CTガントリーにおけるスリップリングのスパイクを遮断するためのスナバコンデンサ

CTガントリーにおけるスリップリングのスパイクを遮断するためのスナバコンデンサ

抽象

第3世代CTガントリー上のスリップリングブラシは連続的にアーク放電を起こし、各アーク放電によって高電圧タンクにキロボルト級のスパイクが発生します。このスパイクは立ち上がり時間が約10ナノ秒、エネルギーがメガヘルツ帯であるため、通常のLCフィルタでは通過してしまいます。本稿では、アーク放電モデル、スパイクスペクトル、およびスナバ回路のエネルギーバランスについて説明します。さらに、6つの遮断戦略と、スナバ回路自体を動作させるためのコンデンサパラメータについても解説します。

はじめに

第3世代CTでは、X線管と検出器が2～4Hzの周波数で回転する。高電圧発生器とデータシステムは固定フレーム上に設置されている。電力とデータは、スリップリングを介してこの境界を越える。スリップリングでは、カーボンブラシが金属リング上を滑動する。

摺動接点は電気的に常に静止しているわけではない。ブラシの微小な振動、酸化物の破壊、潤滑剤の炭化、機械的摩耗などによって、電流経路が数ナノ秒間遮断される。電流が遮断されるたびに、ループインダクタンスに蓄積されたエネルギーが放出される。その結果、数キロボルトの振幅を持つ過渡現象が発生する。

これらのスパイクは高電圧ケーブルを伝って発電機の後段に到達します。最も影響を受けやすいのは、整流ダイオードとその電圧逓倍回路、および帰還抵抗とそのフィルタコンデンサの2箇所です。現場データによると、CTシステムにおける高電圧タンクの故障のうち、スリップリングアーク放電が25%から35%を占めています。

タンク1台の修理に、スキャナー1台あたりの年間保守費用の15%以上を費やすことがあります。スパイクはランダムで広帯域かつ高振幅であるため、単純なLCフィルターでは除去できません。この記事では、アークモデル、スペクトル、および有効なインターセプションネットワークについて説明します。

2. コアメカニズム

2.1 ループインダクタンスとスパイク振幅

ブラシとリング間の接触抵抗は、接触面積、酸化膜厚、および摺動速度によって変化する。接点が10ナノ秒開いている間、ループ電流はその間にゼロに低下しなければならない。誘導電圧はインダクタンスの法則に従う。

V_spike = L_loop · (dI/dt)

ここで、V_spikeは誘導電圧、L_loopはループインダクタンス、Iはループ電流、tは時間である。L_loop = 5 µH、I = 5 A、遮断時間10 nsの場合、ピークは約2.5 kVに達する。

アークの再点弧によってさらに反射が繰り返されるため、電界振幅はしばしば5kVを超える。アークは導通状態と開放状態を切り替えるスイッチとして機能し、その切り替えごとに広帯域の過渡現象がケーブル内に発生する。

2.2 スパイクスペクトルと伝搬経路

スリップリングスパイクは単一の正弦波ではなく、パルス列です。振幅A、幅τの矩形パルスのスペクトル包絡線の最初の零点は次の位置にあります。

f_0 = 1 / τ

ここで、f_0は最初のスペクトル零点、τはパルス幅である。典型的なスパイク幅は10 nsから100 nsで、エネルギーの大部分は10 MHzから100 MHzの間に集中する。高調波は300 MHzを超えて広がる。

その帯域は、10MHz以上では誘導性を示す巻線型電解コンデンサの自己共振周波数よりも高い周波数帯に位置する。 フィルムコンデンサ 帯域内ではより良好な特性を示すが、電流が流れると発熱する。低ESLのクラスIセラミックのみが、100MHzまでの低インピーダンス経路を維持できる。

タンク内部では、スパイクは2つの経路に沿って伝播する。ケーブルは伝送線路を形成し、乗算器ノード間で反射する。巻線の静電容量もスパイクを低電圧制御側に結合させ、そこでフィードバックループを乱し、誤った保護トリップを引き起こす可能性がある。

2.3 スナバのエネルギーバランス

スナバ回路はスパイクエネルギーを吸収し、DC出力には影響を与えないようにする必要があります。RCスナバの場合、スパイク電圧V_spikeでコンデンサC_sに蓄積されるエネルギーは次のようになります。

E_C = 0.5 · C_s · V_spike²

ここで、E_Cは蓄積エネルギー、C_sはスナバ回路の容量、V_spikeはスパイク振幅です。直列抵抗R_sは、スパイク発生後にこのエネルギーを消費します。その平均電力は、スパイクの繰り返し周波数に依存します。

P_R = 0.5 · C_s · V_spike² · f_spike

ここで、P_Rは平均抵抗電力、f_spikeは実効的な大スパイク周波数である。C_s = 1 nF、V_spike = 2 kV、f_spike = 1 Hzの場合、値は約2 mWとなる。

その数値は下限値です。コンデンサ内部での誘電損失と部分放電による発熱は、計算では考慮されていません。毎秒3回転で200回の試験を行うと、数万回のスパイクが発生します。したがって、スナバコンデンサは低い実効損失係数と5 pC以下の部分放電特性を必要とします。

2.4 抑制されていないスパイクがダメージを与える場合

抑制されなかったスパイクが整流ダイオードの逆回復区間に発生する。するとPN接合に瞬間的な過電圧が発生し、現場での修理時に典型的なダイオードアレイの焼損が発生する。同じ過渡現象はフィードバック分圧器とフィルタコンデンサにも負荷をかけ、故障コードを表示せずにkV値を変化させる。

制御側との結合は、2番目の損傷経路である。低電圧の接地基準に誘導される電流により、誤差増幅器の入力が数マイクロ秒間バイアスされる。すると、ループは誤った誤差を補正し、露光中にkV出力が変動する。

図1 — 5 µHのループが10 nsで中断されると、接点に約2.5 kVの電圧がかかるため、1 nFのスナバは10～100 MHzのイベントを吸収する必要があります。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：スパイク振幅の予測が難しい

スリップリングアーク放電は、湿度、ブラシの摩耗、ガントリー速度、負荷電流に依存します。実験室の設備ではすべての現場条件を再現できないため、エンジニアは推定値に基づいて作業を行います。保守的な推定ではスナバコンデンサとクランプを過剰に大きくしてしまうため、コストと体積が増加します。積極的な推定では、検出できない箇所が生じます。また、スペクトルが広すぎるため、単一のデバイスでは対応できず、ネットワークには複数のステージが必要になります。

問題点2：スナバが新たな故障箇所となる

一般的な高電圧セラミックコンデンサは、損失正接が高い場合、スパイク電流によって過熱する可能性があります。リードのインダクタンスが本体全体にL・di/dtを加算し、内部電界が不均一になります。電極端部で放電が始まり、5 pCを超える部分放電によって絶縁が徐々に劣化します。その結果、短絡または断線が発生し、本来防止しようとしていたタンク回路の故障を悪化させてしまいます。

問題点３：EMC認証の不合格

抑制されていないスパイクは、電力線フィルタを通過して高電圧ケーブルから放射され、ケーブルはアンテナとして機能します。その結果、システムはIEC 60601-1-2の放射試験に不合格となります。設計チームは通常、システム全体のEMC試験を実施した後で初めて、後段の吸収ギャップを発見します。この段階で密閉型高電圧タンクの改修を行うには、3週間から6週間の工期延長が必要となります。

4. 設計手順

戦略1：スリップリング出口に第1段RCスナバを取り付ける

スナバは、高電圧ケーブルが回転ガントリーから出る地点、つまりタンク手前の最初のゲートに配置してください。容量が100 pF～2.2 nFで、リング電圧の少なくとも2倍の定格電圧を持つ、低ESLのラジアルリード型またはSMD部品を使用してください。

エネルギー方程式から、3 kV の 1 nF コンデンサはイベントごとに 4.5 mJ を吸収し、これはほとんどのブラシアークをカバーします。抵抗器は 10 Ω ～ 1 kΩ の範囲に保ち、その電力定格は定常状態損失の 5 倍にします。 HVR-BSP 平らな形状の部品は、ケーブルグランドの隣のスペースに収まります。

戦略2：乗算器入力にクランプダイオードを追加する

RCスナバは高速なエッジには対応できますが、長いサージには対応できません。TVSダイオードで構成された単方向または双方向のクランプを追加し、 高速回復ダイオード スタック。クランプは、整流ダイオードの安全動作領域内にスパイクを保持します。

クランプコンデンサは、ダイオードスタックの応答時間に合わせてください。低ESLセラミックコンデンサを使用すると、クランプインピーダンスを数十ナノ秒以内に低く抑えることができます。クランプ内のすべてのデバイスの接合容量とリードインダクタンスを確認してください。これらがループと新たな共振を起こす可能性があります。

戦略3：ケーブル配線におけるループインダクタンスを低減する

スパイクの振幅はループのインダクタンスに比例するため、ケーブルの配線によってストレスが決まります。高電圧ケーブルは短くし、正極と負極を一緒に配線してください。ツイストペアケーブルまたは同軸ケーブルを使用すると、ループの磁場が打ち消されます。

シールドはガントリー側のみで接地することで、グランドループの発生を防ぎます。測定結果によると、ケーブルループの面積を100cm²から20cm²に縮小すると、誘導されるスパイクが約60%低減されます。

戦略4：タンク内部にスナバコンデンサを配置する

1つの集中型スナバ回路では、長い乗算器チェーンのすべてのノードを保護することはできません。各段に、3 kVで100 pFから1 nFの小型コンデンサを並列に接続します。このアレイにより、スパイクエネルギーが多くの部分に分散されるため、単一の部分に電流が集中することはありません。

各コンデンサは、保護対象のダイオードの隣に配置され、分岐回路の寄生インダクタンスを遮断します。 HVCT8G このシリーズは、高密度レイアウトに対応する小型ケースで、3kV、6kV、10kVの定格電圧に対応しています。

戦略5：放射線の経路を遮断する

放射される電磁波は主に高電圧ケーブルから発生します。ケーブルがタンクに入る箇所にフェライトリングまたはコモンモードチョークを追加してください。タンク筐体の四方を接地し、継ぎ目には導電性ガスケットを使用してシールドを連続的に保ってください。

高電圧電源層と低電圧制御層を、しっかりとしたグランドプレーンで分離します。低ESLセラミックを使用することで、100MHzでのバイパス性能を維持し、コモンモードチョークとの組み合わせにより、放射エミッションを10dB～20dB低減できます。

戦略6：スリップリングの状態を監視する

ハードウェア保護はスパイクを吸収し、メンテナンスは発生源でのスパイク発生率を低減します。システムコントローラで接触抵抗、ブラシ摩耗、アーク数を監視してください。アーク数がしきい値を超えた場合は、ブラシ交換またはリングクリーニングをスケジュールしてください。

現場データによると、定期的なメンテナンス間隔を設けることで、スリップリング関連のタンク故障を60%以上削減できることが示されています。また、ガントリー側の故障間隔も平均的に延長されます。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. スパイク遮断用HVC N4700コンデンサ

スナバコンデンサは、高速で大電流のパルスを吸収し、その値を維持する必要があります。これを決定する2つの特性は、高周波での損失と部分放電挙動です。HVCは、 N4700 東莞にある6,000平方メートルの自社工場で製造された、1kVから150kVまでの定格電圧に対応した部品を両方供給しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• DF値は0.1%未満です。高周波および高電圧においても損失正接が低いまま維持されるため、スナバ電流は安定し、クランプ電圧も予測可能な値に保たれます。
• TCC ±30 ppm/°C。静電容量は-40°Cから+125°Cまで維持されるため、ガントリーの温度上昇に伴ってスナバ回路が再調整されることはありません。
• ESLは10 nH未満。ショートリードとSMDパッケージにより直列インダクタンスが低く抑えられているため、スナバ回路は100 MHzでも導通します。
• 定格電圧の1.5倍において、部分放電（PD）は5 pC未満です。これにより、長期にわたるパルス状ストレス下での誘電劣化が抑制され、スナバ回路は耐用期間全体にわたってその性能を維持します。
• 連携した構成要素。 HVRGXP 低インダクタンス部品、 HVR-BSP また、BOP管状厚膜抵抗器や整流ダイオードスタックは、スナバコンデンサと一体化したネットワークとして選択できる。
• 一流ブランドとの相互参照。HVC部品は、以下の電気的パラメータに適合します。 村田 DHS/DHR、Vishay HVCC、TDKなどの鉛系シリーズを製造し、フォーチュン500に名を連ねる医療画像機器メーカー向けに、大量生産のCTジェネレーターを製造している。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、カスタムスナバセットは6～10週間で出荷されます。これは、上記の他社製品の20～30週間と比べて大幅に短い期間です。HVCのアプリケーションエンジニアリング部門は、スパイクエネルギーの推定、スナバのシミュレーション、クランプの選定をサポートします。

リング電圧、ケーブル長、および測定されたスパイク波形をお送りください。HVCは、部品番号、1MHzにおけるDFおよびESRデータ、および2サンプル評価キットを記載した対応表を5営業日以内に返送します。

6。 よくある質問

Q1：なぜ普通のLCフィルターはスリップリングのスパイクを通過させるのですか？

スパイクエネルギーは10MHzから100MHzの周波数帯に位置し、巻線型電解コンデンサは10MHz以上の周波数帯では誘導性を示すため、標準的なLCフィルタではその帯域に低インピーダンス経路が存在しません。スパイクはフィルタを通過して整流ダイオードに到達します。スリップリング出口に配置された低ESLセラミックスナバ回路が、この不足している経路を補います。

Q2：スナバ回路にはどれくらいの静電容量が必要ですか？

初段スナバ回路の抵抗値は100 pFから2.2 nFまでです。抵抗値の選択はスパイクエネルギーに基づきます。例えば、3 kVで1 nFの抵抗器を使用すると、1回のアーク放電で4.5 mJのエネルギーを吸収し、これはほとんどのブラシアーク放電に対応できます。抵抗値を大きくすると、1回のアーク放電で吸収するエネルギーは増えますが、抵抗損失も増加します。抵抗器の電力は、計算された定常状態の値の5倍に設定し、実際のアーク放電率でベンチテストを行い、その値を確認してください。

Q3：スナバコンデンサの定格電圧はどのくらいにすべきですか？

スリップリングの定格電圧の少なくとも2倍、アーク発生率が高い場合は2.5倍の電圧が必要です。スパイクは直流電圧に加算され、コンデンサにはその合計値が伝わります。したがって、10kVのリングには20kVの部品が必要です。ピークストレスが誘電体を劣化させるため、定格電圧の1.5倍での部分放電試験を行い、定格を確認してください。

Q4：RCスナバ回路にはどの抵抗器が入りますか？

低電圧係数の非誘導性高電圧部品。10 Ω～1 kΩの値は、ほとんどのスリップリングスナバで使用できます。平均値はピークパルスを隠してしまうため、電力定格は計算損失の5倍にしてください。厚膜管状部品など HVR-BSP 家族は、脈動する電流の下で​​もその価値を維持する。

Q5：コンデンサを交換せずにスパイクを下げるにはどうすればよいですか？

ケーブルのループインダクタンスを低減します。リード線を短くし、まとめて配線し、ループ面積を小さくします。100 cm²から20 cm²に縮小すると、誘導されるスパイクは約60%減少します。シールドは片側のみ接地します。これらの変更には部品コストはかからず、下流のすべての部品にかかるストレスが軽減されます。

Q6：現場でスナバがまだ機能していることをどのように確認すればよいですか？

アーク数とタンク温度を監視してください。DC出力に部分放電パルスカウンタまたはリップルモニタを追加してください。部分放電数の増加や容量損失の緩やかな増加は、誘電体劣化を示しています。アーク発生率が上昇する前に部品を交換し、ブラシとリングアセンブリのメンテナンス間隔を一定に保ってください。

7。 リファレンス

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, 医用電気機器 ― 第１部：基本安全及び必須性能に関する一般要求事項ジュネーブ：IEC、2012年。
2. IEC 60601-1-2:2014+AMD1:2020, 医用電気機器 ― パート1-2：電磁妨害 ― 要求事項および試験ジュネーブ：IEC、2020年。
3. IEC 60384-8、 電子機器用固定コンデンサ ― 第8部：セラミック誘電体固定コンデンサ、クラス1ジュネーブ：IEC、2015年。
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