MRI送受信スイッチ回路における絶縁コンデンサの過渡応答

MRI送受信スイッチ回路における絶縁コンデンサの過渡応答

抽象

送受信スイッチにより、コイルは 2.5 kV の送信パルスから受信経路へ 1 µs 未満で切り替わります。アイソレーションコンデンサはループインダクタンスでリンギングし、3T システムでは 2.5 kV/3 kW パルスで 1.8 kV のスパイクが測定されました。その後、誘電体吸収により 10 ms で 125 mV の残留電圧が戻り、腹部 DWI イメージングで 3 dB の SNR の低下を招きます。この記事では、充電、スパイク、吸収、寿命モデル、およびノー​​ドを 10 年間保持するための手順について説明します。

はじめに

T/Rスイッチは、コイルを2.5kVの送信パルスから受信経路へと1µs未満で切り替えます。この切り替えにより、絶縁コンデンサは送信電圧全体を通過して元の位置に戻ります。dV/dtは、シリコンスイッチでは10kV/µs、GaN FETでは50kV/µsに達します。

コンデンサーにも送信ピークを超える過渡電圧が発生します。コイル、ケーブル、コンデンサーはループを形成し、ターンオフ時に蓄積されたループ電流がリング状に流れます。2.5 kV/3 kWのパルスを用いた3Tシステムでは、測定されたスパイク電圧は1.8 kVに達しました。

スイッチングの瞬間に2つ目の影響が現れます。誘電体は吸収した電荷の一部を放出し、その残留電荷がLNA入力部に残ります。あるX7R部品は10msで125mVを放出し、これによりSNRが3dB低下し、腹部DWI画像にアーチファクトが発生しました。

7Tプロジェクトでは、同じノードに1.5kVの絶縁コンデンサが使用されていました。サージ電圧によって部品が破損し、スイッチコントローラが損傷し、システムが12日間オフライン状態になりました。この記事では、過渡現象モデル、4つの現場故障経路、およびノー​​ドを10年間維持するための選定手順について説明します。

2. コアメカニズム

2.1 充電時定数とスイッチング速度

スイッチがオンになると、絶縁コンデンサは送信レベルから経路の直列抵抗を通して充電される。

τ = R_esr · C_iso

ここで、τは充電時定数、R_esrは経路の直列抵抗、C_isoは絶縁容量です。100 pFと2 Ωの場合、定数は200 nsとなるため、コンデンサは1 µsのウィンドウ内で目標値の99%に達します。5つの時定数で1マイクロ秒となり、これは送信から受信までの全時間です。

定数時間が短いと、di/dtとそれに伴うスパイクが増加します。定数時間が長いと、コンデンサが部分的に充電された状態になるため、次のサイクルは誤った初期状態から開始されます。GaN FETは下限を50 kV/µsに設定し、駆動回路は上限を設定します。

2.2 過渡電圧オーバーシュート

絶縁経路は、コイル、ケーブル、スイッチとループを形成する。そのループに蓄積された電流は、スイッチオフ時にC_isoとリンギングする。

V_spike = I_pk · √(L_loop / C_iso)

ここで、V_spikeは過渡ピーク、I_pkはピークループ電流、L_loopは絶縁経路のループインダクタンス、C_isoは絶縁容量です。40 A、200 nH、100 pFの場合、ピークは1.8 kVとなり、これは3Tシステムで測定された値と一致します。

そのリングのスペクトルは100MHzを超えており、初期電圧スクリーニングに使用される1MHzのポイントをはるかに超えています。したがって、初期マージンは1MHzだけでなく、周波数帯域全体で見直す必要があります。

2.3 誘電吸収残渣

誘電吸収により、放電後に電圧が回復する。

V_da = V_charge · DA_10ms

ここで、V_da は回復電圧、V_charge は充電電圧、DA_10ms は放電後 10 ms で測定された吸収率です。2.5 kV まで充電された X7R 100 pF/3 kV 部品は 125 mV を回復し、これは 0.005% の割合です。同じ電圧で N4700 部品は 2.5 mV 未満を回復します。吸収された電荷の大部分は後から回復し、10 ms のウィンドウには高速テールが含まれます。

その残留信号は受信経路を通ってLNA入力に到達します。X7Rの場合、腹部DWIシーケンスでSNRが3dB低下し、臨床的な初回通過率は95%から82%に低下しました。N4700の残留信号はLNAのノイズフロアを下回っています。

2.4 PDマージンとスイッチング寿命

AT/Rスイッチは10kHz付近で動作するため、10年間で3×10^12回の動作に耐えることができます。各動作で誘電体にスパイクが印加されます。

N_fail = N_0 · (V_spike / V_PDIV)^(−n)

ここで、N_failは故障までの演算回数、N_0は参照カウント、V_spikeは過渡ピーク、V_PDIVは開始電圧、nは加速指数です。N4700ではnが8～10、X7Rでは5～6となります。4kVの開始電圧に対して3kVのスパイクが発生した場合、N4700の寿命は3×10^12演算を超え、X7Rの寿命は10^10付近で停止します。

10年間の寿命を確保するには、スパイク電圧と起点電圧の比率を0.75以下に維持してください。この規則は定格電圧と起点電界を同時に規定するものであり、仕様書に記載すべき数値です。

図1 — 絶縁ノードは、1.8kVのスパイク電圧、4kVの定格電圧、2.5mVの吸収残留電圧、および10年間のスイッチング回数という4つの数値によって設定されます。

3. エンジニアリング上の課題

課題1：送信ピークの1.5倍でサイズを決定する

3T T/Rスイッチには100 pF/1.5 kVのコンデンサが使用されていました。スパイク電圧は3 kVに達し、定格電圧とスパイク電圧の比は0.5でした。そして、2台のユニットが3ヶ月以内に故障しました。実効送信電圧に基づいてサイズを選定すると、この経路が隠蔽されてしまいます。スパイク電圧は、平均送信レベルではなく、ループインダクタンスとスイッチング速度に左右されます。

問題点2：LNA入力部における吸収残留物

LNAノイズフロアを超える吸収残差は、受信ウィンドウごとにSNRを低下させる。回復電圧が100mVを超えると、損失は3dBから5dBに達する。ある3T腹部DWIシーケンスでは、初回通過率が95%から82%に低下し、アーチファクトレベルはスイッチングレートに追随した。

問題点3：ESLが2つ目の共鳴音を追加する

ESLが15 nHを超える絶縁コンデンサは、ループインダクタンスと2回目の共振を起こし、スパイクはさらに30%増加します。X7R 100 pF/4 kV部品を20 nHに備えた7Tスイッチは、スパイクを3 kVから4 kVに押し上げ、発生マージンを1.33から1.0に縮小しました。

問題点4：切り替え速度でのテストがない

1.5Urでの1分間の工場試験では、10kHzのスイッチングは行われません。ある顧客はこの試験に合格しましたが、その後6か月で絶縁抵抗が1桁低下し、部分放電の蓄積が予測レベルを上回りました。この試験には、10kHz、3Ur、85℃で1000時間が必要です。

4. 設計手順

戦略1：吸収率の低いクラスI誘電体を使用する

その N4700 この部品はDA_10msを0.005%未満に維持するため、10ms時点での残留電圧は2.5mV未満に抑えられます。ある3Tスイッチでは、LNA残留ノイズが20dB低下し、DWI SNRが2dB上昇し、初回通過歩留まりが82%から97%に回復しました。

戦略2：コンデンサの定格をスパイクの3倍にする

ルール V_rated ≥ 3 · V_pk は、ループリングと送信パルスの両方に適用されます。ある 3T スイッチは、1.5 kV 部品から 4 kV 部品に変更され、定格電圧とスパイクの比率が 0.5 から 1.33 に上昇し、ブレークダウン経路が閉じられました。部品には、1.5 Ur で 5 pC の制限を持つ 100% PD スクリーンが付属しています。

戦略3：ESLを10 nH未満に維持する

ESLが10 nH未満、128 MHzにおけるQ値が2000を超えるコンデンサを使用すると、2番目の共振が除去されます。1つの7Tスイッチで、X7R 100 pF/4 kV部品を同じ値のN4700部品に交換したところ、スパイクが4 kVから2.8 kVに低下し、開始マージンが1.0から1.43に上昇しました。均一な金属化された端面により、バッチごとにインダクタンスが安定します。

戦略4：コンデンサで過渡現象をクランプする

A 高速回復ダイオード コンデンサと並列に接続することで、スパイクを安全なレベルにクランプします。HVD 3 kV/5 A 部分は、trr が 50 ns 未満、応答が 100 ns 未満で、スパイクを 1.5 kV 未満に抑えます。クランプを装着した状態で、3T スイッチ 1 台で定格電圧とスパイクの比率を 1.33 から 2.67 に上げました。

クランプ分岐に減衰部を追加する。 HVRGXPダンピング抵抗器 低いESLにより、リードインダクタンスを追加することなくリングエネルギーを吸収し、連続値の10倍のパルス電力定格でスイッチングレートをカバーします。

スイッチに絶縁バリアを横切るバイアス分圧器が必要な場合は、 グレード別抵抗器 定格電圧は30kV～100kV、温度係数は±50ppm/℃です。

戦略5：切り替えレートでテストする

スイッチングレート10kHz、3Ur、85℃で1000時間の寿命試験を依頼してください。PDが10pC未満、IRが10GΩ以上、吸収率のドリフトが0.005%未満の場合にのみ、部品を受け入れてください。

A フィルムコンデンサ 吸収率も低いが、100 pFではパッケージが大きく、リードのインダクタンスがディスク部品よりも高いため、同じループインピーダンスでスパイクが発生する。

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. T/Rスイッチノード用HVCコンデンサ

コンデンサが2回目の共振を起こすことなくリングを吸収し、電荷をほとんど放出しない場合、ノードは保持されます。HVCは、東莞にある6,000平方メートルの自社工場で、10 pFから1 nF、1 kVから10 kVまでのN4700部品をこのノード向けに製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• DA_10msは0.005%未満です。残留電圧は2.5kVの電荷で2.5mV以下に抑えられているため、LNAのノイズフロアを下回っています。
• 128 MHzにおいて、ESLは10 nH未満、Q値は2000以上。 HVCT8G ドアノブのケースが2番目の共振を除去するため、スパイクはループインピーダンスのみに従う。
• 1.5 UrにおけるPDが5 pC未満、かつ開始電界が3 kV/mm以上であること。すべての部品は100%PD試験記録付きで出荷されます。
• DF_effは0.1%未満です。10kHzスイッチング時および128MHz時において損失は低く抑えられているため、スキャン中もケース温度は安定しています。
• 連携部品。HVDクランプダイオード、HVRダンピング抵抗器、およびHVT Pt1000センサが、同一ノードのクランプ、ダンピング、およびケース温度機能を担います。
• 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。 ビシェイ 715C、AVX HP、および村田製作所製DHR/DHS部品。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、カスタムセットは6～10週間で出荷されます。HVCアプリケーションエンジニアリング部門は、このノードの過渡シミュレーション、初期マージンレビュー、および吸収スクリーニングをサポートします。

送信電圧、パルス電力、ループインダクタンス、スイッチングレート、およびLNAノイズフロアをお送りください。HVCは、DAカーブ、ESLデータ、および2サンプルキットを含むマッチングシートを5営業日以内に返送します。

6。 よくある質問

Q1：T/Rスイッチは絶縁コンデンサにどのようなスパイクを発生させますか？

これは送信電圧だけではなく、ループインピーダンスに依存します。V_spike = I_pk · √(L_loop / C_iso) は、40 A、200 nH、100 pF の場合、1.8 kV となります。2.5 kV/3 kW のパルスを持つ 3T システムでは、測定値はこの値と一致しました。ループインダクタンスまたはスイッチング速度を上げると、スパイクもそれに合わせて上昇します。

Q2：定格電圧はどのように選べばよいですか？

スパイク電圧の3倍に設定してください。3kVのスパイク電圧には4kVの部品が必要となり、定格電圧とスパイク電圧の比は1.33になります。この比を1.33以上に保ち、スパイク電圧と初期電圧の比を0.75以下にしてください。同じノードに1.5kVの部品を使用すると、比は0.5となり、1年以内に故障します。

Q3：受信経路において、誘電体吸収が重要なのはなぜですか？

回復された電圧は、各受信ウィンドウの開始時にLNA入力部にあります。X7R部品は、2.5kVの電荷を与えてから10ms後に125mVを出力しましたが、これは3T腹部DWIシーケンスにおいてSNRが3dB低下し、初回通過率が13ポイント低下しました。一方、N4700部品は同じ電荷で2.5mV未満の出力を出力します。

Q4：ESLはスパイクにどのような変化をもたらしますか？

15 nHを超えると、リードインダクタンスがループと2回目の共振を起こし、スパイクがさらに30%増加します。20 nHの7Tスイッチでは、スパイクが3 kVから4 kVに上昇し、開始マージンが1.33から1.0に低下しました。10 nH未満のESLでは、この経路が除去されます。

Q5：コンデンサは10kHzでどのくらい持ちますか？

10 kHz での 10 年間の寿命は 3 × 10^12 回の演算に相当します。N4700 の加速指数は 8 ～ 10 なので、4 kV の初期電圧に対して 3 kV のスパイクが加わると、その回数を超えても動作し続けます。一方、X7R は 5 ～ 6 で、10^10 回の演算、つまり約 3 年間しか動作しません。

Q6：サプライヤーにどのような検査を要求すべきですか？

スイッチングレート10kHz、3Urスパイク、85℃での寿命試験を1000時間実施。合格基準は、PDが10pC未満、IRが10GΩ以上、吸収ドリフトが0.005%未満。量産部品には、1.5UrでPDが5pCに制限された100%のスクリーンを追加。

7。 リファレンス

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