Trasformatori ESU compatti: integrazione del condensatore risonante

Trasformatori ESU compatti: integrazione del condensatore risonante

Astratto

Un ESU portatile necessita di uno stadio di uscita leggero, ma il solo trasformatore di uscita pesa 800-1500 g. Questo articolo integra la parte risonante all'interno dell'intercapedine del nucleo, accorciando così il percorso ad alta tensione e riducendo l'induttanza di anello. La co-simulazione riduce la dispersione primaria del 63% e la dispersione secondaria del 62%. Un prototipo da 400 W, 400 kHz raggiunge un'efficienza del 94.7% nel 64% del volume, con una distinta base inferiore del 14%. L'articolo fornisce il circuito equivalente, l'effetto ESL sull'accoppiamento e l'elenco dei componenti.

1. introduzione

Un'unità ESU ad alta frequenza è passata dalle valvole termoioniche ai transistor e infine al controllo digitale. Due tendenze di mercato ora spingono in direzioni opposte. Le unità da banco aumentano in termini di numero di modalità e potenza. Le unità portatili e a batteria, invece, registrano una crescita del volume delle vendite, con un tasso di circa il 18% annuo fino al 2028.

I chirurghi segnalano il limite di peso dal banco operatorio. Un manipolo di peso superiore a 400 g provoca affaticamento durante interventi chirurgici di durata superiore a 2 ore. Il trasformatore di uscita pesa tra 800 e 1500 g e rappresenta il 25-35% del peso totale del sistema, limitandone quindi il peso complessivo.

La soluzione usuale, che prevede un trasformatore separato e una parte risonante separata, comporta tre costi. Le due parti necessitano di spazio e supporti propri. I cavi di collegamento aggiungono un'induttanza parassita di 8-15 nH, che sposta il punto di risonanza e riduce il coefficiente di accoppiamento a 0.89. Anche l'avvolgimento manuale e il fissaggio con adesivo riducono la resa.

Questo articolo descrive l'integrazione del componente nell'intercapedine del nucleo. Fornisce il circuito equivalente, i valori ESL, la disposizione dell'intercapedine, il percorso termico e i dati misurati da un prototipo da 400 W.

2. Meccanismo fondamentale

2.1 Circuito equivalente del trasformatore e densità di potenza

Un trasformatore ad alta frequenza si riduce a una rete a T. L'induttanza di magnetizzazione è in parallelo all'avvolgimento primario, le due induttanze di dispersione sono in serie con ciascun avvolgimento e un trasformatore ideale con rapporto n a 1 alimenta il carico. La potenza che un nucleo può trasportare è proporzionale alle sue dimensioni, alla sua frequenza e al suo flusso:

P_v = k · f · B_max · J · A_w · A_c

dove P_v è la densità di potenza, f la frequenza operativa, B_max la densità di flusso di picco, J la densità di corrente, A_w l'area della finestra e A_c la sezione trasversale del nucleo. Aumentando f, il nucleo si riduce, ma le perdite nel nucleo aumentano come f^1.5, quindi il calore aumenta e lo spazio di raffreddamento si espande nuovamente.

2.2 Da dove proviene l'induttanza parassita

In una costruzione discreta, la parte risonante si trova su una staffa a pochi centimetri dal nucleo. La lunghezza del conduttore, insieme alla geometria dell'avvolgimento, determina la corrente di dispersione. La corrente di dispersione primaria misurata è di 185 nH e quella secondaria di 95 nH. Un anello resistore di campionamento fornisce la traccia corrente che conferma entrambe le ipotesi. Il coefficiente di accoppiamento risulta quindi pari a 0.89 invece di 0.98, come previsto da una costruzione più precisa.

La dispersione sposta il punto di risonanza. La frequenza effettiva in serie segue l'induttanza totale nella spira:

f_actual = 1 / [2π√((L_leak + L_ESL) · C)]

dove L_leak è la corrente di dispersione dell'avvolgimento, L_ESL l'induttanza del componente, C la capacità in serie e f_actual il punto in serie. Riducendo L_ESL da 15 nH a 5 nH, lo spostamento di frequenza diminuisce di circa il 7%. L'ondulazione del guadagno segue la stessa curva e la profondità di taglio si sposta con essa.

2.3 Parte ESL e coefficiente di accoppiamento

L'induttanza del componente si aggiunge alla corrente di dispersione in serie, quindi il tipo di contenitore determina il coefficiente di accoppiamento. Un componente ceramico con terminali ordinario ha un'induttanza di 8-15 nH e abbassa k di 0.05-0.08. Un componente multistrato SMD ha un'induttanza di 0.5-2 nH, ma la sua tensione nominale si ferma al di sotto di 2 kV. Un terminale corto condensatore maniglia Funziona con una corrente di 3-6 nH e mantiene k superiore a 0.95 coprendo una tensione di 10-30 kV.

Quest'ultimo punto determina l'architettura. Il componente incorporato deve sopportare l'intera alta tensione e al contempo presentare una tensione di pochi nanohenry. Solo un corpo cilindrico con terminali corti è in grado di fare entrambe le cose.

2.4 Scelta della topologia per la classe 400 W

Nei sistemi ESU sono comuni quattro topologie di risonanza. Un convertitore risonante in serie è semplice ed efficiente, ma la regolazione è carente a basso carico. Un convertitore risonante in parallelo funziona bene a vuoto, ma perde efficienza a basso carico. Uno stadio LLC copre un'ampia gamma con elevata efficienza, ma richiede una progettazione accurata. Uno stadio LCC aggiunge un ramo in parallelo e mantiene un'elevata efficienza nelle fasi di taglio, miscelazione e coagulazione.

Oltre i 400 W lo stadio LCC si guadagna la sua parte aggiuntiva, perché il carico si sposta su tre decadi tra i modi. Il ramo in serie imposta il punto di risonanza e il ramo in parallelo imposta il guadagno. condensatore a film copre il ramo parallelo per l'energia di massa, ma il ramo in serie necessita di una parte ceramica a bassa ESL per mantenere il punto.

Fig. 1 — Spostando la parte risonante da una staffa all'interno dell'intercapedine del nucleo, il set di cavi da 15 nH viene ridotto a 3-6 nH, in modo che il coefficiente di accoppiamento rimanga a 0.96 e il punto di serie smetta di variare.

3. Punti critici di ingegneria

Punto dolente 1: la costruzione discreta raggiunge un limite di peso

Il peso è determinato dai componenti e dai supporti, non dal solo nucleo. I due corpi separati richiedono una staffa, un distanziatore e un set di cavi, ognuno dei quali aggiunge massa. La configurazione discreta da 400 W misura 80 mm × 60 mm × 50 mm e pesa circa 850 g. L'unico modo per modificare questo valore è rimuovere la staffa e i cavi.

Punto critico 2: l'induttanza parassita sposta il punto di risonanza

Un cavo da 15 nH collegato a un componente in serie da 4.7 nF sposta il punto di riferimento della serie di circa l'8%. L'unità viene sintonizzata sul banco senza coperchio, quindi i cavi si stabilizzano e il punto si sposta nuovamente. Il risultato è una deviazione di frequenza di ±8.5% e un'ondulazione del guadagno di ±15%, che si manifesta come una profondità di taglio che varia tra le diverse unità.

Punto critico 3: calore all'interno di una struttura compatta

Una configurazione integrata accorcia il percorso elettrico ma anche quello termico. Il nucleo, l'avvolgimento e il componente sono tutti racchiusi in un unico volume, quindi ogni fonte di calore riscalda le altre due. Senza un percorso pianificato, il componente si trova a una temperatura superiore a quella nominale e perde capacità. Con l'incapsulamento in resina epossidica e un involucro metallico, i punti caldi misurati si mantengono a 68 °C nel nucleo, 58 °C sul componente e 72 °C sull'avvolgimento.

4. Fasi di progettazione

Strategia 1: scegliere il materiale principale per 400 kHz

Quattro gradi coprono la gamma. PC40 e PC44 saturano entrambi a 390 mT, con PC44 che mostra perdite inferiori. PC95 e 3C95 saturano a 380 mT con perdite ancora inferiori, e PC95 mantiene il suo punto di Curie a 230 °C. Per un'unità da 400 W, PC44 o PC95 mantengono l'aumento di temperatura del nucleo al di sotto dei 60 °C. Un nucleo E70 supporta 400 W nello stadio LCC.

Strategia 2: impostare il rapporto di svolta dall'autobus e dal picco

Il rapporto segue il bus di ingresso, il duty cycle massimo, il picco di uscita e l'accoppiamento:

n ≈ V_in_dc · D_max / (V_out_peak · k_coupling)

dove V_in_dc è il bus di ingresso, D_max il duty cycle massimo, V_out_peak la tensione di picco in uscita, k_coupling il coefficiente di accoppiamento e n il rapporto di spire. Con 48 Vdc, un duty cycle di 0.9, un picco di 2000 V e k = 0.96, il rapporto si attesta intorno a 1:44.

Strategia 3: dimensionare la parte della serie

Il ramo in serie definisce il punto di risonanza dello stadio LCC:

f_s = 1 / (2π√(L_s · C_s))

dove L_s è l'induttanza in serie, C_s la capacità in serie e f_s la frequenza in serie. Con L_s = 50 µH e f_s = 400 kHz, C_s risulta essere circa 3.17 nF. Un componente da 4.7 nF lascia un margine di regolazione invece di funzionare al limite.

Strategia 4: dimensionare lo spazio attorno alla parte

Il componente si trova in un'apertura ricavata nella gamba centrale, in modo che il suo corpo e il nucleo condividano lo stesso spazio. La lunghezza dell'apertura segue l'area del nucleo e l'induttanza target:

l_g = μ₀ · N_p² · A_e / L_m

dove μ₀ è la permeabilità del vuoto a 4π × 10⁻⁷ H/m, N_p il numero di spire primarie, A_e l'area effettiva del nucleo, L_m l'induttanza di magnetizzazione e l_g la lunghezza dell'intercapedine. Lasciare uno spazio di 0.5-1 mm attorno al corpo del componente per l'assemblaggio e riempire lo spazio con una resina epossidica ad alta conduttività. Rivestire il conduttore ad alta tensione e mantenere la dispersione superficiale a 8 mm/kV o superiore.

Strategia 5: intrecciare gli avvolgimenti

Impilate l'elettrodo primario e quello secondario in strati alternati, nell'ordine primario, secondario, primario, secondario. Il campo si distribuisce in modo più uniforme, la dispersione diminuisce e con essa anche le perdite per effetto Joule. Utilizzate un filo di Litz sull'elettrodo secondario per ridurre l'effetto pelle. Utilizzate una lamina di rame sull'elettrodo primario per distribuire il calore. Questa singola modifica incide notevolmente sulla dispersione del campo.

Strategia 6: pianificare il percorso termico

Il calore si disperde dal nucleo, dall'avvolgimento e dal componente attraverso lo strato di resina epossidica, l'involucro del nucleo e la superficie esterna. Utilizzare una resina epossidica caricata tra il componente e il nucleo in modo che l'intercapedine conduca oltre a isolare. Quindi, far funzionare l'unità a pieno carico e misurare i tre punti caldi. Assicurarsi che tutti i valori siano al di sotto della temperatura dielettrica nominale di 125 °C e del limite del nucleo.

Strategia 7: mantenere la finestra di processo

Tre fasi di processo determinano i valori finali. Avvolgere con tensione controllata, 50-80 g sul filo Litz e 300-500 g sulla lamina. Impregnare sottovuoto a 100 Pa o inferiore per 30 minuti o più, quindi polimerizzare a 120 °C per 4 ore. Degassare l'epossidica di incapsulamento sottovuoto in modo che nessuna bolla abbassi la tensione di innesco delle scariche parziali. Terminare con un test di rigidità dielettrica al 100% a 1.5 volte la tensione di lavoro per 60 secondi e un limite di dispersione di 1 µA.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Tensione nominale, HVDCT-472	20 kV DC	Hi-pot 1.5× per 60 s
Capacità	4.7 nF ±5%	1 MHz, 1 V rms
ESL, corpo corto	3-6 nH	1 MHz, lunghezza del cavo 8 mm
Coefficiente di accoppiamento, parte incorporata	sopra 0.95	400 kHz, pieno carico
resistenza di isolamento	superiore a 100 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Range di temperatura	-40 ° C a + 125 ° C	Serie IEC 60068-2
Capacità di misurazione di impulsi dv/dt	oltre 50 kV/µs	a tensione nominale

5. Condensatori HVC per lo spazio incorporato

La configurazione integrata funziona quando un componente sopporta l'alta tensione, mantiene il suo valore anche con il calore e non aggiunge praticamente induttanza. HVC produce componenti adatti a questo scopo, in uno stabilimento di proprietà di 6000 m² a Dongguan, per una gamma di tensioni da 1 kV a 150 kV.

Sei parametri importanti in questo caso

• ESL di 3-6 nH. Il corpo a conduttore corto dell'HVDCT mantiene il coefficiente di accoppiamento superiore a 0.95 a 400 kHz, quindi la parte incorporata non disallinea il loop.
• 4.7 nF a 20 kV. Il HVDCT-472 copre il ramo della serie LCC con un margine di regolazione superiore al valore target di 3.17 nF.
• Precisione di ±5%. La Classe I N4700 La costante dielettrica mantiene il suo valore da -40 °C a +125 °C, quindi il punto di riferimento della serie rimane valido anche quando il nucleo si riscalda.
• tan δ inferiore allo 0.1% a 1 MHz. Le basse perdite mantengono il componente fresco all'interno dell'intercapedine, dove il percorso termico è breve.
• Parti corrispondenti. HVR-BSP resistori a film spesso, diodi raddrizzatorie i componenti corrispondenti vengono spediti dalla stessa linea e si adattano allo stesso piano termico.
• Riferimento incrociato ai marchi di primo livello. I componenti HVC corrispondono ai parametri elettrici di Vishay, Murata e le serie di pomelli per porte TDK, e vengono prodotti in grandi quantità in serie in unità ESU portatili.

Consegna e supporto

I componenti standard vengono spediti in 4-8 settimane, mentre i set di trasformatori abbinati in 6-10 settimane. Inviare il livello di potenza, la tensione del bus, la frequenza di commutazione e lo schema del nucleo. HVC restituisce un elenco dei componenti con i dati ESL e ESR a 400 kHz e una nota sulla disposizione degli spazi entro cinque giorni lavorativi.

6. Domande frequenti

D1: Quanto peso consente di risparmiare la configurazione integrata?

Nella versione da 400 W, il peso scende da circa 850 g a circa 420 g, con una riduzione del 51%. Il volume si riduce da 185 cm³ a ​​118 cm³. La maggior parte di questa riduzione è dovuta all'eliminazione della staffa e del set di cavi, non a un nucleo più piccolo. Lo stesso nucleo E70 eroga la stessa potenza di 400 W.

D2: Perché la parte relativa all'inglese come seconda lingua (ESL) è così importante?

Perché contribuisce alla dispersione dell'avvolgimento in serie. Un terminale da 15 nH collegato a un componente in serie da 4.7 nF sposta il punto di serie di circa l'8% e riduce k da 0.98 a 0.89. Un corpo con terminali corti da 3-6 nH mantiene k al di sopra di 0.95 e riduce la deviazione al 2.1%. Questa è la differenza tra un'unità sintonizzata e una con deriva.

D3: Quale materiale per il nucleo dovrei scegliere per 400 kHz?

PC44 o PC95. Entrambi saturano vicino a 390 mT e 380 mT, e il PC95 mantiene il suo punto di Curie a 230 °C. Entrambi mantengono l'aumento di temperatura del nucleo al di sotto dei 60 °C a 400 W in un nucleo E70. Il PC40 funziona a una potenza inferiore ma genera più calore a questa frequenza.

D4: Come si imposta la lunghezza dello spazio?

Dall'induttanza di magnetizzazione è necessario: l_g = μ₀ · N_p² · A_e / L_m. Il corpo del componente deve quindi adattarsi all'interno di tale spazio con un gioco di 0.5-1 mm, quindi scegliere la dimensione del nucleo in base al diametro del componente e alla potenza. Incapsulare lo spazio con una resina epossidica caricata e rivestire il conduttore ad alta tensione con una guaina a 8 mm/kV di distanza di dispersione.

D5: La parte integrata si surriscalda di più?

Sì, perché il nucleo, l'avvolgimento e il componente condividono un unico volume. La temperatura misurata a pieno carico era di 68 °C nel nucleo, 72 °C nell'avvolgimento e 58 °C nel componente. Tutte e tre rimangono al di sotto della temperatura dielettrica nominale di 125 °C. Uno strato di resina epossidica tra il componente e il nucleo svolge la maggior parte del lavoro.

D6: Quale efficienza posso aspettarmi a basso carico?

Il guadagno è maggiore proprio lì. Con un carico del 10%, la configurazione discreta raggiunge il 74.2% e quella integrata l'82.5%, con un incremento di 8.3 punti percentuali. A pieno carico, le due configurazioni si attestano rispettivamente all'88.5% e al 94.7%. La topologia LCC mantiene questa distribuzione tra le fasi di taglio, miscelazione e coagulazione, motivo per cui si adatta a un'unità multimodale.

7. Riferimenti

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Apparecchiature elettromedicali — Parte 1: Requisiti generali per la sicurezza di base e le prestazioni essenzialiGinevra: IEC, 2012.
2. CEI 60601-2-2:2017, Apparecchiature elettromedicali — Parte 2-2: Requisiti particolari per la sicurezza di base e le prestazioni essenziali delle apparecchiature chirurgiche ad alta frequenza e degli accessori chirurgici ad alta frequenzaGinevra: IEC, 2017.
3. CEI 60384-8, Condensatori fissi per impiego in apparecchiature elettroniche — Parte 8: Condensatori fissi a dielettrico ceramico, Classe 1Ginevra: IEC, 2015.
4. CEI 60270, Tecniche di prova ad alta tensione — Misurazioni di scariche parzialiGinevra: IEC, 2015.
5. Erickson, RW, e Maksimović, D., Fondamenti di elettronica di potenza, 3ª ed. Cham: Springer, 2020.
6. Mohan, N., Undeland, TM e Robbins, WP, Elettronica di potenza: convertitori, applicazioni e progettazione, 3ª ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2003.
7. H. Wang e F. Blaabjerg, Affidabilità dei condensatori per applicazioni di collegamento in corrente continua nei convertitori di potenza: una panoramica, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50, n. 5, pp. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
8. Osservazioni sulla stagione dell'arco e sulla progettazione della tavola. (Nota tecnica su arco ad alta tensione, residui di flusso e layout), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
9. GB/T17702-2021, 电力电子电容器 (Condensatori per elettronica di potenza). Pechino: 国家市场监督管理总局, 2021.
10. Rashid, MH (a cura di), Manuale di elettronica di potenza, 4a ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2017.
11. Team di ingegneria applicativa HVC, Condensatore ceramico ad alta tensione Risorse tecniche, https://www.hv-caps.com