Пути остаточных токов утечки после установки экранированного трансформатора

Пути остаточных токов утечки после установки экранированного трансформатора

Резюме

Экранированный разделительный трансформатор — это первое и частичное решение проблемы, возникающей при неудачном тестировании на утечку тока у пациентов с синдромом муковисцидоза. Заземленный экран преобразует одну прямую емкость в сеть остаточных путей, причем остаточная емкость зависит от геометрии, а не от назначения. Типичный экран уменьшает емкость с 90 пФ до 12 пФ, что снижает показание 15 мкА до 8.4 мкА. В этой статье количественно описывается эта сеть и приводятся пять путей, по которым проходит оставшаяся часть тока.

1. Введение

Измерения утечки тока у пациента показывают высокое значение по сравнению с пределом 10 мкА для типа CF. Анализ конструкции указывает на межвитковую емкость сетевого разделительного трансформатора, которая составляет от 40 до 120 пФ в медицинской части без экрана. Был выбран экранированный трансформатор, спецификация материалов обновлена, и повторные измерения показали более низкие, но не заниженные значения.

Таким образом, команда получает показания в диапазоне от 7 до 9 мкА, чего не может обеспечить ни один отдельный компонент. Экран выполнил свою работу на той части, которую он покрывает. Концевые витки, расположение выводов, швы и заземляющее соединение находятся за пределами этой зоны покрытия, и каждый из них пропускает ток через барьер.

Экран действует как эквипотенциальный электрод, а не как стена. Он перехватывает достигающий его ток смещения и возвращает этот ток через свой заземляющий провод. Ток, проходящий мимо него, остается, а заземляющий провод несет собственное сопротивление, поэтому часть экрана перестает быть заземлением на высоких частотах.

В этой статье с помощью числовых данных построена остаточная сеть, описаны четыре проблемные точки, которые повторяются в программах искусственной вентиляции легких, анестезии и диализа, а также перечислены этапы на уровне компонентов, позволяющие устранить оставшиеся микроамперы. Цель — получить показатель утечки, который устраняется на этапе проектирования, а не путем итераций.

2. Основной механизм

2.1 Как экран влияет на цепь связи

До установки экрана первичная и вторичная обмотки связаны через распределенную емкость C_ps. После установки заземленного экрана сеть становится матрицей емкостей с тремя составляющими: прямым перекрытием, которое экран не может покрыть, последовательным путем через экран и паразитными путями от экрана к сердечнику и шасси.

C_series = (C_p-sh · C_sh-s) / (C_p-sh + C_sh-s)

где C_series — остаточная емкость последовательного соединения в пФ, C_p-sh — емкость между первичной обмоткой и экраном в пФ, а C_sh-s — емкость между экраном и вторичной обмоткой в ​​пФ. Трансформатор мощностью 150 Вт с емкостью 180 пФ и 220 пФ дает 99 пФ.

Эти 99 пФ протекают через экран и выходят через заземляющий провод, поэтому они никогда не достигают пациента. До вторичной обмотки доходит то, что остается непокрытым из-за прямого перекрытия экрана, которое составляет от 2 до 8 пФ на качественно изготовленном изделии, плюс потенциальная погрешность, связанная с экраном.

2.2 Почему экран не находится точно на потенциале земли

Экран возвращает ток через заземляющий провод, который обладает индуктивностью. Поперечный провод длиной 3 см пропускает ток около 25 нГн, поэтому его импеданс возрастает с частотой, в то время как реактивное сопротивление связи экрана уменьшается с частотой. Эти два параметра пересекаются на одной частоте, и выше неё потенциал экрана возрастает.

f_sh = 1 / (2π · √(L_g · C_p-sh))

где f_sh — частота, на которой импеданс заземления экрана равен реактивному сопротивлению связи экрана, L_g — индуктивность заземляющего провода в нГн, а C_p-sh — емкость между первичной обмоткой и экраном в пФ. При 25 нГн и 180 пФ эта частота составляет 75 МГц.

Выше 75 МГц последовательный проводник становится активным, и экран перестает перехватывать сигналы. Частота находится в диапазоне излучения от 30 МГц до 100 МГц, поэтому экран, устраняющий кондуктивные помехи, может оставлять и излучаемые. Короткая, широкая, двойная заземляющая полоса снижает L_g и повышает f_sh.

2.3 Ток на частоте переключения, который перенаправляет экран

Узел обратноходового переключателя, изменяющий напряжение со скоростью 1 В/нс, создает ток смещения во вторичной обмотке через последовательный остаточный ток. Экран уменьшает амплитуду и не удаляет механизм.

i_cm = C_series · dv/dt

где i_cm — инжектированный синфазный ток в мА, C_series — остаточная емкость последовательного узла в пФ, а dv/dt — скорость спада напряжения на узле переключения в В/нс. Остаточная емкость 99 пФ и спад напряжения 1 В/нс дают синфазный ток 99 мА.

Этот ток не проявляется при проверке на утечку на частоте 50 Гц. Он протекает через цепь, подключенную к пациенту, создает напряжение на импедансе кабеля и возвращается обратно в низкочастотное измерение посредством выпрямления и нелинейности измерительной аппаратуры. Каждый Y-конденсатор или ферритовый конденсатор, изменяющий синфазный ток, также изменяет это напряжение.

2.4 Распределение остаточных значений 50 Гц

На частоте, определяющей результат испытания, через каждый пикофарад, проходящий через барьер, проходит фиксированный ток при фиксированном напряжении сети.

I_leak = 2π · f · C_res · V

где I_leak — ток утечки в мкА, f — частота сети в Гц, C_res — остаточная емкость, приведенная к стороне пациента, в пФ, и V — напряжение сети в В. При 264 В переменного тока и 50 Гц каждый пФ пропускает 0.083 мкА, поэтому 100 пФ пропускают 8.3 мкА.

Питание аппарата ИВЛ с установленным экраном включает в себя остаточную емкость трансформатора 12 пФ, вспомогательную DC/DC-связь 40 пФ, Y-емкость 22 пФ, приведенную к стороне пациента, паразитную емкость платы 15 пФ и емкость кабеля пациента 12 пФ. В сумме эти пять составляющих дают 101 пФ и 8.4 мкА.

До установки защитного экрана тот же источник питания потреблял 179 пФ и 14.9 мкА, поскольку трансформатор сам по себе имел емкость 90 пФ. Экран уменьшил ток на 6.5 мкА и оставил 8.4 мкА, что на 1.6 мкА меньше допустимого предела и не оставляет места для старения или разброса характеристик партии.

Рис. 1 — Экран оставляет пять остаточных проводящих путей, суммарная емкость которых составляет 101 пФ и ток 8.4 мкА, с запасом в 1.6 мкА по сравнению с пределом типа CF.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Защитный экран обеспечил лишь 60% необходимых для проекта результатов.

В ходе исследования, проведенного с использованием аппарата ИВЛ, утечка тока у пациента составила 14.9 мкА до экранирования и 8.4 мкА после. Оставшееся значение на 1.6 мкА ниже допустимого предела, при этом не учитывались влажность, старение или разброс параметров партии. Команда попыталась изменить маршрутизацию проводов, добавить ферриты и уменьшить размер Y-конденсаторов.

Каждое изменение влияло на результат измерения выбросов, что, в свою очередь, приводило к дальнейшим изменениям, снова изменяющим значение утечки. Программы, работающие таким образом, расходуют два-три цикла проверки проекта, и цикл завершается только тогда, когда кто-то присваивает каждому микроамперу определенный путь.

Проблема 2: Переделка для обеспечения электромагнитной совместимости и ток утечки проходят через одну емкость.

Кондуктивные помехи не проходят проверку в диапазоне от 200 кГц до 1 МГц. Увеличение емкости Y-конденсатора с 1 нФ до 2.2 нФ устраняет помехи и повышает ток, обусловленный сетевой частотой, до 183 мкА при 264 В переменного тока и 50 Гц. При этом увеличиваются утечка тока через корпус и вклад, связанный с заземлением, и повторная проверка показывает неудовлетворительный результат с погрешностью в 1–2 мкА.

Экранирование только усугубляет тот же конфликт. Оно перенаправляет ток на частоте переключения в заземляющий провод, что повышает уровень шума относительно земли, который затем приходится поглощать Y-конденсаторам. Два инженера настраивают одну общую величину без общей модели, и решения колеблются.

Проблема 3: Партийная торговля сама по себе съедает маржу.

Среднее значение для инженерных образцов составило 8.2 мкА со стандартным отклонением 0.3 мкА. Среднее значение для образцов, использованных в ходе проверки конструкции новой партии трансформаторов и новой печатной платы, составило 8.9 мкА со стандартным отклонением 0.9 мкА, при этом два из пятидесяти образцов превысили отметку в 10 мкА. Остаточная погрешность обусловлена ​​суммой значений, полученных из-за небольших геометрических параметров: ширины нахлеста экрана, положения краевой ленты, трассировки проводников и размера паяного шва.

Дисперсии суммируются по квадратуре, поэтому пять остаточных членов при 2–5 пФ каждый с разбросом ±20 % дают примерно ±0.9 мкА при 3σ. Соответствие становится статистическим вопросом, и возможности процесса по отношению к пределу в 10 мкА для параметра безопасности остаются ниже 1.33, ожидаемого системой контроля качества.

Проблема 4: Остаточный доход увеличивается в процессе обслуживания.

Аппарат для диализа прошел приемку при токе 7.9 мкА. После 18 месяцев эксплуатации в отделении интенсивной терапии при относительной влажности 60–75% и еженедельной дезинфекции, полевые проверки показали ток 9.2–9.6 мкА, а один из аппаратов сработал на сигнал тревоги при токе 10.3 мкА. Влагопоглощение и ионное загрязнение увеличивают утечку тока через краевую изоляцию и через все поверхности панелей между двумя зонами изоляции.

Сопротивление контакта заземления экрана также возрастает при окислении, что смещает делитель в секции 2.2 как на гармониках сети, так и на частоте переключения. Конденсатор связи класса II в том же цепи добавляет резистивный член, который увеличивается в 5-10 раз после воздействия влажного тепла, и никакое экранирование трансформатора не влияет на него.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите трансформатор по остаточной емкости.

Не принимайте слова «электростатический экран» в качестве строки в техническом описании. Требуйте от производителя намоток гарантировать остаточную емкость между первичной и вторичной обмотками не более 10 пФ, измеренную трехконтактным методом на частоте 1 кГц, с приложением отчета о партии. Укажите индуктивность заземляющего провода не более 20 нГн, с короткими широкими заземляющими полосами на обоих концах.

Гарантированный остаточный ток в 10 пФ составляет 0.83 мкА при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц, и это значение можно включить в таблицу распределения. Неуказанный экранированный компонент вносит вклад от 0.8 до 4 мкА, и проектирование нельзя завершить без измерения тока в каждом элементе.

Стратегия 2: Распределение ёмкости следует указать до схемы.

Составьте таблицу всех путей от первичной обмотки к вторичной и от питающей части к земле: остаточная емкость трансформатора, вспомогательные преобразователи, Y-конденсаторы, паразитная емкость платы, кабель пациента и компоненты связи сигнала. Вычислите каждый член как I = 2πfCV при 264 В переменного тока и 50 Гц, и удерживайте расчетный общий ток на уровне 8.4 мкА с резервом в 1.6 мкА.

Любые последующие изменения электромагнитной совместимости или тепловых характеристик должны оплачиваться из резерва или компенсироваться из других источников. Это единственное правило устраняет большую часть колебаний, описанных в пункте 2, поскольку оба инженера работают за одной столом.

Путь соединения	емкость	Вклад при напряжении 264 В переменного тока	Экшн
Остаточные напряжения трансформатора плюс свинцовая оплетка	12 пФ	1.0 мкА	укажите остаточный ток при 10 пФ
Вспомогательная изолированная DC/DC связь	40 пФ	3.3 мкА	Соединительные элементы класса I, 22 пФ
Y-конденсаторы относятся к стороне пациента.	22 пФ	1.8 мкА	Детали класса I с емкостью от 220 пФ до 470 пФ
Паразитная емкость платы на границе раздела фаз	15 пФ	1.2 мкА	Очистите внутренние плоскости под прорезью.
распределенная емкость кабеля пациента	12 пФ	1.0 мкА	более короткий кабель, оболочка с низкой диэлектрической проницаемостью
Полная мощность при установленном щите.	101 пФ	8.4 мкА	удерживает 1.6 мкА в резерве

Стратегия 3: Заменить раздутый Y-конденсатор на небольшой компонент класса I.

В тех случаях, когда значение Y было увеличено для устранения излучения, примените обратный подход. Уменьшите емкость конденсатора с 2.2 нФ до 220 пФ, а затем до 470 пФ, используя... N4700 Часть класса I, и восстановление затухания с помощью более мощного синфазного дросселя. Член, описывающий работу на частоте сети, снижается со 183 мкА до 18.2 мкА при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц.

Меньшее значение также улучшает импеданс частоты переключения, если компонент имеет низкую эквивалентную последовательную индуктивность и сопротивление. Пленочный конденсатор остается допустимым выбором в позиции X, где дифференциальный режим требует большей емкости, а керамический компонент подходит для позиции Y, где задается величина тока утечки.

Стратегия 4: Обеспечить локальный возврат тока переключения.

Добавьте мостовой конденсатор емкостью от 22 пФ до 47 пФ параллельно трансформатору, расположив его как можно ближе к узлу выключателя, используя тот же диэлектрик класса I. Этот элемент обеспечивает остаточной цепи известный, стабильный и экранированный путь, а также ограничивает потенциал экрана, что снижает краевое напряжение на неконтролируемых паразитных элементах.

Компонент емкостью 47 пФ вносит вклад в 3.9 мкА на частоте сетевого тестирования, поэтому его необходимо компенсировать за счет резерва или с помощью соответствующего Y-образного конденсатора. Для ограничения резонанса экранирующей цепи следует последовательно подключить демпфирующий резистор сопротивлением от 10 Ом до 100 Ом.

Стратегия 5: Проверить каждый элемент барьера на наличие частичных разрядов и сопротивление изоляции.

Остаточная связь никогда не достигает нуля, поэтому каждый конденсатор, перекрывающий барьер, должен поставляться экранированным. Требуется уровень частичного разряда ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, сопротивление изоляции выше 100 000 МОм на единицу и коэффициент рассеяния ниже 0.1 % при 1 кГц. Каждый параметр должен быть указан в отчёте о партии.

В детали без экранирования после двух лет воздействия влажного тепла образуется поверхностно-проводящий путь, и точка контакта с сопротивлением 3 пФ превращается в источник утечки. Экранирование преобразует неконтролируемую полевую переменную в ограниченную и проверяемую величину.

Стратегия 6: Проверяйте собранный барьер, а не только его отдельные части.

Измерьте утечку тока через кабеле пациента в соответствии со стандартом IEC 60601-1 при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц, используя исследуемый элемент в наихудшей конфигурации. Повторите измерение через 48 часов при температуре 85 °C и относительной влажности 85 %, допустив дрейф в 0.5 мкА или менее. Измерьте синфазный ток на частоте переключения кабеля пациента при полной нагрузке и удерживайте пиковое значение ниже 5 мА.

Добавить резистор выборки в обратном пути датчика утечки, а также проверьте целостность экрана и индуктивность заземляющего провода при производственных испытаниях. Эти четыре измерения охватывают каждый механизм, описанный в разделе 2.

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. Компоненты HVC для сети остаточной связи

Для устранения остаточной утечки требуется нечто большее, чем просто конденсатор. Компания HVC поставляет три семейства компонентов, охватывающих три основных направления: контролируемая связь на барьере, контролируемый разряд в цепи разрядника и контролируемое восстановление в выпрямительном каскаде. Серийные поставки осуществляются крупными производителями медицинского оборудования из списка Fortune 500 с собственного завода площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающего диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент рассеяния ниже 0.1 % и температурный коэффициент ±30 ppm/°C. Емкость, расположенная при 25 °C, равна емкости, которую пациент наблюдает при 85 °C и после пяти лет циклического изменения влажности, поэтому распределение, указанное в разделе 2.4, остается в силе.
• Сопротивление изоляции превышает 100 000 МОм·мкФ. Резистивная составляющая остается в диапазоне наноампер при рабочем напряжении, что ограничивает рост остаточного сопротивления в процессе эксплуатации десятками наноампер.
• Эквивалентная последовательная индуктивность ниже 20 нГн. Эта часть обеспечивает путь синфазного сигнала на частоте переключения на краях полосы, поэтому результат излучения не зависит от величины емкости.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, экранируется на единицу. Положение с контактной емкостью 3 пФ сохраняет эту емкость и не становится проводящим путем после двух лет воздействия влажного тепла.
• Механическая и термическая стабильность эпоксидного покрытия. Емкость и сопротивление изоляции сохраняются после термических циклов, что компенсирует резонанс экранирующей сети и дрейф делителя.
• Координированные компоненты. HVCT8G и компоненты HVCT9G сочетаются друг с другом толстопленочный резистор для роли кровопускателя и быстровосстанавливающийся диод для выпрямительного каскада.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а компоненты с нестандартной емкостью или шагом выводов — в течение 6–10 недель. Медицинские заказы включают данные о сопротивлении изоляции на единицу, отчет о частичном разряде при 5 пКл и т. д. Перекрестная ссылка Таблица для сравнения с высоковольтными сериями Murata DHS, TDK UHV и Vishay с указанием эквивалентности параметров для каждой позиции.

Отправьте значение остаточной мощности трансформатора, схему барьера, частоту переключения преобразователя, значение емкости конденсатора Y и длину кабеля пациента. HVC вернет лист распределения, в котором указаны значения каждого микроампера, номера деталей для каждого пути и образцы устройств для повторного испытания на воздействие влаги и тепла.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему экранированный трансформатор не устранил все утечки?

Поскольку экран перекрывает емкость, которую он физически покрывает, витки катушки, расположение выводов, швы экрана и заземляющее соединение находятся за пределами этой зоны покрытия, оставляя от 2 пФ до 8 пФ прямого перекрытия. При общей емкости барьера в 101 пФ трансформаторная составляющая составляет 12 пФ, а остальная часть относится к другим путям.

В2: Насколько сильно экран снижает сопротивление?

Емкость между обмотками уменьшается с 60 % до 85 %. Обмотка емкостью 90 пФ становится меньше, чем 8 пФ, а емкость одной обмотки вентилятора снижается с 14.9 мкА до 8.4 мкА при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц. Снижение реальное, а оставшуюся часть необходимо распределить по другим цепям.

В3: Какое значение остаточной емкости следует указать для трансформатора?

Емкость 10 пФ или менее, измеренная трехконтактным методом на частоте 1 кГц, с указанием партии и индуктивностью заземляющего вывода 20 нГн или менее. Гарантированная емкость 10 пФ соответствует току 0.83 мкА при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц. Неуказанная экранированная часть вносит вклад от 0.8 мкА до 4 мкА.

Вопрос 4: Можно ли использовать конденсатор большей емкости для коррекции электромагнитной совместимости?

Да, это возможно, и значение тока утечки будет меняться вместе с ним. Y-конденсатор емкостью 2.2 нФ пропускает 183 мкА при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц. Уменьшите значение до 220–470 пФ с помощью компонента класса I и восстановите ослабление, используя более мощный синфазный дроссель, затем повторно проверьте межвитковую емкость дросселя.

Вопрос 5: Какова функция мостового конденсатора?

Это обеспечивает локальный возврат остаточной составляющей частоты переключения через известную и стабильную часть. Часть емкостью от 22 до 47 пФ, размещенная в узле переключения, ограничивает потенциал экрана и снижает краевое напряжение на неконтролируемых паразитных элементах. Часть емкостью 47 пФ вносит вклад в 3.9 мкА на частоте сетевого тестирования, поэтому ее следует компенсировать уменьшением емкости с помощью Y-конденсатора.

В6: Что необходимо измерить перед выпуском?

Четыре параметра. Утечка тока от пациента при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц в наихудшем случае конфигурации используемой части. Аналогичные измерения после 48 часов при температуре 85 °C и относительной влажности 85 % с пределом дрейфа 0.5 мкА. Синфазный ток на кабеле пациента при полной нагрузке, поддерживаемый ниже пикового значения 5 мА. И целостность экрана относительно индуктивности заземляющего провода.

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. IEC 60601-1-2:2014+AMD1:2020, Медицинское электрооборудование — Часть 1-2: Сопутствующий стандарт: Электромагнитные помехи — Требования и испытанияЖенева: МЭК, 2020.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, 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. Y. Zhou, B. Chen, C. Tian, ​​J. Yuan и Y. Chen, Параллельный линейный преобразователь с диодным ограничением для испытаний на выдерживаемое напряжение и измерения частичных разрядов электрооборудования.Высокое напряжение, том 8, № 1, стр. 171-182, 2023. https://doi.org/10.1049/hve2.12312
8. Рекомендации по измерению частичных разрядов в соответствии со стандартом IEC 60270П. Мраз, С. Абдул Мадхар, П. Трейер и У. Хаммер (Haefely AG), Репозиторий TU Delft, https://repository.tudelft.nl/record/uuid:81049202-9bf5-4b75-87aa-2b16842fd956 .
9. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量 (Методы испытаний высоким напряжением. Измерения частичных разрядов). Пекин: 中国标准出版社, 2018.
10. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влагиНадежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com