Vishay 715C 替代品：MRI 高压陶瓷电容器

Vishay 715C 替代品：MRI 高压陶瓷电容器

抽象

Vishay 715C 和 660R 系列芯片已在 1.5T 和 3T 磁共振成像系统中担任射频耦合和直流链路节点长达四十年之久。目前，医用级芯片的交货周期为 30 至 40 周，某些电压等级的芯片甚至超过 52 周。本文将 HVC N4700 与上述两个系列芯片在有效损耗因子、等效串联损耗 (ESL) 和局部放电等方面进行了基准测试，并给出了可直接替换的验证流程。

1. 引言

715C 系列涵盖 5 kV 至 20 kV、1 nF 至 10 nF 的电压范围。660R 系列涵盖 5 kV 至 15 kV、100 pF 至 2.7 nF 的电压范围。两款产品均采用 N4700 级介质，并拥有 40 年的现场数据，适用于西门子、通用电气、飞利浦和联影集团的 MRI 射频耦合、梯度直流链路和辅助电源设计。

Vishay已将产能转移至汽车电子产品领域。目前，这些系列产品的医疗级交付周期为30至40周，部分电压等级的产品在2024年甚至超过52周。对于计划进行12个月认证周期的MRI项目而言，这样的交付周期是无法承受的。

替换并非简单的纸上谈兵。三个参数决定了替换元件在电路中的表现是否与原元件相同，而数据手册仅部分涵盖了这些参数。以下章节将介绍这三个基准、三个验证缺口以及弥补这些缺口的步骤。

2. 核心机制

2.1 有效耗散因子

DF_eff 是器件在额定电压下的损耗角正切值，它决定了器件的自发热和滤波效率。715C 和 660R 的数据手册显示，在 1 MHz 频率下，DF_eff 值接近 0.05%。MRI 节点的工作频率范围为 100 kHz 至 300 MHz，因此仅凭这一点是不够的。

在给定纹波电压下，耗散功率可由损耗角正切得出：

P_loss = V_ripple² · 2π · f · C · tanδ_eff

其中 V_ripple 为 RMS 纹波电压，f 为工作频率，C 为电容，tanδ_eff 为有效损耗角正切，P_loss 为耗散功率（单位：瓦特）。

在 70 V 纹波、100 kHz 频率和 10 nF 电容下，N4700 器件的功耗约为 0.46 mW。在相同测试条件下，715C DK11 器件的功耗为 0.48 mW。在热平衡状态下，热点温度差保持在 1 °C 以下。

2.2 ESL 和自共振

静电放电 (ESL) 限制了高频性能。引脚长度为 25 毫米的 715C 器件的电感为 15 nH 至 20 nH。该器件的自谐振频率为：

f_res = 1 / (2π · √(ESL · C))

其中 ESL 为回路等效串联电感，C 为电容，f_res 为元件自谐振频率，高于该频率时元件变为感性。

在 10 nF 的电容下，引线式器件的谐振频率接近 12 MHz。而 4 nH 的 SMD 2220 器件的谐振频率则高于 25 MHz。在 64 MHz 和 128 MHz 的射频载波频率下，引线式器件表现为感性，而 SMD 器件则保持容性，这就是 B1 均匀性差异的来源。

2.3 回路阻抗和放电电流

该回路决定了缓冲电路或耦合节点对电压阶跃的响应速度：

Z = √(L / C)

其中 L 为回路电感，C 为电容，Z 为回路特性阻抗。

对于一个 10 nF 的元件，其环路电感为 4 nH，则 Z 约为 0.63 Ω。然后，1000 V 的阶跃电压会在缓冲电路中产生 1.6 kA 的峰值电流，该数值决定了二极管能否在恢复过程中存活下来。

2.4 部分放电和寿命

PD 值标志着介质开始劣化的临界点。IEC 60384-14 标准规定，医用级陶瓷电容器在 1.5 倍额定电压下的 PD 值应为 10 pC 或更低。筛选标准为 5 pC（1.5 倍额定电压），关键订单可提供 2 pC 的精度，从而留有余量，使其高于该限值。

PDIV（起始电压）在经过筛选的 N4700 批次中运行电压高于额定电压的 1.6 倍，而在 715C 中则为 1.55 倍。经过 5 pC 筛选的批次在 140 °C 和 1.5 倍额定电压下进行加速测试，平均寿命超过 120,000 小时。

2.5 引脚-引脚连接机制

715C 型号的引脚间距为 10 毫米 ±0.5 毫米，引脚长度为 0.8 毫米。如果替代型号的引脚间距偏差超过 0.2 毫米，则无法安装到现有的 PCB 孔中，需要重新钻孔并更改布局。公差控制在 ±0.1 毫米以内，则该型号可以直接替换现有型号。

图 1 — 首先对 DF_eff、ESL 和部分放电进行基准测试，然后 10 毫米间距的 0.8 毫米引线证实了插入式适配。

3. 工程痛点

痛点 1：数据手册空白处

715C 数据手册列出了 1 kHz 和 1 MHz 下的 DF 值，但并未提供 100 kHz、64 MHz 或 128 MHz 下的有效 DF 曲线。因此，工程师只能依赖供应商提供的扩展报告，而无法获得独立的第三方数据，这不仅延长了认证流程，而且导致载波频率下的设计裕量未经验证。

痛点二：缺乏磁场数据

715C 数据手册并未涵盖从 0.5 T 到 3 T 的介电常数漂移。MRI 项目的主要关注点是 3 T 下 B1 均匀性的批次差异，而缺少磁性报告会将这种担忧转化为认证计划的进度风险。

痛点3：机械耐受性

10毫米间距和0.8毫米引线是沿用了25年的行业标准。任何不符合这些标准的替代方案都需要新的模具，而模具成本会加重原本基于进度和价格考虑而制定的替代方案的负担。

4. 设计步骤

策略一：在订购样品前构建模型间映射关系

根据电压和电容值，将现有的 715C 和 660R 型号映射到候选系列上。常见的匹配组合是：10 kV 时 10 nF 的 N4700 对应 715C DK11，以及 15 kV 时 2 nF 的 N4700 对应 715C DK15。SMD 封装的 660R 型号的电压范围为 5 kV 至 15 kV，电容范围为 100 pF 至 2.7 nF。

策略二：对每个单元进行PD筛查并获取第三方报告

医疗级 N4700 所有部件在工厂均经过 100% PD 屏蔽测试，测试条件为 5 pC 电流和 1.5 倍额定电压。如有需要，可将 SGS、TUV 和 CQC 的 PD、DF 和寿命测试报告添加到设计包中，这样 OEM 就无需承担额外的认证费用。

策略 3：测量磁体内部的有效损耗因子 (DF_eff) 和电容漂移

要求供应商提供其自身产品在 1.5 T 和 3 T 磁场下测量的有效场效应 (DF_eff) 和电容漂移曲线，并与……进行对比。 日前，Vishay 在3T磁场下，N4700漂移在测量数据中保持在0.8%以下。这条曲线是MRI审核人员首先要求查看的文件。

策略四：将高压物料清单整合到一个供应商

单一的电容器供应商 整流二极管, HVRGHP采样电阻器精密分规的使用，使得每个零件系列少了一项供应商资质认证。在CT-MRI融合项目中，设计导入周期从12个月缩短至7个月，物料清单（BOM）行数减少了38%。

策略五：以书面形式确定价格和进度。

单价为715C的50%至65%，标准交货周期为4至6周（而非30至40周），以及明确的月产能，这三项商业指标决定了是否更换供应商。应将这三项指标写入采购协议，并将产能与项目数量挂钩。

策略六：订购带有明确样本日期的定制销售线索

对于轴向引线和非标准间距，八周的批量生产周期加上四周的样品生产周期可以满足过渡需求。订购首套样品时，请将其与实际电路板进行比对，并在下订单前确认其适配性。

策略 7：在替换过程中运行 EMC 预合规性测试

比较同一电路板上 715C 器件和候选器件的传导裕量和辐射裕量。一家欧洲 MRI OEM 厂商在更换器件后，在其 3T 梯度板上测量到传导裕量提升了 2.3 dB，辐射裕量提升了 1.5 dB。在替代窗口期内完成预合规性工作，可将认证周期从 8 至 12 周缩短至 3 至 4 周。

策略 8：在 AVL 中保留第二个合格的来源

在715C库存仍能满足生产需求时，对替代产品进行资质认证。经批准的供应商名单上有两个合格的零件编号，可以消除单一供应商风险，这样切换就能按照生产计划进行，而不是按照供应商的计划进行。 薄膜电容器 可以将缓冲区位置保持在卷允许的节点上。

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. 715C 和 660R 位置的高压电容器

一款合格的替代产品必须同时满足三个条件：电气参数、封装和测试数据。HVC 在东莞拥有一座 6,000 平方米的自有工厂，生产 N4700 系列产品，涵盖 1 kV 至 150 kV 的电压范围，能够满足这三个条件。

这里需要考虑的六个参数

• 在 100 kHz 时有效损耗低于 0.06%，在 128 MHz 时低于 0.10%。该器件在整个 MRI 频段内保持低损耗特性，因此滤波器能够保持其衰减性能，并且器件本身也能保持低温运行。
• SMD病例中ESL低于4 nH。 门把手电容 SMD 线在 64 MHz 和 128 MHz 时具有容性阻抗。
• 100% 的医疗订单在 1.5 倍额定电压下 PD 低于 5 pC，关键订单可提供 2 pC。
• 引脚公差在±0.1毫米以内。0.8毫米的引脚长度和10毫米的引脚间距与现有PCB板孔位匹配，因此无需更改钻孔方式。
• 批次一致性。批次间 DF_eff 偏差保持在 0.02% 以下，ESL 低于 0.5 nH，3 T 下的电容漂移低于 0.8%。
• 配套部件：HVD二极管、HVRGFP和HVRGHP玻璃釉电阻器。 分级电阻器， 和安全 Y电容 可以与电容器一起订购，只需满足一个条件即可。

交付和支持

标准件的交货周期为 4 至 6 周，定制铅芯和包装的交货周期为 8 至 12 周，而进口系列产品的交货周期通常为 30 至 40 周。HVC 的 N4700 系列产品每月产量为 50,000 万台，并为战略客户保持三个月的滚动库存。

请提供现有部件编号、工作频率、纹波电压和电路板尺寸。HVC 将在五个工作日内返回一份基准测试表，其中包含等效部件编号、工作频率下的 DF_eff 和 ESR 数据，以及第三方 PD 报告。

6. 常见问题

问题1：哪些参数决定了715C能否直接替代？

按顺序设置 DF_eff、ESL 和局部放电。DF_eff 设置自发热和滤波损耗，ESL 设置器件转为感性频率，PD 设置预期寿命。首先匹配这三项参数，然后检查引脚间距和引脚直径是否与现有 PCB 孔位匹配。

Q2：为什么在 1 MHz 下测量的 DF 不能预测射频特性？

因为有效损耗因子 (DF_eff) 随频率增加而增大，而真正重要的损耗出现在 64 MHz 和 128 MHz 处。一个在 1 MHz 时性能良好的器件，在载波频率下仍可能损耗更多。请获取 100 kHz、64 MHz 和 128 MHz 处的 DF_eff 曲线，并计算实际纹波电压下的损耗 P_loss = V_ripple² · 2π · f · C · tanδ_eff。

Q3：多少ESL水平是可以接受的？

足够低，使得 f_res 远高于系统中的最高载波频率。当电感为 4 nH、电容为 10 nF 时，f_res 高于 25 MHz，比 128 MHz 高出五倍。一个电感为 18 nH 的引线元件在 12 MHz 附近谐振，在 128 MHz 时表现为感性，这会导致调谐网络移动，并破坏 B1 均匀性。

Q4：5 pC 的 PD 屏幕究竟能买到什么？

与IEC 60384-14标准规定的医用级陶瓷电容器10 pC的限制相比，本产品具有更大的裕量，并且在工作电压下具有更长的使用寿命。经筛选的批次在140℃和1.5倍额定电压下，平均寿命可达120,000小时以上。请索取交付批次的筛选证书，而非参考批次的筛选证书。

Q5：资格认证需要多长时间？

如果DF、ESL和PD数据已经存在且封装符合标准，则认证周期为7至12周。耗时最长的通常是内部文件审核，而非测量本身。在同一时间窗口内进行预合规性EMC测试，可将认证周期控制在3至4周，避免二次审核。

Q6：如果 715C 库存先用完了怎么办？

现在就确定第二个供应商，并将两个零件编号都列入合格供应商名单。在新布局中使用双封装，这样电路板可以兼容两种零件，生产线可以根据库存情况选择。这可以消除对单一供应商供货周期的依赖。

7。 参考

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11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com