IEC 60601-1: X선 발생기용 고전압 Y형 커패시터 크기 선정

IEC 60601-1: X선 발생기용 고전압 Y형 커패시터 크기 선정

추상

고전압 출력에서 ​​접지로 연결되는 커패시터를 추가할 때마다 리플 및 공통 모드 필터링 성능이 향상되지만, IEC 60601-1에서 정한 100µA의 누설 전류 허용치를 초과하게 됩니다. 본 문서에서는 범주별 누설 전류 제한, 필터 값과 측정 전류를 연결하는 정전 용량 관계, 표준 측정 네트워크의 주파수 가중치, 그리고 필터링이 제한 범위 내에 있도록 하는 할당, 절연 및 측정 단계를 설명합니다.

1. 소개

의료용 X선 고전압 발생기 설계 작업은 출력 리플과 공통 모드 노이즈를 줄이는 데 집중되어 있습니다. 이 두 가지를 모두 달성하는 가장 직접적인 방법은 고전압 출력에서 ​​접지로의 커패시턴스를 추가하는 것이므로, 시제품의 측정 결과가 양호해질 때까지 필터 네트워크가 점차 확장됩니다.

안전성 테스트는 그 결과를 뒤집어 놓습니다. 접지에 연결된 모든 커패시터는 전력 주파수 전류를 전달하며, 누설 전류 테스트는 바로 이 전류를 측정합니다. 전기적 성능이 뛰어난 설계라도 접지 커패시터가 회로 설계자가 고려하지 않은 한계를 넘어서면 IEC 60601-1 테스트를 통과하지 못할 수 있습니다.

누설 전류는 측정값입니다. 임상 환경에서 환자는 적용된 부위를 만지고 시술자는 하우징을 만지기 때문에, 누설 전류가 허용치를 초과하면 단순한 이론적인 오류가 아니라 감전 위험이 발생합니다. 본 문서에서는 누설 전류의 허용치, 정전 용량과 누설 전류의 관계, 그리고 필터링 성능을 허용치 내로 유지하는 방법에 대해 다룹니다.

2. 핵심 메커니즘

2.1 누출 유형별 제한 사항

IEC 60601-1은 누설 전류를 전류가 흐르는 경로별로 분류합니다. 아래의 제한값은 B형 적용 부품에 적용되며, 정확한 값은 장비 유형 및 표준 버전에 따라 달라집니다.

• 접지 누설 전류: 정상 상태에서 100µA, 단일 고장 상태에서 500µA.
• 외함 누설 전류: 정상 상태에서 100µA, 단일 고장 상태에서 500µA.
• 환자 누설 전류: 정상 상태에서 10µA, 단일 고장 상태에서 50µA이며, CF 적용 부품의 경우 더 엄격한 값이 적용됩니다.

각 제한값은 기계 전체에 적용되므로 고전압 발생기의 접지 커패시터는 전력선 필터, 모터 구동 장치 및 디스플레이 모듈과 허용값을 공유합니다. 자체 검사를 통과한 커패시터라도 기계의 허용치를 초과하게 만들 수 있습니다.

2.2 정전 용량은 누설 전류를 결정합니다.

정현파 전압의 경우, 커패시터를 통해 접지로 흐르는 전류는 주파수, 커패시턴스 및 커패시터 양단의 전압에 따라 결정됩니다.

I = 2πf · C · V

여기서 I는 누설 전류, f는 전압 주파수, C는 접지 정전 용량, V는 노드에서 접지까지의 전압입니다. 이 관계는 정전 용량에 대해 선형적이므로 Y 값을 두 배로 늘리면 측정된 전류도 두 배가 됩니다.

의료용 고전압 발생기에서는 전압 항을 주의 깊게 살펴야 합니다. 고전압 출력에서 ​​접지까지의 전압은 전력 주파수 성분, 스위칭 주파수 성분 및 이들의 고조파를 포함하며, 누설 전류 테스트에서는 이러한 주파수 대역에 대해 서로 다른 가중치를 부여합니다.

2.3 측정 네트워크는 주파수 대역에 가중치를 부여합니다.

IEC 60601-1은 고주파를 감쇠시키는 인체 모사 측정 네트워크를 규정합니다. 100kHz의 스위칭 노이즈는 측정값에 미치는 영향이 실제 진폭에서 나타내는 것보다 훨씬 적으며, 50Hz 성분은 거의 감쇠되지 않고 통과합니다.

그 가중치는 설계 노력의 방향을 바꿉니다. 전력 주파수 성분과 그 저차 고조파가 측정된 누설 전류를 결정하므로, 할당은 해당 대역을 기준으로 이루어져야 합니다. 접지 커패시턴스를 줄이는 것이 수치를 변화시키는 요인이며, 고주파 대역에서의 전류 프로브 측정값은 영향을 미치지 않습니다.

2.4 허용치에서 역산하기

고전압 Y 커패시터의 유효값은 해당 분기에 할당된 전류로부터 얻어집니다. 커패시턴스 관계식을 역으로 적용하여 값을 구하십시오.

C_Y = I_alloc / (2πf · V_ac)

여기서 C_Y는 Y축 정전 용량, I_alloc은 고전압-접지 분기에 할당된 누설 전류, f는 선로 주파수, V_ac는 접지 전압의 전력 주파수 성분입니다. 50Hz에서 100V 성분을 갖는 35µA 할당은 1.11nF에 해당합니다.

이 관계는 명백한 반사 작용의 비용도 보여줍니다. 220V/50Hz에서 접지에 1nF의 커패시터가 추가될 때마다 측정값에 약 69µA가 추가되며, 전체 기기의 정상 작동 한계는 100µA입니다. 이러한 부품 두 개만으로도 이 한계를 초과하게 됩니다.

그림 1 — 100µA 누전 차단 용량은 전력선 필터용 35µA, 고전압 발생기용 35µA, 제어 회로용 30µA로 나뉩니다.

3. 엔지니어링 문제점

문제점 1: 리플 목표와 누출 한계가 서로 어긋남

고급 CT 및 DSA 발생기는 출력 리플이 0.5% 미만, 때로는 0.1% 미만이라고 명시하고 있으므로 자연스러운 응답은 더 큰 필터 커패시터를 사용하는 것입니다. 접지에 커패시턴스를 추가하면 220V/50Hz에서 나노패럿당 69µA의 전류가 소모됩니다.

두 가지 요구 사항은 명확한 상한선에서 만납니다. 그 상한선을 넘어서면 변동폭이 커지지만 안전성 테스트에 실패하고, 기계 설계가 이미 확정된 후에야 재작업이 이루어집니다.

두 번째 문제점: 고주파 필터링과 누출 테스트는 서로 다른 것을 측정합니다.

더 큰 Y 커패시터를 사용하면 공통 모드 노이즈를 억제하고 전도성 방출을 줄일 수 있습니다. 누설 전류 측정기는 주로 50/60Hz 대역에 민감하므로 EMC 결과를 개선하는 변경 사항이 인증 여부를 결정하는 수치를 악화시킬 수 있습니다.

공학적 분리 원리는 일단 설명하면 간단합니다. 고주파 바이패스, 저주파 격리입니다. 초크는 고주파 대역을 처리하고, 작은 Y 커패시터는 초크가 처리하지 못한 저주파 대역을 처리합니다.

세 번째 문제점: 각 시장마다 요구사항을 다르게 해석한다.

IEC 60601-1, FDA 510(k), GB 9706.1 및 JIS T 0601-1은 제한값, 측정 조건 및 고장 모의 방법에서 차이가 있습니다. 유럽 시험을 통과한 발전기라도 미국이나 중국에서는 문제가 발생할 수 있습니다.

가장 엄격한 제약 조건에 맞춰 설계하는 것이 시장별로 재설계하는 것보다 비용이 적게 듭니다. 가장 엄격한 기준값을 바탕으로 설계하고, 그 결과를 토대로 시장별 설계 문서를 작성할 수 있습니다.

4. 설계 단계

전략 1: 누출 할당표 구축

설계 단계에서 기기에서 접지로 이어지는 모든 경로를 나열하고 각 경로에 전류 분담액을 할당하십시오. 일반적인 정상 작동 조건의 접지 누설 전류 허용치 100µA를 기준으로 전력선 필터 Y 커패시터에 30~40µA, 고전압 발생기에 30~40µA, 제어 회로, 모터 구동 장치 및 디스플레이 모듈에 20~40µA를 분배하는 것이 일반적입니다.

HV 분기의 크기는 C_Y = I_alloc / (2πf · V_ac) 공식을 이용하여 결정한 다음, 부품 허용 오차 및 생산 편차를 고려하여 20~30%의 여유를 뺍니다. 35µA의 전류 소모량을 기준으로 계산하면 값은 1.11nF가 되며, 선택된 부품은 680pF와 1nF 사이에 있습니다.

전략 2: 고주파수 특성이 우수한 소형 1급 커패시터를 사용합니다.

허용 오차가 빠듯할 경우, Y 커패시터는 작은 값으로 작동해야 합니다. 이를 가능하게 하는 세 가지 사양은 다음과 같습니다. 첫째, 낮은 ESR과 낮은 ESL을 갖추어 작은 부품이라도 스위칭 대역에서 낮은 임피던스를 유지해야 합니다. 둘째, 자체 공진 주파수가 스위칭 대역보다 높아 부품이 유도성으로 변하지 않아야 합니다. 셋째, 안정적인 온도 특성을 갖추어 누설 전류가 탱크 온도 변화에 따라 변하지 않아야 합니다.

클래스 I 유전체는 구조적으로 세 번째 요구 사항을 충족합니다. 정전 용량 변화가 °C당 수십 ppm에 불과하므로 50Hz에서의 누설 전류는 콜드 스타트부터 정상 상태 유지까지 설정된 값 그대로 유지됩니다.

전략 3: 차동 필터링과 공통 모드 필터링 분리

차동 리플은 양극 및 음극 고전압 출력 단자 사이에 연결된 커패시터에 의해 억제됩니다. 이 위치는 접지로 전류가 흐르지 않고 할당 비용도 들지 않으므로 차동 필터는 필요한 리플 목표치만큼 크게 설계할 수 있습니다. 필름 콘덴서 리플 전류가 높을 때의 위치에 적합합니다.

공통 모드 억제에는 각 고전압 단자에서 보호 접지까지 커패시터가 필요하며, 부품 선택의 폭이 제한적입니다. 두 기능을 별도의 부품으로 유지하면 리플 제거 작업이 안전 테스트와 충돌하는 것을 방지할 수 있습니다.

전략 4: 피드백 경로를 분리합니다

누설 전류는 고전압 측과 저전압 제어부 사이의 피드백 연결부를 통해서도 흐릅니다. 절연 증폭기 또는 고전압 분배기를 통과하는 광커플러를 사용하여 kV 신호를 샘플링하고, 절연 DC-DC 전원 공급 장치에서 고전압 측을 구동하십시오.

고전압 측 접지와 저전압 측 접지는 분리하고, 회로 구성상 필요한 경우에만 단일 접지점 또는 고저항 연결을 사용하십시오. 이렇게 하면 Y 커패시터가 발생시키지 않았고 해결할 수도 없는 누설 경로를 제거할 수 있습니다.

전략 5: LC 네트워크를 이용한 감쇠 복구

Y 값이 할당량에 의해 제한될 때, LC 또는 π 네트워크는 접지에 추가 용량을 두지 않고도 고주파 감쇠를 증가시킵니다. 이 조합의 감쇠는 인덕턴스와 용량의 합에 의해 결정됩니다.

A_dB = 20 · log10[(2πf)² · L · C]

여기서 A_dB는 데시벨 단위의 감쇠, f는 잡음 주파수, L은 초크 인덕턴스, C는 회로의 정전 용량입니다. 1nF의 Y축 정전 용량만 있는 10mH 공통 모드 초크는 1MHz에서 약 52dB의 감쇠를 제공하는데, 이는 1nF 커패시터만으로는 달성할 수 없는 값입니다.

전략 6: 단일 과실 사례를 처리합니다.

단일 고장 분석은 Y 커패시터 단락, 접지 연결 단선 또는 절연 파손을 가정합니다. 보호 접지가 단선된 경우에도 누설 전류가 단일 고장 허용 한도 내에 유지되어야 하는 경우를 고려하여 설계하십시오.

자가 복구 특성을 가진 세라믹 커패시터는 단락 위험을 낮추고 높은 값을 제공합니다. HVRGHP 중요 접지 분기 회로에 있는 저항은 고장 전류를 제한합니다. 섀시, 테이블 및 검출기 지지대의 접지 연속성을 각각 확인하십시오.

전략 7: 표준 측정 네트워크를 사용하여 검증

IEC 60601-1 측정 ​​네트워크 및 방법을 구현하는 누설 전류 시험기를 사용하여 정상 상태와 단일 고장 상태(보호 접지 단선 및 전원 라인 단선 포함)에서 시험하십시오.

각 주파수 대역의 누설 전류를 기록하고 할당표와 비교하십시오. 측정값이 할당 범위 내에 있으면 모델이 맞는 것으로 간주하고, 할당 범위를 벗어나면 표에 없는 경로임을 나타냅니다.

구성 요소 매개변수	전형적인 가치	시험 조건
정격 전압(HVCT8G 시리즈)	10 kV DC	60초 동안 1.5배속으로 고전압 가열
정전 용량	4700 pF ±20% (472M)	1MHz, 1V rms
1MHz에서의 ESR	50mΩ 미만	-
루프 인덕턴스(E40 코드)	8nH 이하	단자 간격 40mm
절연 저항	500V DC에서 10GΩ 이상	25°C, 상대습도 60%
온도 범위	−40°C ~ +125°C	IEC 60068-2 시리즈
펄스 dv/dt 기능	50kV/µs 이상	정격 전압에서

5. 누설 제한 필터링용 HVC Y 커패시터

HVC 의료용 등급 Y 커패시터는 470pF ~ 4.7nF 및 1kV ~ 50kV의 용량 범위를 제공합니다. N4700 1급 유전체입니다. 정전 용량 범위가 할당 허용 값보다 낮기 때문에 설계 시 필터링 성능을 희생하지 않고도 안전성 테스트를 통과할 수 있습니다.

여기서 중요한 6가지 매개변수

• 임피던스가 낮은 작은 값들. DF가 0.1% 미만이고 ESL이 30nH 미만이면 680pF Y 커패시터가 스위칭 대역에서 효과적으로 작동하지만, 동일한 값의 ESR이 높은 부품은 아무런 효과가 없습니다.
• 높은 절연 저항. 1급 세라믹 유전체는 2급보다 훨씬 높은 절연 저항을 가지므로 접지 전압의 직류 성분으로 인해 누설 전류가 매우 적습니다.
• 온도 변화에 따른 동작 특성이 예측 가능합니다. 정전 용량은 전체 작동 범위에서 몇 퍼센트 이내로 유지되므로 측정된 누설 전류는 할당표에 따라 결정됩니다.
• 1kV~50kV의 전압 정격을 갖춘 피드스루 및 스크류 터미널 패키지(다음 포함) HVCT8G 고전압 접지 분기용 본체.
• 모든 구성 요소를 한 곳에서 공급받습니다. Y 분기 전류 제한 및 분배기 샘플링을 위한 HVRGFP 고저항기가 포함되어 있습니다. HVR-BSP 정류기 스너버용 부품이므로 절연 및 고장 분석은 동일한 측정 장비에서 측정된 부품들을 대상으로 합니다.
• 규격 준수 문서. IEC 60384-14에 따른 Y 커패시터 인증, 의료용 등급 재료 선언서, RoHS 및 REACH 인증서를 주문 시 함께 발급받을 수 있어 인증 주기를 단축할 수 있습니다. 상호 참조 현재 다른 브랜드를 지정하는 시트 커버 디자인.

배송 및 지원

표준 부품은 4~8주, 맞춤형 세트는 6~10주 내에 배송됩니다. HVC 애플리케이션 엔지니어링팀은 누설 전류 배분 분석, Y형 커패시터 및 필터 네트워크 설계, 그리고 다국적 시장 인증을 위한 문서 패키지를 지원합니다.

각 분기별 누설 허용치, 주파수 성분별 접지 전압, 스위칭 주파수 및 탱크 배치도를 보내주십시오. HVC는 절연 저항 및 누설 전류 데이터가 포함된 부품 번호, 접지 분기에 대한 고장 전류 계산 결과, 그리고 2개 샘플 평가 키트를 5영업일 이내에 제공합니다.

6. 자주 묻는 질문

Q1: X선 발생기의 누설 전류 제한값은 얼마입니까?

IEC 60601-1은 B형 적용 부품에 대해 정상 상태에서 100µA, 단일 고장 상태에서 500µA의 접지 누설 전류를 설정하며, 외함의 누설 전류 제한값도 동일하고, 환자 누설 전류 제한값은 10µA 및 50µA입니다. 이 제한값은 전체 기기에 적용되므로 고전압 탱크의 Y 커패시터는 접지로 연결되는 다른 모든 경로와 허용값을 공유합니다.

Q2: 한 분기 회로가 수용할 수 있는 Y축 커패시턴스는 최대 얼마입니까?

할당된 전류를 기준으로 C_Y = I_alloc / (2πf · V_ac) 공식을 사용하여 크기를 결정합니다. 50Hz에서 35µA의 전류를 분배하고 100V의 전력 주파수 성분을 고려하면 약 1.11nF의 용량이 필요하며, 20~30%의 여유를 두면 680pF~1nF의 용량이 적절합니다. 220V/50Hz에서 접지로 연결되는 1nF의 결선은 기계의 100µA 결선 용량 제한 중 약 69µA를 소모합니다.

Q3: EMC 결과가 향상될 때 Y 커패시턴스가 더 큰 경우 안전 테스트에서 불합격되는 이유는 무엇입니까?

두 측정값이 서로 다른 주파수 대역을 측정하기 때문입니다. 누설 전류 측정기는 50/60Hz 대역을 거의 전적으로 측정하고 고주파수를 감쇠시키므로 Y 커패시터를 통과하는 전력 주파수 전류가 측정값에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 초크 커패시터가 고주파수 감쇠를 담당하고 Y 커패시터는 규격에 맞게 작은 크기로 유지됩니다.

Q4: HV 출력단에 대용량 콘덴서를 추가하는 것으로 대체할 수 있을까요?

네, 양극 및 음극 고전압 단자 사이에 연결되는 경우라면 가능합니다. 해당 위치는 접지로 전류가 흐르지 않으므로 큰 값을 사용해도 누설 전류 용량에 영향을 미치지 않으며 차동 리플을 효과적으로 억제합니다. 다만 각 고전압 단자에서 보호 접지로 연결되는 커패시터의 값만 제한되며, 이 값은 작게 유지해야 합니다.

Q5: 온도 변화에 따른 누설 전류의 안정성을 유지하려면 어떻게 해야 합니까?

Y 커패시터에는 N4700과 같은 1급 유전체를 사용하십시오. 이 유전체는 정전 용량이 °C당 수십 ppm 이내로 유지되므로 50Hz 전류가 25°C에서 측정된 값에 가깝게 유지되며, 저온 시동을 통과한 값이 2시간 동안의 유지 후에도 그대로 유지됩니다. 2급 유전체를 사용하면 동일한 온도 범위에서 정전 용량이 크게 감소할 수 있습니다.

Q6: 인증 기관에서 요구하는 서류는 무엇입니까?

IEC 60384-14 규격의 Y 커패시터 인증, 의료용 등급 재료 선언서, 그리고 RoHS 및 REACH 준수 인증서가 포함되어 있습니다. 이 모든 서류는 부품 수준의 안전성 검증을 위한 자료이며, 측정된 누설 전류가 포함된 할당표는 장비 수준의 안전성 검증을 위한 자료입니다. 주문 시 전체 서류 세트를 요청하시면 서류 작업 지연 없이 인증 절차를 신속하게 진행할 수 있습니다.

7. 참조

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8. 콘덴서의 항복 전압은 어떻게 측정하나요?All About Circuits 포럼, https://forum.allaboutcircuits.com/threads/how-do-i-determine-breakdown-voltage-of-a-capacitor.25915/ .
9. 응축기 세라믹 활용도 3kV (C0G/NP0 vs X7R/Y5S 안정성 논의), Retrotechnique 포럼, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
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