Hochspannungskondensatoren für tragbare Niederfeld-MRT-Systeme

Hochspannungskondensatoren für tragbare Niederfeld-MRT-Systeme

Abstract

Ein tragbares MRT-System passt auf einen Wagen und deckt Feldstärken von 0.1 T bis 0.55 T ab. Die elektrische Belastung bleibt jedoch unverändert: 1000-V-Bus, 2 kV bis 5 kV HF-Kopplungsknoten und eine Restwelligkeit der Zwischenkreisspannung unter 1 %. Die Miniaturisierung wird somit zu einem thermischen und parasitären Problem. Dieser Artikel beschreibt die Leistungsdichtegrenze, den Kompromiss zwischen ESL und Eigenresonanz sowie die Gehäuseoptionen, die das Gewicht des Gehäuses unter 300 kg halten.

1. Einleitung

Tragbare Niederfeld-MRT-Geräte decken einen Bereich von 0.1 T bis 0.55 T ab und werden mittlerweile auf Intensivstationen, in der Schlaganfall-Triage, in Feldlazaretten und abgelegenen Kliniken eingesetzt. Ein raumfüllendes 1.5-T- oder 3-T-System wiegt 6 bis 8 Tonnen. Ein tragbares Gerät hingegen nutzt einen kompakten Permanentmagneten und wiegt unter 300 kg, sodass es mit einem Transportwagen oder einem kleinen Lieferwagen transportiert werden kann.

Hyperfine Swoop, Siemens MAGNETOM Free.Max und United Imaging uMR 0.35T sind klinisch im Einsatz. Der Magnet schrumpft um eine Größenordnung. Die elektrische Spannung verringert sich jedoch nicht.

Eine Gradientenspule benötigt weiterhin eine Zwischenkreisspannung von 500 V bis 1000 V, um die erforderliche Anstiegsgeschwindigkeit zu erreichen. Ein HF-Leistungsverstärker benötigt weiterhin einen Kopplungsknoten mit einer Spannung von 2 kV bis 5 kV. Der Zwischenkreisfilter muss die Restwelligkeit weiterhin unter 1 % halten, da sonst die Gradientenstromschleife oszilliert.

Drei Anforderungen müssen in einem kleinen Gehäuse erfüllt werden: hohe Spannungsfestigkeit, geringe Verluste und Magnetfeldverträglichkeit. Dieser Artikel behandelt die Leistungsdichtebegrenzung, die der ersten Anforderung zugrunde liegt, den Kompromiss zwischen ESL und Eigenresonanz, der der zweiten Anforderung zugrunde liegt, sowie die Wahl des Dielektrikums, die die dritte Anforderung bedingt.

2. Kernmechanismus

2.1 Die Leistungsdichtegrenze

Das Gehäuse verfügt über eine feste Wärmeabfuhrfläche, und ein tragbares Gerät besitzt keinen Lüfter. Bei natürlicher Konvektion und einer zulässigen internen Temperaturerhöhung von 40 °C erreicht die volumetrische Leistungsdichte maximal etwa 0.15 W/cm³.

Die Verluste eines Zwischenkreiskondensators unter dem Einfluss des Restwellstroms I_r resultieren aus seinem ESR-Wert:

P_loss = I_r² · ESR

wobei I_r der Effektivwert des Restwelligkeitsstroms, ESR der äquivalente Serienwiderstand bei der Restwelligkeitsfrequenz und P_loss die Verlustleistung in Watt ist.

Eine 1000-V-Busspannung mit 20 A Restwelligkeit liefert 20 mW in einem Bauteil mit 50 mΩ ESR. Ein herkömmliches Y5V-Keramikbauteil mit 500 mΩ liefert im selben Knoten 200 mW. In einem 0.35-T-Prototyp zeigte die Wärmebildanalyse, dass SMD-Bauteile aus N4700 18 °C kühler liefen als ihre bedrahteten Pendants.

2.2 ESL und Selbstresonanz

Eine kleinere Baugröße reduziert die ESL, jedoch werden die Pad- und Leiterbahnkomponenten zu den dominierenden Größen. Die Eigenresonanz des montierten Bauteils beträgt:

f_res = 1 / (2π · √(ESL · C))

wobei ESL die äquivalente Serieninduktivität der Schleife, C die Kapazität und f_res die Eigenresonanzfrequenz ist, der Punkt, oberhalb dessen das Teil induktiv wird.

Ein 10 nF-Bauteil mit 4 nH Schleifen-ESL resoniert bei 25.2 MHz. Diese Frequenz liegt oberhalb des Gradientenbandes von 20 kHz bis 50 kHz sowie oberhalb der HF-Trägerfrequenzen von 64 MHz und 128 MHz. Ein bedrahtetes Bauteil mit 15 nH resoniert nahe 13 MHz und wird bei 128 MHz induktiv, was das B1-Feld verzerrt.

2.3 Dielektrische Reaktion im Magneten

Ein Magnetfeld von 0.1 T bis 0.55 T ist moderat, jedoch tragen die Gradientenspulen zusätzlich zu einer Feldänderungsrate (dB/dt) im Millitesla-Bereich bei. Keramik der Klasse I, wie z. B. N4700, ist eine para-dia-Mischphase, deren Permittivität sich um weniger als 0.5 % pro Tesla ändert. Ferroelektrische Keramik der Klasse II ändert ihre Permittivität um 2 % bis 5 % pro Tesla und beeinflusst damit die B1-Amplitude.

2.4 Spannungskoeffizient und effektive Kapazität

Keramik der Klasse II verliert unter Gleichstromvorspannung ebenfalls ihre Permittivität, daher entspricht der Wert im Datenblatt nicht dem Betriebswert:

C_eff = C_nom · (1 + k_V · V_bias)

wobei C_nom die Nennkapazität, k_V der Spannungskoeffizient, V_bias die angelegte Gleichspannung und C_eff die effektive Kapazität bei dieser Vorspannung ist.

Ein nominell 10 nF Y5V-Bauteil kann bei 800 V auf 4 nF abfallen. Die Zwischenkreiswelligkeit steigt dann von 0.6 % auf über 1.5 %, was ausreicht, um eine Gradientenstromschleifenschwingung auszulösen. Bauteile der Klasse I halten k_V unter 5 %, sodass C_eff nahe C_nom bleibt.

2.5 Wellenabfall

Der Spannungsabfall am Bus während eines Gradientenimpulses folgt der aus der Batteriebank entnommenen Ladung:

ΔV = I · Δt / C

wobei I der Laststrom, Δt die Impulslänge, C die Bankkapazität und ΔV der Spannungsabfall über den Impuls ist.

Abb. 1 — Ein Keramikbauteil der Klasse II sinkt bei 800 V von 10 nF auf 4 nF, wodurch die Restwelligkeit des Zwischenkreises von 0.6 % auf über 1.5 % ansteigt.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Das Gehäuse verfügt über weniger als ein Drittel der Ableitungsfläche

Ein MRT-Schrank in Schreibtischgröße bietet Platz für Kühlkörper und Zwangsluftkühlung. Ein tragbarer Schrank hingegen nicht. Herkömmliche TO-220-Bauteile mit eigenen Kühlkörpern widersprechen direkt dem Gewichtsziel. In einem 0.35-T-Projekt beanspruchte eine DC-Link-Bank in voller Größe (1.5 T) 40 % des Schrankvolumens und erforderte eine komplette Neukonstruktion.

Problempunkt 2: Kapazitätszusammenbruch unter Vorspannung

Ferroelektrische Keramik der Klasse II verliert bei 500 V bis 1000 V Gleichspannung 30 % bis 60 % ihrer Permittivität. Ein Bauteil mit einer Nennkapazität von 10 nF liefert bei 800 V nur noch 4 nF. Die Restwelligkeit steigt auf über 1.5 %, und die Gradientenschleife oszilliert. Das Problem besteht darin, dass der Wert im Datenblatt bei niedriger Vorspannung gemessen wird, sodass der Verlust erst sichtbar wird, wenn die Platine mit voller Busspannung betrieben wird.

Problempunkt 3: Überschüssige ESL verstimmt den HF-Kanal

Bedrahtete Hochspannungskondensatoren führen zu einem ESL-Wert über 15 nH. Sie werden im Bereich von 64 MHz und 128 MHz induktiv und führen zu einer Reaktanz im Abstimmnetzwerk, was eine Anpassung erforderlich macht. Ein Hersteller von Phased-Array-Spulen maß einen Verlust der B1-Gleichmäßigkeit von 12 % bei Verwendung bedrahteter Bauteile und konnte diesen erst durch den Einsatz von SMD-Bauteilen mit niedrigem ESL-Wert wiederherstellen.

Problempunkt 4: Chargenabweichungen im Feld

Tragbare MRT-Geräte erfordern eine Kapazitätsdrift von unter 2 % über alle Feldstärken hinweg. Einige Keramiken der Klasse II weisen deutliche Chargenschwankungen zwischen 0.1 T und 0.5 T auf, sodass zwei nach derselben Zeichnung gefertigte Prototypen einen Unterschied von 5 % in der Gradientenstromkurve zeigen. Jedes Gerät muss daher einzeln neu kalibriert werden, was die Serienproduktion verhindert.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Auswahl von SMD-Gehäusen der Klasse I

Arbeiten jederzeit weiterbearbeiten können. Jede Präsentation und jeder KI-Avatar, den Sie von Grund auf neu erstellen oder hochladen, N4700 Bauteile der Klasse I in den SMD-Gehäusen 1206, 1210 und 1812 decken einen Spannungsbereich von 2 kV bis 6 kV ab und weisen einen DF-Wert unter 0.1 %, einen Spannungskoeffizienten unter 5 % und eine ESL unter 5 nH auf. Ein 0.35-T-Prototyp reduzierte das DC-Link-Volumen von 380 cm³ auf 140 cm³, was einer Reduzierung um 63 % entspricht.

Strategie 2: Die Bauteile in die Leiterplatte einbetten

Dünne Gehäuse unter 3 mm können in innere Leiterplattenlagen eingebettet oder mit Kupfer-Kühlkörpern verbunden werden. Dadurch wird der Stromkreis verkürzt und die gesamte DC-Link-ESL mit 4 oz Kupfer unter 2 nH gesenkt, was die Resonanzfrequenz (f_res) auf über 50 MHz erhöht und alle Frequenzbänder tragbarer MRT-Geräte abdeckt.

Strategie 3: Bauen Sie ein Gleichrichter- und Filtermodul aus HVC-Bauteilen.

Paar Fast-Recovery-Dioden Mit Erholungszeiten unter 50 ns und N4700-Kondensatoren bildet es ein kompaktes Gleichrichter- und Filtermodul. Im Vergleich zu einer Ausführung mit 1N4007-Kondensatoren und Elektrolytkondensatoren reduziert sich das Volumen um etwa 80 % und die Restwelligkeit sinkt unter 0.5 %. Die Anordnung wird in einem tragbaren MRT-Gerät für Intensivstationen in China in Serie gefertigt.

Strategie 4: Drahtwiderstände durch Glaswiderstände ersetzen

In den Vorlade- und Messschaltungen kann ein drahtgewickelter Hochspannungswiderstand mehr als 120 g wiegen. Dickschichtwiderstand In Glasur erreicht es eine Leistungsdichte von 2 W/cm² und wiegt bei gleichem Widerstandswert 8 g, mit einer 10-fachen Impulsüberlastfestigkeit.

Strategie 5: Teilentladungen und magnetische Drift in einem Durchgang abschirmen

Medizinische Bauteile sind einer 100%igen Teilentladungsprüfung bei 5 pC und der 1.5-fachen Nennspannung zu unterziehen. Anschließend werden die Detektionsfaktoren (DF) und die Kapazitätsdrift an Serienmustern unter einem 0.5-T-Feld bei 128 MHz geprüft. Der Prüfbericht kann den Konstruktionsunterlagen beigefügt werden, sodass der OEM die gleiche Prüfung nicht wiederholen muss.

Strategie 6: Konsolidierung der Hochspannungs-Stückliste auf eine einzige Quelle

Ein Lieferant für Kondensatoren, Dioden, HVRGXP-AbtastwiderständeDurch die Verwendung von Präzisionsteilern entfällt ein Eingangsprüfweg pro Teilefamilie. Nach der Festlegung der Stückliste werden die Zertifizierungsarbeiten und die Zweitlieferantenqualifizierung in einem einzigen Dokumentensatz zusammengefasst.

Strategie 7: Paketoptionen vergleichen, bevor das Layout finalisiert wird

Ein Klassiker Folienkondensator Die Kapazität wird unter Vorspannung gut gehalten, das Volumen pro Joule ist jedoch deutlich größer. Ein Keramikbauteil ist hinsichtlich Volumen und ESL überlegen, daher passt der Folienbauteil nur an Stellen mit hohem Reststrom und ausreichend Platz.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC-Kondensatoren für den tragbaren MRT-Schrank

Die Miniaturisierung erfordert drei Eigenschaften gleichzeitig: ein kleines Gehäuse, geringe Verluste und eine stabile Magnetkapazität. HVC fertigt N4700-Bauteile, die all diese Anforderungen erfüllen, in einem 6,000 m² großen, firmeneigenen Werk in Dongguan für einen Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• ESL unter 5 nH. Die SMD-Serie weist oberhalb von 25 MHz eine kapazitive Impedanz auf, wo sich die HF-Träger und die Gradientenharmonischen befinden.
• Der DF liegt unter 0.1 %. Die Verluste pro Bauteil bleiben bei einer 1000-V-Busspannung und einer Restwelligkeit von 20 A nahe 20 mW, sodass der Schrank keine Zwangslüftung benötigt.
• Der Spannungskoeffizient liegt unter 5 %. Die Kapazität ändert sich kaum mit steigender Busspannung, sodass die Restwelligkeit bei Volllast unter 1 % bleibt.
• Die Drift liegt bei 0.5 % unter 0.5 T. Das Dielektrikum N4700 ist nichtmagnetisch, daher bleibt die Wiederholbarkeit der Gradientenwellenform zwischen den Geräten erhalten.
• Teilentladungen unter 5 pC bei 1.5-facher Nennspannung. Die Abschirmung begrenzt die dielektrische Degradation während der Lebensdauer eines Geräts, das nicht vor Ort gewartet werden kann.
• Zusammengehörige Bauteile. HVD-Dioden, HVRGFP- und HVRGXP-Glaswiderstände und HVR-BSP Die Teiler können mit den Kondensatoren ausgewählt werden, und HVC passt auch. Murata Präsenzbereiche von DHS und DHR.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen, kundenspezifische Ausführungen innerhalb von 6 bis 10 Wochen geliefert. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt die Gehäuseauswahl, den Leiterplattenaufbau, die thermische Simulation und die EMV-Filterung für das tragbare Gehäuse.

Bitte senden Sie die Busspannung, den Restwelligkeitsstrom, die Gehäuseabmessungen und den Feldpegel. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen ein entsprechendes Datenblatt mit Teilenummern, DF- und ESL-Daten bei der Betriebsfrequenz sowie ein Evaluierungskit mit zwei Mustern.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum liefert ein 10 nF Bauteil im Schaltkreis nur 4 nF?

Da ferroelektrische Keramik der Klasse II unter Gleichspannung ihre Permittivität verliert, kann ein nominelles 10 nF Y5V-Bauteil bei 800 V auf 4 nF abfallen. Dies erhöht die Restwelligkeit des Zwischenkreises von 0.6 % auf über 1.5 % und kann zu Gradientenschwingungen führen. Dielektrika der Klasse I halten den Spannungskoeffizienten unter 5 %, sodass die effektive Kapazität nahe am Nennwert bleibt.

Frage 2: Wie klein kann die DC-Link-Bank werden?

Die Größe der Speicherbank richtet sich nach ΔV = I · Δt / C. Zuerst wird der zulässige Spannungsabfall festgelegt, anschließend wird C aus dem Impulsstrom und der Impulslänge abgelesen. Bei einem 0.35-T-Prototyp konnte durch den Wechsel von bedrahteten Bauteilen zu 1210-SMD-Bauteilen das Speicherbankvolumen von 380 cm³ auf 140 cm³ reduziert werden, ohne die Kapazität zu verändern. Die Integration der Bauteile in die Leiterplatte senkt die ESL weiter.

Frage 3: Ändert ein 0.55 T Magnet die Wahl des Dielektrikums?

Ferroelektrische Bauteile der Klasse II scheiden weiterhin aus. Die Permittivität dieser Bauteile ändert sich um 2 % bis 5 % pro Tesla, sodass die B1-Amplitude mit dem Magnetfeld driftet. Keramik der Klasse I ändert sich um weniger als 0.5 % pro Tesla, und das Magnetfeld ist nur in Bezug auf den Gradienten dB/dt relevant, der B0 überlagert ist.

Frage 4: Woher kommt ESL, nachdem das Paket verkleinert wurde?

Von den Lötpads, Durchkontaktierungen und Leiterbahnen auf der Leiterplatte. Ein kleines Bauteil mit einer langen Leiterbahnschleife weist dennoch eine niedrige Resonanzfrequenz auf. Halten Sie die Schleife kurz, verwenden Sie dickes Kupfer und messen Sie das bestückte Bauteil, nicht das unbestückte. Ein 10-nF-Kondensator mit 4 nH Schleifenwiderstand (ESL) resoniert bei 25.2 MHz und liegt damit deutlich über der 128-MHz-Trägerfrequenz.

Frage 5: Kann ein Folienkondensator den Keramikteil ersetzen?

Nur dort, wo der Platz es zulässt. Ein Folienkondensator behält seine Kapazität unter Vorspannung und kann hohe Restwelligkeit aufnehmen, benötigt aber pro Joule ein deutlich größeres Volumen. In einem Gehäuse unter 300 kg ist der Keramikteil in der Regel hinsichtlich Volumen und ESL überlegen, und der Folienteil wird an den Knotenpunkten mit der höchsten Restwelligkeit platziert.

Frage 6: Was muss nach der Substitution geprüft werden?

DF und ESR bei der Betriebsfrequenz, ESL des Bauteils, Kapazitätsdrift im Feld und Teilentladung bei 1.5-facher Nennspannung. Diese vier Messungen sollten vor dem endgültigen Layout durchgeführt werden. Ein Test einer Stichprobe unter einem 0.5-T-Feld bei 128 MHz liefert dem OEM einen Bericht, der den Konstruktionsunterlagen beigefügt werden kann.

7. Referenzen

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11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com