生命維持のための高電圧厚膜抵抗器の湿熱環境下での安定性

生命維持のための高電圧厚膜抵抗器の湿熱環境下での安定性

抽象

人工呼吸器、麻酔ワークステーション、透析装置は、40℃、相対湿度60%の環境下で稼働し、湿度ピーク時には85%RHを超え、過酸化水素蒸気による消毒が繰り返し行われます。このような負荷がかかると、分圧抵抗器、グレーディング抵抗器、ブリーダ抵抗器の安定性が低下します。1%の比率変化で、5kVの警報閾値が50V変動します。本稿では、3つのドリフト項、加速モデル、段階的な試験計画について説明します。

はじめに

高電圧厚膜抵抗器は、生命維持装置内で3箇所に配置されています。高電圧バスをADCレンジまで降圧し、直列接続された部品間で電圧を分配し、シャットダウン後に蓄積された電荷を放電します。すべてのユニットは受入試験に合格しており、抵抗比が調整され、アラームが作動し、漏洩電流値がIEC 60601-1の制限値内に収まっています。

病院の医療サービスは他とは異なります。集中治療室（ICU）では、基準となる相対湿度が40～60%ですが、加温加湿器の近くでは85%を超えることもあります。麻酔ワークステーションは、ほとんどの手術後に拭き取り消毒されます。過酸化水素蒸気は、コーティングで部分的にしか保護されていない機器にも到達します。機器は8～10年間稼働し、40,000万回以上の起動・停止を繰り返します。

抵抗値が1%変動しても、最初は警報は鳴りません。しかし、高電圧警報の閾値が変動し、漏洩電圧の測定値が狂い、校正が無効になります。5kVのバスでは、1%の変動は50Vの誤差に相当します。漏洩電圧検出経路では、1%の変動がIEC 60601-1規格の許容値に対する合否を分ける決定的な要因となります。23℃でのベンチチェックでは、この変動を検出することはできません。

この記事では、3つのドリフト項、実地年数を試験時間に変換する計算方法、および安定性を測定可能な特性とするための段階的な計画について説明します。さらに、ドリフトを0.5%以内に抑えるための抵抗器パラメータを一覧で示します。

2. コアメカニズム

2.1 湿熱における表面伝導

厚膜抵抗器は、セラミック基板上に印刷された金属酸化物ガラスペーストです。水はガラスとコーティング層に吸着し、その水の膜がイオンを運びます。この層は、印刷された膜と並列に接続された抵抗器として機能します。

R_measured = (R_film · R_surface) / (R_film + R_surface)

ここで、R_filmはプリントフィルムの抵抗、R_surfaceは表面漏洩抵抗、R_measuredはメーターが読み取った値です。

乾燥した部品の場合、R_surface は R_film よりはるかに高いため、その項は消えます。相対湿度 60% を超えると、ガラスセラミックコーティングの表面抵抗は、相対湿度 15 ～ 20 ポイントごとに約 1 桁低下します。薄いエポキシコーティングを施した 100 MΩ の部品は、相対湿度 85% で 2000 MΩ まで低下する可能性があります。この場合、式は 95.2 MΩ となり、-4.8% のシフトとなります。フィルム自体は移動していません。

2.2 テスト計画の加速モデル

長年の運用時間を数週間のテストに短縮するには、エンジニアは加速係数を必要とします。ペックの湿度モデルは、現場作業時間とテスト時間の比率を示します。

AF = (RH_test / RH_field)^n · exp[(Ea / k) · (1/T_field − 1/T_test)]

ここで、AFは加速係数、RHは相対湿度（分数）、nは湿度指数、Eaは活性化エネルギー（eV）、kはボルツマン定数（8.617×10⁻⁵ eV/K）、Tは絶対熱量（K）である。

n = 2.7、Ea = 0.8 eV、現場条件を 35 °C、60% RH、試験条件を 85 °C、85% RH とします。湿度項は 2.52、熱項は 67.4 となります。積は約 170 です。現場の 5 年間は 43,800 時間なので、同等の試験時間は 258 時間です。したがって、1000 時間の湿熱試験を 1 回行うと、約 19 年間をカバーします。この試験で 0.8% ドリフトする部品は、0.5% の制限を超えています。

2.3 電圧ストレスによる劣化

素子にかかる直流電圧は、第3の項を加える。ガラス中のイオンの動きは対数時間法則に従う。

ΔR / R ≈ C · E^m · log(t / t₀)

ここで、ΔR/R は相対ドリフト、E は V/mm 単位の電界、m は 1 ～ 2 に近い指数、C はペーストによって設定される定数、t は基準 t₀ に対する応力時間です。

定格3.5 kVの10 MΩ素子を2.0 kVで動作させ、定格で1000時間あたり0.1%のドリフト、m = 1.5とする。ストレス比は0.571なので、ドリフトは1000時間あたり0.043%となる。40,000時間以上経過しても、合計は0.1%から0.2%程度にとどまる。同じ素子を3.3 kVで動作させると、ドリフト速度は3倍以上になり、発熱するため、水分項2.1が上昇する。

2.4 3つの用語は連動して作用する

湿度が高いと表面抵抗が低下します。電圧ストレスによって塗膜の温度が上昇し、イオンが移動します。殺菌剤に曝されると塗膜の吸水率が上昇します。これら3つの要素は相互に影響し合うため、一度に1つの軸のみを対象とする設計では、ドリフトを過小評価することになります。この誤差の大きさは、耐用年数とともに増大します。

図1 — コーティングされた100MΩ素子の表面水は、相対湿度85%で95.2MΩを示し、これにより20素子の分周チェーンが1.8%移動し、アラーム閾値もそれに合わせて変化します。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：比率の変化により、高電圧アラームのしきい値が移動する

20 × 5 MΩの換気装置用分圧器が4 kVのバスを監視しています。18か月後、ファームウェアは3.93 kVと表示していますが、校正済みのプローブは4.00 kVと表示しています。これは-1.8%の比率誤差であり、湿度の高い時期には誤差が大きくなります。地面に近い低温の低電圧素子に水が作用し、結露が発生します。その結果、5%の過電圧でアラームが作動し、6.5%の過電圧でアラームが鳴ってしまう可能性があります。

問題点２：消毒により出血部位と感覚経路からの漏れが増加する

麻酔ワークステーションは1月に年次安全テストに合格した。VHPキャンペーンと湿度の高い夏の後、同じテストでは筐体の漏洩が30%増加し、研究所は1月の数値を再現できなかった。過酸化水素がコーティング表面を酸化する。その後、ワイプからのイオン残留物が相対湿度60%以上で導電性フィルムを形成する。シャーシの継ぎ目付近のセンシングチェーンが最初にその残留物を収集する。

問題点３：スタート・ストップを繰り返すサイクリングでチェーンのミスマッチが拡大する

生命維持装置は1日に数十回もオンオフを繰り返す。それぞれの動作で加熱ステップと全電圧ステップが追加され、各サイクルで装置が冷えている間に侵入した水が排出される。チェーン比のばらつきは、製造時の±0.2%から3年後には±1.2%に増加するが、各部品は依然としてそれぞれの許容範囲内にある。比率の一致がシステムの動作を決定するのであり、個々の部品の値を決定するのではない。

問題点4：データシートで止まってしまうテスト計画

±1%の許容誤差と±100 ppm/℃のTCRは、工場出荷時のばらつきと低電圧時の熱応答を表しています。どちらも湿度ドリフトや負荷寿命ドリフトを予測するものではありません。そこで作業を終えたチームには入荷品の制限がなく、サービス再チェックも行われないため、現場で発生するドリフト事象はすべて最初の調査となります。

4. 設計手順

戦略1：初期許容値だけでなく、時間経過に伴うドリフトも指定する

各仕切り、グレーディング、およびブリーダーの位置に2つの制限値を追加してください。定格電圧を印加した状態で85℃、相対湿度85%で1000時間経過後もドリフトは0.5%未満、70℃、定格電力の50%で1000時間負荷寿命後も0.5%未満を維持してください。初期許容値は0.5%～1%、比率が重要な箇所は0.1%、TCRは±50 ppm/℃以下を要求してください。

戦略2：要素ではなく比率で連鎖を受け入れる

ディバイダーをアセンブリとして受け入れます。製造時、湿熱後、負荷寿命後にチェーン比を測定し、比の変化の制限を0.5%に設定します。安全アラームに供給するチェーンの場合は、0.25%に維持します。絶対値が変動しても、一緒にドリフトする部品はこのテストに合格します。変更には、治具1つと測定スクリプト1つが必要です。

戦略3：電気検査に滅菌工程を追加する

気流経路にある部品やシャーシの継ぎ目付近の部品については、100回のVHPサイクルを実行し、その後、表面の漏洩量と比率を再測定してください。漏洩量の増加が基準値の2倍未満、かつ比率の変化が0.5%以下であれば許容範囲とします。その後、40℃、相対湿度90%の環境下で168時間放置してください。この手順は、病院における消毒後に加湿空気処理を行う手順と一致しています。

戦略4：結合負荷に対する出力低下

2つのディレーティングルールを同時に適用します。定格電力の50%に電力を、素子ごとの電圧を定格の60%～70%に維持します。P = V²/R で発熱するブリーダの場合、周囲温度40℃でホットスポットが70℃以下に収まるように部品のサイズを決定します。隣り合う部品は互いの熱伝導経路が変化するため、最悪の負荷条件下でサーマルカメラを使用してその数値を確認してください。

戦略5：サービス再評価のリズムを設定する

設置時、12か月後、そしてその後は24か月ごとに、チェーン比と漏洩に関連する抵抗値を測定してください。累積変化が±0.5%を超えた場合にアラートを、±1%を超えた場合にアクションリミットを設定してください。季節変動がノイズではなく傾向として現れるように、訪問ごとに周囲の相対湿度を記録してください。6桁のメーターを使用すれば、各訪問作業は数分で済みます。

戦略6：レイアウト内の湿気を管理する

HVチェーンは、水が溜まらずに排水されるように取り付けてください。仕切り板は、拭き取り後の残留物が溜まるシャーシの継ぎ目から離してください。チェーンにコーティングを施し、硬化を確認してください。部分的に硬化したコーティングは、全く硬化していないよりも悪いからです。冷たく湿った環境に浸した後、安全上重要な測定を行う前に、ユニットを30分間加熱してください。その加熱時間をサービスマニュアルに記録してください。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格出力（HVRシリーズ）	50 W @ 70 °C	アルミハウジング、フリーエア
抵抗値	10 kΩ ±5%	25℃基準
使用電圧	10 kV AC/DC	連続的な
パルス耐性	30 kV @ 10 µs	10パルス、IEC 60110クラス
温度係数（抵抗）	±50ppm /°C	−55℃～+155℃
絶縁抵抗	1 GΩ @ 1000 V DC	最小沿面距離 25 mm
サージ電流耐性	100 A @ 1 ms	非誘導巻線

5. このノード用のHVCパーツ

HVCは、上記の計画で実施される部品を供給し、部品選定の一環として試験を実施します。生産は東莞にある6,000平方メートルの自社工場で行われ、1kVから150kVまでの電圧範囲に対応しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• TCRは±50 ppm/℃です。10 ppm/℃以内の精度で追従する2つのアームにより、40℃のキャビネット温度ステップ全体にわたって比率が一定に保たれるため、警報閾値は季節によって変動しません。
• 許容誤差は0.1%です。初期値を厳密に設定することで、その後のドリフトを許容する余裕が生まれ、比率が重要な箇所ではトリムステップを下げることができます。
• 素子ごとの電圧定格（余裕あり）。10 kVの動作電圧と10 µsで30 kVのパルス耐性により、ドリフト項2.3は平坦領域に維持されます。
• ガラスパッシベーションと耐湿性コーティングが施されています。絶縁抵抗は、沿面距離25mmで1000V DCにおいて1GΩ以上を維持するため、表面抵抗2.1は小さいままです。
• たくさんの 厚膜抵抗器HVCは、比率レポートとともに、仕切りとブリーダーのセットを1つのロットから出荷するため、マッチングされた経年劣化が供給特性となります。
• 連携したフィルター部品。 N4700 セラミックディスクコンデンサは、TCCを±30 ppm/℃、DFを0.1%未満に抑えるため、同じ回路を共有する部品が次のドリフト源になることはありません。

• ネジ止めオプションあり。 HVCT8G ドアノブ型コンデンサはシャーシにボルトで固定されるため、鉛入り部品に比べて耐熱性が50%低下する。
• 整流器側。 高速回復ダイオード 熱データに対する漏洩を伝達するため、センスチェーンのエラー項はパス全体をカバーします。

配送とサポート

標準部品は4～8週間で出荷され、カスタムダンピングとマッチングセットは6～10週間で出荷されます。医療用注文には、湿熱、耐荷重、VHPテストデータに加え、 HVRGXP センスノード用のサンプリング抵抗。

チェーン図、バス電圧、サービス環境、精度目標を送信します。HVC は部品番号、上記のテスト条件でのドリフトデータ、 クロスリファレンス Caddock、Ohmite、Vishayの部品との比較表、および比率テスト用のサンプル2個を5営業日以内に送付します。

6。 よくある質問

Q1：分圧抵抗器において、どの程度のドリフトが許容されますか？

定格電圧を印加した状態で、85℃、相対湿度85%の環境下で1000時間経過後、0.5%未満であること。また、70℃、定格電力の50%の環境下で1000時間負荷運転を行った後、0.5%未満であること。安全警報装置に給電する回路の場合、比率変化を0.25%に維持すること。5kVバスでは、0.5%は25Vとなり、1%の校正限界内に収まる。

Q2：湿熱試験はどのくらいの時間実施する必要がありますか？

85℃、85%RH、バイアスありの条件下で1000時間稼働させると、n=2.7、Ea=0.8eVの場合、ICUでの約19年間の稼働期間をカバーできます。これらの条件下では、5年間の稼働期間は258時間に相当するため、500時間の稼働で既に2倍の余裕を持ったフル稼働期間となります。

Q3：湿度の高い季節に分割比率が変動するのはなぜですか？

表面の水はフィルムの周囲に平行な経路を作るため、85%RHの環境下で薄いコーティングを施した100MΩの部品は95.2MΩまで低下し、-4.8%の変化が生じる。接地に近い低電圧素子は湿った状態が続く一方、高電圧素子は乾燥するため、分圧比は個々の部品よりも大きく変化する。

Q4：消毒によって抵抗器の挙動は変化しますか？

はい、十分なサイクルを経た後です。過酸化水素はコーティング表面を酸化し、吸水率を高めるため、接触角は90°以上から60°～70°に低下します。その結果、表面漏洩は未照射の対照部品と比較して2倍～5倍に増加します。塩素系ワイプからのイオン残留物は、相対湿度60%以上で導電性膜を形成します。

Q5：電圧と電力のどちらを制限すべきでしょうか？

両方です。定格損失の 50% で電力を保持し、素子ごとの電圧を定格の 60% ～ 70% に保ちます。定格 3.5 kV の 10 MΩ 素子を 2.0 kV で動作させた場合、1000 時間あたり 0.043% のドリフトが発生します。3.3 kV で動作させた場合、ドリフトは 3 倍以上速くなり、フィルムが加熱されるため、水分項が加速します。

Q6：サービス再点検には何が含まれますか？

訪問ごとに測定する数値は、チェーン比、漏洩関連抵抗、および周囲相対湿度の3つです。設置時、12か月後、その後は24か月ごとに測定してください。累積変化が±0.5%を超えた場合にアラートを設定し、±1%を超えた場合にアクションリミットを設定します。6.5桁のメーターの場合、1ユニットあたり数分かかります。

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 60068-2-78、 環境試験 — パート2-78：試験 — 試験キャブ：湿熱、定常状態ジュネーブ：IEC、2012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。
4. IEC 60270、 高電圧試験技術 ― 部分放電測定ジュネーブ：IEC、2015年。
5. エリクソン、RW、マクシモビッチ、D.、 パワーエレクトロニクスの基礎第3版。Cham: Springer、2020年。
6. モハン、N.、アンダーランド、TM、ロビンス、WP、 パワーエレクトロニクス：コンバータ、応用、設計第3版。ニュージャージー州ホーボーケン：ワイリー、2003年。
7. C. Lv、J. Liu、Y. Zhang、W. Lei、R. Cao、 高調波と劣化プロセスを考慮した、金属化フィルムコンデンサの寿命予測方法の改善Microelectronics Reliability、第114巻、113892ページ、2020年。https://doi.org/10.1016/j.microrel.2020.113892
8. US 6,008,980、 人体埋め込みおよびその他の用途向けの密閉型EMIフィードスルーフィルタコンデンサ、Maxwell Energy Products, Inc.、1999年に付与、https://www.freepatentsonline.com/6008980.html。
9. ジンケ、O.、およびザイザー、H. ヴィダーシュテンデ、コンデンサトレン、スプレンとアイレ ヴェルクストーフ、2.アウフル。ベルリン：シュプリンガー、1982年。
10. Kind, D.、および Feser, K.、 高電圧試験技術第2版​​。オックスフォード：ニューンズ、2001年。
11. HVCアプリケーションエンジニアリングチーム、 高電圧セラミックコンデンサ 技術リソース、https://www.hv-caps.com