv/dt, а также двухкомпонентный оценочный комплект.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему увеличение емкости Y-типа повышает утечку тока через кожу пациента?

Поскольку Y-образная часть представляет собой конденсатор, соединяющий линию с вторичной землей, и он проводит ток с частотой 50 или 60 Гц. При напряжении переменного тока 264 В и частоте 60 Гц через конденсатор емкостью 4.7 нФ проходит ток утечки на землю 467 мкА. Конструкция определяет, какая часть этого тока проходит через цепь пациента, и в компактном аппарате это соотношение может достигать 30%.

В2: Какова максимальная емкость Y, которую может выдержать устройство типа CF?

Не допускайте утечки тока до 2.2 нФ и держите прибор на одном месте у входа переменного тока. При 2.2 нФ и 264 В переменного тока измеренная утечка тока у пациента составляет от 5 до 7 мкА, что оставляет место для барьерных и изоляторных элементов. При 4.7 нФ тот же прибор показывает от 8 до 12 мкА и не соответствует пределу в 10 мкА.

В3: Почему проверка на выбросы проходит успешно, а проверка на утечки не проходит?

Потому что эти два теста считывают разные данные с одной и той же детали. Сканирование считывает шумовое напряжение, остающееся на LISN, и более крупная деталь Y-образной формы снижает его. Тест на утечку считывает ток сетевой частоты, который та же деталь пропускает на вторичное заземление и к тракту пациента. Замена детали, которая помогает одному тесту, может навредить другому.

Вопрос 4: Что происходит при проверке на одиночное замыкание при разомкнутом заземлении?

Ток Y теряет свой нормальный обратный путь, поэтому он находит другой, и часто остается только соединение с пациентом. Прибор, показывающий 8.5 мкА при неповрежденном заземлении, может показывать 120 мкА или более при разомкнутом заземлении, что значительно превышает предел в 50 мкА для единичного повреждения. Перед тестированием проследите пути повреждений на бумаге.

В5: Как сохранить запас по ЭМС после уменьшения значения Y?

Перенесите работу на дроссель и компоновку. Используйте индуктивность синфазного сигнала от 5 до 10 мГн на частоте 150 кГц, разделите обмотку, чтобы межвитковая емкость не превышала 10 пФ, и вырежьте контактную площадку поперек барьера. Затем повторно проведите сканирование на частоте от 150 кГц до 2 МГц и подтвердите запас по измеренным данным.

Вопрос 6: Почему цифровые изоляторы увеличивают риск утечки воздуха через дыхательные пути пациента?

Поскольку каждый канал несет небольшую емкость через свой собственный барьер, обычно от 1 до 3 пФ, эта емкость находится параллельно барьеру трансформатора, поэтому ее ток суммируется с током, протекающим через того же пациента. Конструкция с 8-12 изолированными каналами может добавить от 10 до 30 пФ, что добавляет емкость, которая никогда не учитывалась в расчетах.

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 60601-2-13, Медицинское электрооборудование — Часть 2-13: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам анестезиологического и дыхательного оборудования.Женева: 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. Т. Кадзи, Х. Асаи, Т. Нозу, Х. Кодзима и Н. Хаякава, Напряжение начала частичного разряда при импульсном напряжении инвертора с учетом взаимодействия факторов окружающей среды.IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, том 140, № 7, стр. 349-356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349
8. Использование низких напряжений для проверки высоковольтных конденсаторов (ток утечки).Форум сообщества EEVblog по электронике, https://www.eevblog.com/forum/testgear/using-low-voltage-levels-to-test-hv-capacitors-leakage-current/ .
9. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
10. МЭК 61326-1:2020, Электрооборудование для измерения, контроля и лабораторного использования - Требования ЭМС - Часть 1: Общие требования, Изд. 3.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2020.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com