IEC 60601-1：X射线发生器用高压Y电容器的选型

医用X射线发生器机柜中的HVC高压陶瓷电容器 — HVC 高压陶瓷电容器在医用X射线发生器柜中

工程答案

1 nF Y电容器从高压输出端到地线的漏电流在 220 V/50 Hz 时为 69 µA，是 IEC 60601-1 标准中 100 µA 正常工况下漏电限值的 69%。将该限值分配到电源线滤波器、高压侧和控制电路，然后根据公式 I = 2πf·C·V 的倒数来确定各部分的电容值。在 50 Hz 和 100 V 工况下，35 µA 的漏电流需要 1.11 nF 的电容，或者在预留 20%–30% 的裕量后，需要 680 pF 到 1 nF 的电容。

在选择任何部分之前，先将泄漏限值分配到每条接地路径上。
根据分配的电流来确定高压Y电容的尺寸，而不是根据纹波目标来确定。
计算中应包含对地电压的工频分量。
使用 I 类介质，以确保漏电流在温度变化过程中保持可预测性。
在标准测量网络上测试正常工况和单故障工况

抽象

从高压输出端到地线增加的每个电容器都能改善纹波和共模滤波，但同时也会消耗IEC 60601-1标准规定的100 µA漏电流限值。本文按类别列出了漏电流限值、滤波器值与测量电流之间的电容关系、标准测量网络的频率加权，以及使滤波性能符合限值的分配、隔离和测量步骤。

1. 引言

医用X射线高压发生器的设计工作朝着一个方向发展：降低输出纹波和共模噪声。实现这两个目标的直接方法是在高压输出端到地之间增加电容，因此需要不断扩展滤波网络，直到原型机的测量结果令人满意为止。

安全测试则完全相反。每个接地电容都会承载工频电流，而泄漏测试测量的正是这种电流。即使电路设计具有优异的电气性能，也可能因为接地电容超过了电路设计者从未跟踪过的限值而无法通过 IEC 60601-1 标准测试。

漏电流是测量值。在临床应用中，患者会接触到器件部件，操作人员会接触到外壳，因此，超过限值的电流会造成触电风险，而不仅仅是纸面故障。本文将介绍漏电流的限值、电容与漏电流之间的关系，以及如何确保滤波性能在限值范围内。

2. 核心机制

2.1 按泄漏类别划分的限制

IEC 60601-1 标准根据泄漏电流的路径对其进行分组。以下限值适用于 B 类应用部件，具体数值会随设备类型和标准版本而变化。

接地漏电流：正常情况下为 100 µA，单故障情况下为 500 µA。
外壳漏电流：正常情况下为 100 µA，单故障情况下为 500 µA。
患者漏电流：正常情况下为 10 µA，单故障情况下为 50 µA，CF 应用部件的值更严格。

每个限值都适用于整台机器，因此高压发电机中的接地电容器与电源线滤波器、电机驱动器和显示模块共享限值。即使某个电容器通过了自身的限值审查，仍然可能导致整台机器的限值超标。

2.2 电容决定漏电流

对于正弦电压，流经电容器到地的电流取决于频率、电容和电容器两端的电压：

I = 2πf · C · V

其中 I 为漏电流，f 为电压频率，C 为对地电容，V 为节点对地电压。该关系与电容呈线性关系，因此 Y 值加倍，测得的电流也加倍。

在医用高压发电机中，电压项需要特别注意。高压输出端到地的电压包含工频分量、开关频率分量及其谐波，而泄漏测试对这些频段的权重各不相同。

2.3 测量网络对频段进行加权

IEC 60601-1 标准规定了一种模拟人体的测量网络，该网络能够衰减高频噪声。100 kHz 的开关噪声对测量值的影响远小于其原始幅度所显示的水平，而 50 Hz 的分量几乎未受衰减。

这种权重调整会改变设计工作的侧重点。工频分量及其低次谐波决定了测得的漏电流，因此分配必须基于该频段。降低对地电容才是影响数值的关键，而高频段的电流探头测量值则不会。

2.4 从允许值倒推

高压Y电容器的可用值取决于分配给该支路的电流。反转电容关系式并求解该值：

C_Y = I_alloc / (2πf · V_ac)

其中，C_Y 为 Y 电容，I_alloc 为分配给高压接地支路的漏电流，f 为线路频率，V_ac 为接地电压的工频分量。分配 35 µA 的漏电流，电压分量为 100 V，频率为 50 Hz，则电容值为 1.11 nF。

该关系也显示了这种明显反射的代价。在 220 V/50 Hz 的条件下，每增加一个 1 nF 的接地电容，测量值就会增加约 69 µA，而整机的正常工况限值为 100 µA。仅两个这样的元件就会超过这个限值。

图 1 — 一个 100 µA 的漏电保护器分成 35 µA 用于电力线滤波器，35 µA 用于高压发生器，30 µA 用于控制电路。

3. 工程痛点

痛点一：纹波目标和泄漏限制脱节

高端电流互感器 (CT) 和动态应变放大器 (DSA) 发生器要求输出纹波低于 0.5%，有时甚至低于 0.1%，因此自然而然地会采用更大的滤波电容。在 220 V/50 Hz 的条件下，每纳法拉增加一个对地电容会产生 69 µA 的电流。

这两个要求最终会达到一个硬性上限。超过这个上限，涟漪效应会增强，安全测试会失败，返工工作会在机械设计定型后进行。

痛点二：高频滤波和泄漏测试测量的是不同的内容

增大Y电容值确实可以抑制共模噪声并降低传导发射。泄漏测试仪主要对50/60 Hz频段敏感，因此，改善EMC结果的同一改动却会使决定认证结果的数值变差。

工程上的分离原理其实很简单：高频旁路，低频隔离。一个扼流圈承载高频信号，一个小的Y电容则承载扼流圈留下的低频信号。

痛点三：每个市场对需求的解读都不同

IEC 60601-1、FDA 510(k)、GB 9706.1 和 JIS T 0601-1 在限值、测量条件和故障模拟方法方面存在差异。通过欧洲测试的发电机可以满足美国或中国的质询要求。

按照最严格的限制条件进行设计，比针对不同市场逐个修改成本更低。设计时应以最严格的标准为依据，然后根据不同市场编写相应的文档。

4. 设计步骤

策略一：构建泄漏分配表

在设计阶段，列出机器到地线的每一条路径，并为每条路径分配电流份额。典型的电流分配方案是：100 µA 正常情况下的接地漏电流允许值，分配比例为：电源线滤波器 Y 型电容器 30–40 µA，高压发生器 30–40 µA，控制电路、电机驱动器和显示模块 20–40 µA。

使用公式 C_Y = I_alloc / (2πf · V_ac) 根据高压支路的电流份额确定其尺寸，然后减去 20%–30% 的元件公差和生产误差裕量。对于 35 µA 的电流份额，计算出的值为 1.11 nF，而所选元件的电容值介于 680 pF 和 1 nF 之间。

策略二：使用高频性能良好的小型I类电容器

当容差有限时，Y 电容必须使用较小的容量。三个特性使其能够实现这一点：低 ESR 和低 ESL，因此即使是小容量电容也能在开关频带内保持低阻抗；高于开关频带的自谐振频率，从而避免电容产生感性；以及稳定的温度特性，从而避免漏电流随谐振槽温度变化。

一级电介质通过其结构满足第三项要求。其电容每摄氏度变化仅为几十ppm，因此，从冷启动到稳态保温，50Hz下的漏电流始终保持在设定值。

策略 3：分别进行差分滤波和共模滤波

差分纹波通过连接在正负极高压输出端之间的电容器来抑制。该位置不向地输送电流，也不占用任何电路资源，因此差分滤波器的容量可以根据纹波目标值进行调整。薄膜电容器适用于纹波电流较高时的位置。

共模抑制需要在每个高压端子到保护地之间连接电容器，并且只有这些元件的用量受到限制。将这两个功能分别放在不同的元件上，纹波抑制就不会与安全测试相互干扰。

策略四：隔离反馈路径

漏电流也会流经高压侧和低压控制之间的反馈连接。使用隔离放大器或光耦合器，通过高分压器对千伏信号进行采样，并使用隔离式直流-直流电源驱动高压侧。

将高压侧地和低压侧地分开，仅在拓扑结构需要时才采用单点连接或高阻连接。这样可以消除Y电容无法修复的漏电路径。

策略 5：利用 LC 网络恢复衰减

当 Y 值受限于分配量时，LC 或 π 网络可在不增加对地电容的情况下提高高频衰减。组合电路的衰减取决于电感和电容的共同作用：

A_dB = 20 · log10[(2πf)² · L · C]

其中 A_dB 为衰减值（单位：分贝），f 为噪声频率，L 为扼流圈电感，C 为网络中的电容。一个 10 mH 的共模扼流圈，仅使用 1 nF 的 Y 电容，在 1 MHz 频率下即可产生约 52 dB 的衰减，而一个单独的 1 nF 电容则无法达到此效果。

策略 6：涵盖单故障情况

单故障分析假设Y电容器短路、接地连接断开或绝缘失效。设计时需考虑保护接地断开的情况，且泄漏电流仍须保持在单故障限值之内。

具有自愈特性的陶瓷电容器可降低短路风险，且具有高价值 HVRGHP 关键接地支路中的电阻器可限制故障电流。请分别检查机箱、工作台和检测器支架的接地连续性。

策略 7：使用标准测量网络进行验证

使用符合 IEC 60601-1 测量网络和方法的漏电流测试仪，在正常情况下和单故障情况下进行测试，包括保护接地断开和供电线路断开。

记录每个频段的漏电流，并与分配表进行比较。测量值在其分配范围内，则验证模型；测量值超出分配范围，则表明存在分配表中未列出的路径。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	在 500 V 直流电压下，电阻大于 10 GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 用于漏电限制滤波的高压Y型电容器

HVC医用级Y型电容器的电容范围为470 pF至4.7 nF，耐压范围为1 kV至50 kV。 N4700 I类介质。电容范围起始值低于分配允许的值，因此设计无需为了安全测试而牺牲滤波性能。

这里需要考虑的六个参数

低阻抗、低损耗因子（DF）低于 0.1%、等效串联电阻（ESL）低于 30 nH 的小型 Y 电容，能够使 680 pF 的 Y 电容在开关频段内保持有效工作，而相同容量的高 ESR 电容则无法发挥作用。
高绝缘电阻。I类陶瓷介质的绝缘电阻远高于II类陶瓷介质，因此对地电压的直流分量产生的漏电流非常小。
温度响应稳定。电容在整个工作范围内保持在几个百分点以内，因此测得的漏电流与分配表中的值一致。
电压额定值从 1 kV 到 50 kV，采用直通式和螺钉端子封装，包括： HVCT8G 高压接地分支的本体。
配套元件均来自同一供应商。HVRGFP 高阻值电阻器，用于 Y 型支路限流和分压采样，以及 HVR-BSP 整流器缓冲器的部件，因此绝缘和故障分析涵盖在同一工作台上测量的部件。
合规性文件。订单可附带符合IEC 60384-14标准的Y型电容器认证、医用级材料声明以及RoHS和REACH认证，从而缩短认证周期。交叉参照纸张覆盖了目前指定其他品牌的设计。

交付和支持

标准件发货周期为 4-8 周，定制匹配件发货周期为 6-10 周。HVC 应用工程支持泄漏分配分析、Y 型电容器和滤波网络设计，以及多市场认证所需的文档包。

请提供各支路的漏电流容差、各频率分量的对地电压、开关频率和油箱布局。HVC 将在五个工作日内回复零件编号、绝缘电阻和 DF 数据、接地支路的故障电流计算结果以及两件样品评估套件。

6. 常见问题

问题1：X射线发生器的漏电流极限是多少？

IEC 60601-1 标准规定，B 型应用部件在正常情况下接地漏电流为 100 µA，在单故障情况下为 500 µA，外壳漏电流限值相同，患者漏电流限值分别为 10 µA 和 50 µA。该限值适用于整机，因此高压储罐中的 Y 电容器与其他所有接地路径共享该限值。

Q2：一个支路可以承受多大的Y电容？

根据分配电流确定电容值，公式为 C_Y = I_alloc / (2πf · V_ac)。在 50 Hz 频率下，35 µA 的电流分配，加上 100 V 的工频分量，大约需要 1.11 nF 的电容值；20%–30% 的裕量则使最终选择值达到 680 pF–1 nF。在 220 V/50 Hz 的工况下，每 1 nF 的接地电容会使机器电流限制（100 µA）增加约 69 µA。

Q3：为什么EMC结果改善时，更多的Y电容却无法通过安全测试？

因为这两种测量方法覆盖的频段不同。漏电流测试仪几乎完全依赖于 50/60 Hz 的频率，并且会衰减高频信号，因此流过 Y 电容的工频电流主导了读数。这就是为什么扼流圈承担了高频衰减，而 Y 电容的体积又足够小，以适应电路布局的原因。

Q4：我能否在高压输出端并联一个大电容？

是的，如果它连接在正负极高压端子之间。该位置没有电流流向大地，因此大容量电容不会增加漏电补偿，并且能很好地抑制差动纹波。只有从每个高压端子到保护地的电容容量受到限制，而这些电容的容量通常很小。

Q5：如何使漏电流在温度变化过程中保持稳定？

Y 电容应使用 N4700 等 I 类介质材料。其电容值在每摄氏度变化几十 ppm 的范围内保持稳定，因此 50 Hz 电流值与 25 °C 下的测量值接近，并且冷启动后的额定值在保温两小时后仍然有效。而 II 类介质材料在相同温度范围内可能会损失大量电容值。

Q6：认证机构需要哪些文件？

Y电容器符合IEC 60384-14标准认证、医用级材料声明以及RoHS和REACH合规证书。这些文件共同构成安全档案的组件级部分，而包含实测漏电流的分配表则构成机器级部分。请在下单时索取整套文件，以免认证流程因文件提交而延误。

7。参考

IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, 医用电气设备——第1部分：基本安全和基本性能的一般要求日内瓦：IEC，2012。
IEC 60601-2-54， 医用电气设备——第2-54部分：放射摄影和X射线检查用X射线设备的基本安全和基本性能的特殊要求日内瓦：IEC，2018。
IEC 60384-8， 电子设备用固定电容器——第8部分：陶瓷介质固定电容器，1类日内瓦：IEC，2015。
IEC 60270， 高压测试技术——局部放电测量日内瓦：IEC，2015。
RW 埃里克森和 D.马克西莫维奇， 电力电子学基础，第 3 版。Cham：Springer，2020 年。
Mohan, N.、Undeland, TM 和 Robbins, WP， 电力电子学：变换器、应用和设计，第 3 版。霍博肯，新泽西州：威利出版社，2003 年。
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如何确定电容器的击穿电压？，All About Circuits 论坛，https://forum.allaboutcircuits.com/threads/how-do-i-determine-breakdown-voltage-of-a-capacitor.25915/ 。
使用陶瓷电容器 3 kV （C0G/NP0 与 X7R/Y5S 稳定性讨论），复古技术论坛，https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858。
IEC 61010-1:2010+AMD1:2016 CSV, 测量、控制和实验室用电气设备安全要求——第1部分：一般要求，第 3.1 版。日内瓦：国际电工委员会，2017 年。
HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器技术资源https://www.hv-caps.com

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