Sobretensão de inicialização do gradiente de ressonância magnética: capacitores de absorção do link CC

Sobretensão de inicialização do gradiente de ressonância magnética: capacitores de absorção do link CC

Sumário

Os amplificadores de gradiente de ressonância magnética consomem de 10 kA a 20 kA na partida a frio, e o barramento do link CC apresenta picos de tensão de 120% a 150% do seu valor em regime permanente. Este artigo compara resistores de pré-carga, partida suave com tiristores e capacitores de absorção. Em seguida, apresenta o esquema de três estágios, as fórmulas de dimensionamento e os resultados medidos. Em um sistema de 3.0 T, a tensão de pico do barramento caiu para 102%, o tempo de inicialização para 1.8 s e o MTBF aumentou em 40%.

1. Introdução

Um amplificador de gradiente de ressonância magnética opera em um barramento CC de 600 V a 800 V. Sua corrente de pico de saída situa-se entre 500 A e 1000 A. Atrás da ponte retificadora encontra-se um banco de armazenamento de energia de vários milhares de microfarads.

Na partida a frio, esse banco de capacitores está vazio. Para o retificador, isso se comporta como um curto-circuito, então a corrente de pico atinge de 10 kA a 20 kA. A tensão na barra ultrapassa 120% a 150% do seu valor estável, que é de 720 V a 1200 V em uma linha de 800 V.

Esse pico sobrecarrega o banco de diodos, a ponte retificadora, o fusível e todos os módulos IGBT ou SiC na linha de alimentação. A solução usual é um resistor de pré-carga com um relé de bypass. Isso limita o primeiro pico, mas aumenta o tempo de inicialização em 3 a 5 segundos e desgasta os contatos do relé em menos de 10,000 operações.

Este artigo descreve o transiente de inicialização estágio por estágio. Compara três métodos de supressão e, em seguida, apresenta os valores dos capacitores, as regras de layout e os resultados medidos para um sistema de 3.0T.

2. Mecanismo Central

2.1 Quatro estágios de um transiente de inicialização

Pré-carga, de 0 ms a 500 ms. A entrada CA carrega o banco de diodos do barramento CC através do resistor de pré-carga. A tensão do barramento sobe para cerca de 90% do estado estacionário.

Comutação, 500 ms a 550 ms. Um relé ou tiristor desvia o sinal do resistor e o barramento passa para 100%.

Absorção de pico, de 550 ms a 2 s. A ressonância LC eleva a tensão no barramento acima de seu valor estável, e o capacitor de absorção absorve essa energia.

Em regime permanente, acima de 2 s. O barramento estabiliza e o banco transporta apenas corrente de ondulação.

2.2 Sobretensão devido à ressonância LC

A sobretensão resulta da ressonância entre a indutância do circuito e a capacitância do barramento:

V_peak = V_DC × (1 + √(1 − ζ²)) × exp(−ζπ / √(1 − ζ²))

onde V_peak é a tensão de pico do barramento, V_DC a tensão de regime permanente do barramento e ζ o coeficiente de amortecimento.

O coeficiente de amortecimento define a velocidade com que o anel se desintegra:

ζ = R_total / (2 × √(L_loop / C_bus))

onde R_total é a resistência do circuito, incluindo a ESR do capacitor, L_loop é a indutância do circuito em µH e C_bus é a capacitância do barramento em µF.

Com resistência de loop praticamente nula, ζ tende a zero e o pico atinge o dobro da tensão do barramento. Um capacitor de absorção aumenta a capacitância equivalente, C_eq = C_bus + C_abs. A frequência de ressonância diminui e a taxa de amortecimento aumenta.

2.3 Energia armazenada no banco

A energia armazenada no banco de dados quando totalmente carregado é:

E_startup = 0.5 × C_bus × V_DC²

onde E_startup é a energia armazenada em joules, C_bus a capacitância do barramento em farads e V_DC a tensão de regime permanente do barramento em volts.

Considere C_bus = 2000 µF e V_DC = 800 V. Então, E_startup = 640 J. Toda essa energia é dissipada durante o transiente. O estágio de absorção absorve a parte que o banco de capacitores não consegue amortecer sozinho.

A corrente de pico segue a resistência do circuito:

I_inrush ≈ V_DC / R_total

onde I_inrush é a corrente de pico de partida, V_DC a tensão do barramento e R_total a resistência total do circuito do retificador até o banco de baterias.

2.4 O primeiro estágio define o limite de alta frequência

A corrente de pico carrega uma ampla faixa de frequências. A borda frontal suporta componentes acima de 10 MHz. O anel após a comutação situa-se entre 100 kHz e 10 MHz. A carga lenta abaixo de 100 kHz carrega a maior parte da energia.

Um único capacitor não consegue cobrir todas as três faixas de frequência. Sua ESL (espessura equivalente de indutância) define o limite superior de sua faixa útil. Acima da frequência de auto-ressonância, o componente torna-se indutivo e para de absorver.

Figura 1 — A corrente de pico em um banco vazio de 2,000 µF eleva uma tensão de 800 V para 1,200 V em um barramento; três estágios de absorção dimensionados por ESL e ESR mantêm o pico em 820 V.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: O resistor de pré-carga troca tempo por desgaste do contato

Um resistor de 10 Ω a 50 Ω limita a corrente de pico e mantém a subida da tensão no barramento linear. O preço a se pagar é o tempo de inicialização: de 3 s a 5 s em um sistema de 3.0T. O relé de bypass, então, conduz a corrente total do barramento a cada inicialização, e seus contatos sofrem corrosão. A vida útil medida do relé é inferior a 10,000 operações. Um scanner que inicializa duas vezes por dia precisa de um relé novo a cada 8 meses, aproximadamente.

O resistor também cobre apenas o primeiro estágio. Ele não tem nenhuma função no circuito LC após o fechamento do bypass.

Ponto Crítico 2: A partida suave do tiristor deixa o transiente tardio isolado.

Um tiristor com controle de fase substitui os contatos do relé e dura mais de 100,000 operações. O disparo por fase adiciona harmônicos e EMI, e o circuito de controle é mais difícil de projetar. Seu ângulo de condução também atinge o máximo em 600 ms, e o sinal de toque após esse ponto ainda chega ao barramento.

Problema 3: Um único capacitor de absorção não consegue cobrir a faixa de frequência.

Um único capacitor grande possui alta ESL (indutância equivalente de estado). Sua impedância diminui com a frequência apenas até o ponto de auto-ressonância, permitindo a passagem de picos de 10 MHz. Um único capacitor pequeno possui baixa ESL, mas praticamente nenhuma capacidade de armazenamento de energia. A absorção em estágio único medida foi de 880 V, ou 110% do estado estacionário. Mesmo assim, o banco de capacitores e os módulos ainda estão acima do seu limite de estresse.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Dividir a absorção em três etapas

O Estágio 1 processa picos acima de 10 MHz. Ele requer a menor ESL (indutância equivalente de nível) disponível no mercado, inferior a 3 nH, e um tempo de resposta inferior a 10 ns. O Estágio 2 processa o sinal do circuito LC de 100 kHz a 10 MHz com ESL inferior a 10 nH e tempo de resposta inferior a 100 ns. O Estágio 3 processa a energia lenta abaixo de 100 kHz com ESR (resistência série equivalente) inferior a 30 mΩ e uma capacitância elevada.

Para um gabinete de 3.0T, os três componentes são 2 nF/2 kV, 4.7 nF/2 kV e 1 µF/1 kV. Os valores variam de acordo com a tensão do barramento e o tamanho do banco de capacitores, portanto, verifique-os novamente para cada intensidade de campo.

Estratégia 2: Defina a capacitância a partir do limite de sobreimpulso

Selecione a taxa de amortecimento desejada e, em seguida, aumente C_abs até que ζ a atinja. Uma meta de ζ ≥ 0.6 mantém o primeiro pico próximo a 105% do estado estacionário. Adicione um HVRGHP resistor de amortecimento no circuito anelar, mais um circuito de proteção TVS como segunda linha. A tensão de ruptura do circuito de proteção deve ser de 1.5 × V_DC, que é 1200 V em um barramento de 800 V.

Verifique a corrente de pulso nominal da garra em relação à corrente de pico medida. Uma classificação de 5000 A para 10/1000 µs cobre uma partida de 3.0T.

Estratégia 3: Coordenar a partida suave com a absorção

Mantenha o ângulo de condução do tiristor próximo a 15° durante os primeiros 300 ms. Eleve-o linearmente para 90° em 600 ms. Os capacitores de absorção então absorvem o sinal residual entre 600 ms e 1 s. Essa ordem mantém o dV/dt baixo enquanto os componentes de absorção são menos eficazes.

Estratégia 4: Projete o circuito de absorção para baixa indutância.

Posicione o primeiro estágio o mais próximo possível dos eletrodos positivo e negativo do barramento CC. Mantenha o comprimento dos cabos abaixo de 10 mm. Alargue a trilha de alta tensão para 5 mm ou mais e mantenha um plano de aterramento completo sob a espira. Forneça a cada capacitor pelo menos 100 mm² de cobre para dissipação de calor.

Estratégia 5: Verificar novamente a tensão da barra em cada intensidade de campo.

Um sistema de 1.5T opera com um barramento de 600 V, um banco de capacitores de 1500 µF e uma corrente de pico de aproximadamente 12 kA. Um sistema de 3.0T opera com 800 V, 2000 µF e 18 kA. Um sistema de 7.0T opera com 1000 V, 3500 µF e 25 kA. Ajuste a capacitância absoluta (C_abs) de acordo com o banco de capacitores e, em seguida, verifique novamente as tensões de estágio.

Os módulos de SiC e GaN comutam em menos de 50 ns e menos de 20 ns, respectivamente. Quanto mais rápida a comutação, menor a ESL necessária no primeiro estágio. Os projetos de SiC exigem uma ESL inferior a 1.5 nH.

Estratégia 6: Projetar para o modo de falha

Utilize dois capacitores em paralelo por estágio e observe a forma de onda do barramento na inicialização. Se o primeiro pico ultrapassar o limite, interrompa a sequência. Meça a temperatura da carcaça: um aumento inferior a 10 °C na inicialização e inferior a 5 °C em regime permanente indica que a perda está dentro dos limites de projeto.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Tensão nominal (série HVCT8G)	10 kV CC	alta potência 1.5× por 60 s
Capacidade	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	abaixo de 50 mΩ	-
Indutância do laço (corda E40)	abaixo de 8 nH	Espaçamento entre terminais de 40 mm
resistência de isolamento	acima de 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Faixa de temperatura	-40°C a +125°C	Série IEC 60068-2
Capacidade de dv/dt de pulso	acima de 50 kV/µs	na tensão nominal

5. Capacitores HVC para o transiente de inicialização do barramento CC

O estágio de absorção exige três características de um capacitor: baixa ESL para a banda rápida, baixa ESR com alta corrente de pulso para a banda de energia e capacitância estável para que a taxa de amortecimento se mantenha. Construções HVC N4700 Componentes de Classe I para os três sistemas, em uma fábrica de 6,000 m² em Dongguan, com tensões de 1 kV a 150 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Inglês como segunda língua (ESL) para menores de 3 anos. Capacitores de terminal de parafuso HVCT8G Use uma placa de base de baixa indutância e pinos curtos, para que o estágio 1 responda em 10 ns e a banda de 10 MHz não passe.
• ESR inferior a 50 mΩ. As perdas permanecem baixas na faixa de energia, e o estágio 3 suporta uma corrente de ondulação de 20 A rms sem um aumento significativo de temperatura.
• Corrente de pulso acima de 2000 A de pico. O banco de equipamentos apresenta uma corrente de pico de 18 kA em um sistema de 3.0T, portanto, um componente com capacidade para 1000 A de pico não oferece margem de segurança na fase inicial do surto.
• Vida útil superior a 200,000 h. A peça 715C comparada tem uma vida útil estimada em 50,000 h, portanto, a peça HVC quadruplica o intervalo de manutenção com a mesma forma de onda de inicialização.
• Componentes coordenados. Resistores de amostragem HVRGHP, HVR-BSP resistores de película espessaDiodos de recuperação rápida podem ser encomendados juntamente com capacitores de absorção para o caminho de pré-carga, a rede de amortecimento e o estágio de roda livre.
• Referência cruzada com marcas de primeira linha. As peças HVC correspondem aos valores de ESR, ESL e vida útil de Vishay 715C, Murata DHR e componentes TDK UHV, e são produzidos em grande escala para OEMs de imagens médicas.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas, e os conjuntos de amortecimento personalizados ou combinados em 6 a 10 semanas. As marcas acima indicam um prazo de 20 a 30 semanas. A engenharia de aplicações da HVC oferece suporte à divisão de estágios, ao dimensionamento do C_abs, à coordenação do TVS e à revisão do layout.

Envie a tensão do barramento, a capacitância do banco, a medição da corrente de pico e o perfil de carga. A HVC retorna uma folha de especificações com os números de peça, dados de ESL e ESR na sua frequência de comutação e um kit de avaliação com duas amostras em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

P1: Como dimensiono o capacitor de absorção para um amplificador de gradiente?

Comece pela taxa de amortecimento. Escolha ζ ≥ 0.6 e, em seguida, aumente C_abs até que o laço atinja esse valor. Para um barramento de 800 V com um banco de capacitores de 2000 µF, um capacitor de 1 µF no estágio 3, mais capacitores de 4.7 nF e 2 nF nos dois primeiros estágios, resultou em 820 V, ou 102% do estado estacionário. Verifique novamente o valor em 1.5T e 7.0T, pois tanto o banco de capacitores quanto a corrente de pico variam.

P2: Por que o DC-Link ultrapassa os 150% na partida a frio?

O banco vazio se comporta como um curto-circuito, então a corrente de pico atinge de 10 kA a 20 kA. A indutância do circuito e a capacitância do barramento oscilam, e com baixa resistência do circuito, o primeiro pico se aproxima do dobro da tensão do barramento. Sem absorção, uma tensão de 800 V medida foi de 1200 V, o que corresponde a 150% do valor em regime permanente.

Q3: Um resistor de pré-carga pode resolver o problema de sobretensão por si só?

Não. Ele limita o primeiro pico e mantém a subida do barramento linear, mas não faz nada pelo anel LC após o fechamento do bypass. Um sistema de 3.0T com um resistor de pré-carga apresentou uma medição de 950 V, ou 119%, e precisou de 3.2 s para iniciar. Os contatos também sofrem corrosão antes de 10,000 operações.

Q4: Qual é o nível de inglês como segunda língua (ESL) necessário para o primeiro estágio de absorção?

Inferior a 3 nH. Isso mantém a frequência de auto-ressonância acima da banda de 10 MHz que a borda frontal suporta. O comprimento do fio define o limite prático, e cada milímetro extra de fio adiciona cerca de 1 nH. Mantenha o estágio a menos de 10 mm das barras de conexão e use um componente com terminais de parafuso e uma placa de base de baixa indutância.

Q5: Quanto tempo deve durar a partida suave?

Mantenha o ângulo de condução próximo a 15° durante os primeiros 300 ms e, em seguida, eleve-o linearmente para 90° em 600 ms. Os capacitores de absorção absorvem o sinal residual de 600 ms a 1 s. Este esquema apresentou um tempo de inicialização de 1.8 s, contra 3.2 s para um resistor de pré-carga, e o pico caiu para 102%.

Q6: Como posso confirmar se o regime de absorção ainda funciona após anos de serviço?

Registre a forma de onda do barramento a cada inicialização e observe o primeiro pico. Um monitoramento de 3 anos em um scanner de 3.0T, abrangendo cerca de 2000 inicializações, manteve a deriva de capacitância abaixo de 1% e não registrou nenhum evento anormal. O dielétrico do N4700 envelhece menos de 0.1% por década-hora, contra 1%–3% para componentes de Classe II.

7. Referências

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11. Equipe de Engenharia de Aplicações HVC, Capacitor Cerâmico De Alta Tensão Recursos técnicos, https://www.hv-caps.com