DSA血管造影：储能电容器与脉搏下垂

DSA血管造影：储能电容器与脉搏下垂

抽象

介入放射学以每秒 15 至 30 帧的速度运行 200 µs 至 2 ms 的脉冲，因此发生器必须能够快速稳定地提升并维持 100 kV 的峰值电压，避免缓慢上升。电压下垂会随着储能电容的增加而降低，而上升时间会随着回路阻抗的降低而缩短，因此这两个目标方向相反。本文给出了电压下垂方程、有效串联长度 (ESL) 限制以及满足这两个目标的七个设计步骤。

1. 引言

数字减影血管造影（DSA）是介入放射学中的标准成像方法。医生需要在短时间内拍摄多帧图像，以追踪造影剂在血管中的流动情况。每次曝光脉冲持续时间很短，从200微秒到2毫秒不等，帧率可达每秒15到30帧。

该占空比对高压发生器设定了严格的限制。输出电压必须在 200 微秒内从待机电压升至曝光电压。脉冲峰值必须保持在 5% 以内，以确保图像亮度均匀。在下一个脉冲到来之前，它必须在 50 毫秒内恢复。

储能电容器是这种权衡的核心。大容量电容器组能提供平坦的脉冲峰值，但上升沿较慢，且体积较大。小容量电容器组上升沿快，但负载下衰减较快。电容器的选择决定了设计的其他部分需要弥补多少目标值。

本文涵盖了下垂方程、限制上升时间的环路阻抗、三个现场问题以及满足 100 kV、1 ms 脉冲规范的电池组的七个设计步骤。

2. 核心机制

2.1 脉冲期间的电压下降

DSA 曝光类似于一个带电电容器向负载放电。设脉冲开始时的电池电压为 V_0，负载电流为 I_load，脉冲宽度为 t_pulse。脉冲结束时的电压如下：

V(t) = V_0 · exp(−t / (R_load · C))

其中 V(t) 为 t 时刻的银行电压，V_0 为初始电压，R_load 为等效负载电阻，C 为存储电容，t 为脉冲开始后的时间。

当脉冲相对于 R_load · C 很短时，指数衰减简化为线性衰减：

ΔV / V_0 ≈ t_pulse / (R_load · C) = I_load · t_pulse / (C · V_0)

其中，ΔV 为脉冲末端的电压降，t_pulse 为脉冲宽度，I_load 为负载电流。电压降随脉冲电荷量的增加而增大，随电容的增大而减小。

这些数字决定了最小电容值。在 100 kV 和 500 mA 持续 1 ms 的情况下，要将电压降保持在 5% 以下，需要 100 nF 的电容：

C ≥ I_load · t_pulse / (V_0 · 0.05) = 0.5 A · 0.001 s / (100 kV · 0.05) = 100 nF

在 200 µs 的脉冲宽度下，同样的 5% 限值只需要 20 nF 的电容，因此脉冲宽度本身决定了电容组的大小。实际设计中会预留回路阻抗和控制延迟的裕量。

2.2 回路阻抗限制上升时间

回路阻抗 Z_L 由五项组成：电容器等效串联电阻 (ESR)、变压器漏感、整流器正向电阻、母线电阻和连接电感。回路时间常数如下：

τ = L_total / R_total

其中 τ 为回路时间常数，L_total 为回路总电感，R_total 为回路总电阻。上升时间与 τ 成正比，因此这两个值都必须减小才能达到 200 µs 的上升时间。

在电流快速上升期间，电池组的 ESL 最为重要，因为它会产生感应压降：

V_L = ESL · dI/dt

其中 V_L 为感压降，ESL 为电容器组的等效串联电感，dI/dt 为电流转换速率。50 nH 的 ESL 在 10 kA/µs 的转换速率下会产生 500 V 的压降，这会使输出电压的建立延迟微秒级。

2.3 能量容量与响应速度

提高电容值 C 可以降低电压下垂，但会带来四个方面的成本。封装体积和重量都会增加。更大的极板和引脚会增加静电放电 (ESL) 和静电电阻 (ESR)。充电时间会增加，从而限制帧速率。电容值和额定电压的增加都会提高成本。

因此，DSA发生器需要低阻抗布局、低ESL电容器以及用于校正剩余下垂的控制回路。仅靠电容无法实现理想的上升时间。

2.4 脉冲间恢复

每次脉冲过后，电容器组必须恢复到预充电状态才能承受下一次脉冲。恢复时间取决于充电电流和电容器组中的剩余能量。一个 100 nF 的电容器组在 100 kV 电压下储存 500 J 的能量，因此，一条能在 20 ms 内将其能量耗尽的泄放路径可以处理 25 kW 的峰值功率。

图 1 — 随着存储电容的增加，电压下降幅度减小，因此在 100 kV 和 500 mA 下 5% 的限制为 1 ms 脉冲设定了 100 nF 的下限。

3. 工程痛点

痛点一：银行必须同时兼具大型和小型银行的特点。

在 100 kV 电压下，电容器组需要较大的电容值以保证平稳的峰值响应，同时需要较小的电感值以实现快速上升。较大的电容器组响应速度较慢，会限制帧速率。较小的电容器组上升速度快，但峰值响应容易下降，导致图像亮度逐帧波动。

设计人员通常通过反复试验来确定数值，这会耗费数天的实验时间，并且没有给程序后期更改脉冲宽度留下任何余地。

痛点二：设计中忽略了回路电感。

低ESR的电容器组仍然可能缓慢上升。较长的PCB走线、较粗的母线和较长的电缆都会增加回路的电感。20厘米长的母线会增加200nH的电感，在10kA/µs的电流速率下，这将导致2kV的压降。

设计中经常将电容和 ESR 精确到小数点后三位，却从不测量回路电感，因此台式波形无法达到目标值，原因也很难找到。

痛点3：单个电容无法满足短脉冲和低纹波的需求。

短脉冲需要一个容量小、响应速度快、储能少的电容组。低纹波需要足够的滤波来保持峰值稳定。这两个要求相互矛盾，因此单电容设计要么出现波形下垂，要么出现波形振铃。

答案是采用分段式放大器，每个频段具有明确的阻抗，并且布局能够防止频段之间相互干扰。

4. 设计步骤

策略一：选择低ESR、低ESL高压陶瓷电容器

先从电容器技术说起。 N4700 I 类介电材料 在短引脚封装中，100 kHz 频率下 ESR 低于 50 mΩ，ESL 为 10–30 nH。低 ESR 可限制脉冲期间的电阻降；低 ESL 可限制电流斜坡期间的电感降。电解电容无法达到这两个指标。

策略二：设计低电感高压母线

缩短电池组、开关和变压器之间的线路。用叠层母线或多层板替换现有线路。并联电容器对称放置，使其等效串联电感 (ESL) 值达到最佳组合。对于重复单元，一个 4700 pF、回路电感为 8 nH 的电容器是一个有用的参考值。

目标是使总回路电感低于 500 nH，总回路电阻低于 100 mΩ，并在第一次脉冲测试之前用阻抗分析仪验证这两个参数。

策略三：将银行分成三个阻抗带

使用一个大容量电池组提供能量，一个小容量电池组提供速度。这三个电池组的工作原理如下。

• 能量范围（1 µF 至 10 µF）决定脉冲下垂。
• 快速带电容（10 nF 至 100 nF）为上升沿提供电流并保持上升时间。
• 解耦带，100 pF 至 1 nF，可吸收 1 MHz 以上的开关尖峰。

高压薄膜电容器 陶瓷部件适用于能量频段；陶瓷部件适用于两个频率较高的频段。保持各频段的自谐振点彼此分离，否则并联组合会产生共振。

策略四：预先充电并闭合回路

将预充电水平设置为高于曝光目标值的预期下降量：

V_pre = V_target + ΔV_drop

其中，V_pre 为预充电电压，V_target 为曝光电压（kV），ΔV_drop 为根据公式 2.1 估算的电压降。 HVRGHP 低电感检测电阻器 借助快速 ADC，该回路可以校正脉冲期间的峰值，并将下垂控制在 3% 以下。

策略五：采用谐振软开关

LLC 或 LCC 级在零电压或零电流下进行开关操作，从而降低开关损耗和电磁干扰，并允许更高的开关频率。谐振电容决定谐振点，因此需要具有稳定的电容值和低损耗。N4700 系列器件可提供 -4700 ppm/°C 至 ±1000 ppm/°C 的温度系数，以及低于 0.1% 的损耗因子。

策略六：趁着银行资金周转不灵

曝光结束后，通过管状脉冲电阻器将电池组放电至安全水平。这会缩短脉冲间隔并提高帧速率。使用 HVR-BSP 管状脉冲电阻器 根据脉冲能量进行尺寸设计，因为 20 毫秒内 500 焦耳的能量相当于 25 千瓦的峰值功率，平均功率额定值无法承受这种强度。

策略7：在仿真和实际测试中验证响应

在 PSIM、Saber 或 MATLAB/Simulink 中构建发生器模型，并扫描 C、ESR、ESL 和负载。检查以下四个参数：上升时间小于 200 µs，脉冲顶部下垂小于 5%，脉冲纹波小于 0.5%，恢复时间小于 50 ms。然后使用带宽至少为 100 MHz 的差分探头在实验台上进行验证。

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DSA存储组的HVC N4700电容器

决定电池组是否满足电压下垂和上升目标的两个关键因素是：开关频率下的损耗和电流路径中的电感。HVC 在东莞拥有一座 6,000 平方米的自有工厂，生产 N4700 系列器件，涵盖 1 kV 至 150 kV 的电压范围，满足上述两个条件。

这里需要考虑的六个参数

• 100 kHz 时 ESR 低于 50 mΩ。低损耗使脉冲期间电阻下降较小，并限制了 30 帧/秒占空比下的自发热。
• ESL低于30 nH。 HVCT8G 和 HVCT9G 短引脚系列 在 10 kA/µs 斜坡期间保持电感下降较低，这样就能将上升时间控制在 200 µs 以内。
• DF低于0.1%，TCC为-4700 ppm/°C ±1000 ppm/°C。该值在20°C至60°C范围内保持不变，因此台架上测得的下垂值与现场测量值相符。
• 在额定电压的1.5-2倍下，局部放电低于5 pC。低局部放电使介质在100 kV电压下重复受到1 ms脉冲冲击时保持稳定。
• 协调组件。HVRGHP 低电感检测电阻器， HVR-BSP 管状脉冲电阻器，以及 快速恢复高压二极管 可以与传感回路、泄放路径和整流级的电路组一起订购。
• 与一线品牌交叉参考。HVC部件符合以下电气参数和可靠性指标： 日前，Vishay HVCC、KEMET 径向引线、Murata DHS/DHR 和 TDK UHV/FHV，并用于财富 500 强医疗成像 OEM 的大规模高压发生器生产。

交付和支持

标准件的交货周期为 4-8 周，定制阻尼和匹配组件的交货周期为 6-10 周，而上述品牌通常需要 20-30 周。HVC 应用工程支持电容组容量计算、下垂仿真、母线布局审查和泄放路径电阻器选择。

请提供脉冲宽度、帧速率、目标电压（kV）和负载电流。HVC 将在五个工作日内返回一份包含部件编号、工作频率下的 ESR 和 ESL 数据的电池组匹配表，以及一套包含两个样品的评估套件。

6. 常见问题

Q1：如何确定DSA脉冲的储能电容器的容量？

从电压下垂方程 ΔV/V_0 ≈ I_load · t_pulse / (C · V_0) 出发，求解 C。在 100 kV、500 mA、持续 1 ms 且电压下垂小于 5% 的情况下，最小电容为 100 nF；200 µs 的脉冲需要 20 nF 的电容。然后，加上回路阻抗和控制滞后的裕量，并检查充电源是否能在 50 ms 的恢复窗口内为电池组充满电。

Q2：为什么低ESR电容器的上升时间仍然很慢？

因为在快速电流斜坡中，等效串联电感 (ESL) 和回路电感决定了上升时间。感性压降为 V_L = ESL · dI/dt，因此，在 10 kA/µs 的电流速率下，50 nH 的 ESL 会产生 500 V 的反向电压。长走线和未连接的母线会在电容 ESL 的基础上增加额外的电感。测量时应考虑总回路电感，而不仅仅是电容数据手册中的数值。

Q3：我可以直接使用容量更大的电容器吗？

更大的能量块可以降低下垂，但会增加体积、重量、静电放电 (ESL)、静电放电电阻 (ESR) 和充电时间。ESR 和 ESL 的增加会影响你原本想要保护的上升时间，而更长的充电时间会限制帧速率。建议使用分离式能量块：顶部使用大能量块，前缘使用小而低 ESL 的能量块。

Q4：目标回路电感是多少？

整个高压回路电感低于 500 nH，总回路电阻低于 100 mΩ。单个 4700 pF 电容器，回路电感为 8 nH，是并联电容器组中理想的重复单元。叠片母线、对称布置和短引线是确保总电感值符合目标值的关键。

Q5：如何在不增加电容的情况下保持脉冲顶部平坦？

预先将电池组充电至高于目标曝光量，充电量需考虑预期的电压降，然后在脉冲期间使用闭环进行顶部校正。使用低电感检测电阻和快速ADC，即使电池组电压原本会导致5%的电压降，电压降也能控制在3%以下。闭环的响应速度必须快于脉冲宽度。

Q6：每个脉冲后是否需要放电路径？

是的，如果帧速率很重要的话。该储能池在 100 kV 和 100 nF 的条件下储存 500 J 的能量，仅充电电源就可能需要比脉冲间隔更长的时间才能将其释放。通过管状脉冲电阻的泄放路径，大约 20 ms 即可将储能池中的能量释放完毕，从而支持 30 帧/秒的帧速率。这些电阻的规格应根据 25 kW 的脉冲功率来选择。

7。 参考

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. IEC 60270， 高压测试技术——局部放电测量日内瓦：IEC，2015。
5. 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。
6. 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。
7. 李旭珍和苏升基， 低直流母线电容逆变器的直流母线电压稳定IEEE工业应用学报，第50卷，第1期，第404-414页，2014年。https://doi.org/10.1109/tia.2013.2268733
8. 电容器充电和斯佩尔曼高压电源Spellman 高压电子公司，应用说明 AN-26，https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-26。
9. Zinke, O. 和 Seither, H. Widerstände、Kondensatoren、Spulen 和 ihre Werkstoffe, 2. 八月。柏林：施普林格，1982 年。
10. 美国 6,760,215, 具有高电压击穿阈值的电容器DF DeVoe（与 Presidio 相关），2004 年授权，https://www.freepatentsonline.com/6760215.html。
11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器技术资源https://www.hv-caps.com