선형가속기 변조기 EMI: 고전압 필터 커패시터 선정

선형가속기 변조기 EMI: 고전압 필터 커패시터 선정

추상

선형 가속기(LINAC) 변조기는 100ns의 짧은 시간 동안 50kV와 2kA의 전압 및 전류를 전환하며, 이 전환 신호는 DC부터 수 GHz에 이르는 넓은 주파수 대역을 방출합니다. 전도성 전자기파는 전선을 따라 전파되고, 방사성 전자기파는 전선 이음매와 케이블을 통해 방출되며, 나머지 전자기파는 접지 루프를 통해 전파됩니다. 본 논문에서는 이러한 세 가지 전파 경로, CISPR 11 Class B 제한 기준, 4중 구조 보정 방법, 그리고 6~12dB의 안전 여유를 확보한 정류 장치에서 측정한 스펙트럼을 제시합니다.

1. 소개

선형가속기(LINAC) 변조기는 병원에서 가장 강력한 전자파 간섭(EMI) 발생원입니다. 이 변조기의 펄스 가장자리는 50kV의 전압과 2kA의 전류를 전달하며, 전류 밀도(dI)/전류차(dT)는 약 10kA/µs, 전압 밀도(dV)/전류차(dV)는 약 10kV/µs입니다. 이 펄스는 초당 200~400회 반복됩니다.

그 펄스는 직류(DC)부터 수 GHz에 이르는 주파수 대역에 에너지를 퍼뜨리는데, 대부분은 1MHz에서 30MHz 사이입니다. 마그네트론은 2.856GHz의 주파수를 추가합니다. 해당 사이트의 Wi-Fi, 블루투스, ECG 링크도 같은 주파수 대역에 속합니다.

두 가지 표준이 동시에 적용됩니다. CISPR 11 Class B는 병원 시설에 대한 전자파 방출 제한을 설정하고, IEC 60601-1-2는 내성 테스트를 추가합니다. 세 건 중 한 건은 첫 번째 EMC 테스트에서 불량이 발생하며, 수정 주기는 3~6개월입니다.

이 글에서는 두 가지 잡음 모드, 세 가지 경로, 4층 잡음 억제 계획 및 측정 결과를 다룹니다. 50kV 변조기 사례를 통해 전체적인 내용을 살펴봅니다.

2. 핵심 메커니즘

2.1 차동 모드 및 공통 모드

차동 모드 노이즈는 라인으로 흘러나와 중성선으로 되돌아옵니다. 스위칭 전류에 의해 발생하며, 주파수 대역은 10kHz에서 5MHz 사이입니다. 라인과 중성선 사이에 X자형 회로를 연결하고 초크를 직렬로 연결하면 대부분의 노이즈를 제거할 수 있습니다.

공통 모드 노이즈는 두 도체를 통해 흘러나와 보호 접지를 통해 되돌아옵니다. 빠른 dV/dt는 기생 정전 용량을 통해 이를 구동하므로 1MHz에서 300MHz 사이의 주파수 대역에 존재합니다. AY 부분을 접지에 연결하고 공통 모드 초크를 추가하면 이를 제거할 수 있습니다.

두 모드는 직교 위상으로 더해지므로, 미분 모드 측정값에도 작은 공통 모드 항이 여전히 나타납니다.

V_total = √(V_DM² + V_CM²)

여기서 V_total은 측정된 교란(dBµV), V_DM은 차동 모드 항, V_CM은 공통 모드 항입니다. 50dBµV의 공통 모드 항과 40dBµV의 차동 항이 합쳐지면 LISN에서 54dBµV가 됩니다.

2.2 펄스 에지에서 발생하는 공통 모드 전류

변조기 자체의 에지가 공통 모드 전류를 결정합니다. 100pF의 방열판 용량에 대한 10kV/µs의 슬루율은 접지 경로로 1A의 펄스를 발생시킵니다.

I_CM = C_par × dV/dt

여기서 I_CM은 공통 모드 전류(A), C_par는 노드에서 접지까지의 기생 정전 용량(pF), dV/dt는 노드 슬루율(kV/µs)입니다. 스위치당 C_par를 50pF 미만으로 유지해야 합니다. 그렇지 않으면 초크 코어가 포화되어 필터가 작동을 멈춥니다.

2.3 세 가지 전파 경로

경로 1은 전력선 전도입니다. 고주파 전류는 변조기를 나와 전력망으로 들어가 다른 방으로 이동합니다. 이 경로는 150kHz에서 30MHz까지의 주파수 대역을 포함하며, 입력 필터와 절연 변압기를 통해 처리됩니다.

경로 2는 자유 공간 방사입니다. λ/20보다 긴 모든 도체는 안테나 역할을 하므로 캐비닛 이음새, 케이블 및 고전압 케이블 모두에서 방사가 발생합니다. 이 경로는 30MHz에서 1GHz까지의 주파수 대역을 포함하며, 차폐 및 페라이트 링으로 처리됩니다.

파장은 해당 경로의 척도를 결정합니다.

λ = 300 / f

여기서 λ는 파장(m)이고 f는 주파수(MHz)입니다. 30MHz에서 λ는 10m이므로 λ/20 법칙에 따라 500mm의 이음매가 허용됩니다. 1GHz에서 λ는 0.3m이고 같은 법칙을 적용하면 15mm의 이음매가 허용됩니다.

경로 3은 접지 루프입니다. 접지된 두 장치 사이의 접지 전위차는 직류에서 수 MHz에 이르는 루프 전류를 발생시킵니다. 단일 접지점과 광 절연을 통해 이를 처리할 수 있습니다.

CISPR 11 클래스 B는 해당 세 가지 경로가 충족해야 하는 한계를 설정합니다.

밴드	준 피크 한계	평균 한계
150kHz – 500kHz	66 – 56 dBµV	56 – 46 dBµV
500kHz – 5MHz	56dBµV	46dBµV
5MHz – 30MHz	60dBµV	50dBµV
30MHz ~ 230MHz (10m)	40 dBµV/m	-
230MHz – 1GHz (10m)	47 dBµV/m	-

억제되지 않은 변조기는 전원 전압에서 80~95dBµV를 측정하는데, 이는 제한치보다 20~30dB 높은 수치입니다. 필터링된 장치는 50~60dBµV를 측정하므로, 여유 마진은 5~15dB입니다.

필터 단계는 주파수 비율에 비례하여 손실을 발생시킵니다.

IL = 40 · log10(f / f_c)

여기서 IL은 삽입 손실(dB), f는 측정 주파수(MHz), f_c는 코너 주파수(MHz)입니다. 코너 주파수가 50kHz인 스테이지는 1MHz에서 52dB, 150kHz에서 약 20dB의 삽입 손실을 보입니다.

2.4 변조기 내부의 소스

변조기의 다섯 가지 구성 요소가 스펙트럼을 구동합니다. IGBT 과도 응답은 10MHz에서 100MHz 사이에 있습니다. 펄스 변환기는 1MHz에서 30MHz 사이에 있습니다. 공진 충전은 약 1kHz에서 5kHz 사이에 있습니다. 고전압 케이블은 30MHz에서 300MHz 사이의 주파수를 방출합니다. 제어 보드 전원 공급은 20MHz에서 100MHz 사이에 있습니다.

각 소스마다 부분적인 해결책이 필요합니다. 스너버와 게이트 저항은 IGBT 에지를 처리하고, 권선 차폐는 트랜스포머를 보호하며, 360° 차폐 본딩은 케이블을 보호합니다.

그림 1 — 2단계 흡입 필터부터 이음매 개스킷까지 네 가지 개선 사항을 순서대로 적용하면 CISPR 11 Class B 기준에서 최악의 경우 74dBµV 대역이 50~60dBµV로 감소합니다.

3. 엔지니어링 문제점

문제점 1: 단일 단계 흡입 필터

한 장치는 입력단에 단일 LC 회로를 사용했습니다. 0.5MHz~5MHz 대역에서 측정된 값은 56dBµV 제한치 대비 74dBµV였습니다. 1mH 초크와 470nF X 파트를 사용한 두 번째 회로를 추가하자 대역 감쇠가 18dB 감소했습니다. 두 개의 회로를 추가하는 비용이 재시험 한 번 비용보다 저렴했습니다.

두 번째 문제점: DC 버스에 디커플링이 없음

DC 버스에 부품이 없으면 20MHz~60MHz 대역은 DC 케이블을 통해 전송됩니다. 1nF/20kV 부품 4개를 공통 모드 초크와 함께 π 필터를 구성하여 해당 대역을 10~15dB 감쇠시킵니다.

문제점 3: 피그테일 실드 종단 처리

100mm 피그테일은 30MHz에서 전달 임피던스를 20~40dB 증가시킵니다. 따라서 차폐막은 방사체 역할을 하게 됩니다. 모든 피그테일을 360° 클램프로 교체하면 방사 대역이 15~20dB 감소합니다.

문제점 4: 가스켓이 없는 캐비닛 이음새

300mm 이음매는 30MHz 주파수 대역을 거의 손실 없이 통과시킵니다. λ/20 법칙에 따르면 이음매 간격은 30MHz에서 50cm 미만, 1GHz에서 15mm 미만이어야 합니다. 한 경우에서 4개의 이음매에 베릴륨-구리 핑거 스톡을 사용하여 25dB의 격차를 해소했습니다.

4. 설계 단계

전략 1: 두 모드 간의 거리를 측정합니다.

LISN을 사용하여 선간 전압과 접지 전압을 각각 측정하십시오. 이 측정값을 통해 X 부품 또는 Y 부품에 투자할지 여부를 결정할 수 있습니다. 필터를 선택하기 전에 이 작업을 수행하십시오. 잘못된 선택은 비용 증가와 수익 감소로 이어집니다.

전략 2: 2단계 흡입 필터 구축

1단계는 470pF Y1 부분과 1µF X2 부분으로 구성된 5mH 초크를 사용합니다. 2단계는 220pF Y1 부분과 470nF X2 부분으로 구성된 1mH 초크를 사용합니다. 입력 및 출력 라인은 30cm 이상 떨어뜨려 놓아야 합니다. 그렇지 않으면 두 단계가 서로 연결되어 각자의 일을 상쇄하게 됩니다.

전략 3: DC 버스와 각 게이트를 필터링합니다.

DC+와 DC−에 1nF/20kV 커패시터를 연결하여 초크와 함께 π 필터를 구성하십시오. 각 게이트-이미터 쌍에 10nF/6kV 커패시터를 추가하여 40개 스위치 스택의 문제를 해결하십시오. 리드선 길이는 10mm 이하로 유지하십시오.

전략 4: 습관이 아닌 빈도에 기반하여 전략을 세우십시오.

1MHz 미만에서는 신호, 전원 및 보호 접지를 한 지점에서 연결하십시오. 10MHz 이상에서는 각 캐비닛 패널을 개별적으로 접지하고 10mm 이상의 넓은 구리 스트랩을 사용하십시오. 보호 접지 저항은 4Ω 미만, 차폐 접지 저항은 0.1Ω 미만으로 유지하십시오.

전략 5: 이음새와 통풍구를 막으세요

이음매 간격은 λ/20 이하로 유지하십시오. 이는 30MHz에서 50cm, 1GHz에서 3cm에 해당합니다. λ/10 미만의 셀을 가진 벌집형 통풍구를 사용하십시오. 모든 케이블 입구는 금속 백쉘로 접합하고 플랜지 볼트 간격은 5cm 이하로 유지하십시오.

전략 6: 질식 요소를 완화하라

공통 모드 초크와 Y 부품은 공진 탱크를 형성합니다. 필터 출력단에 10Ω/20W 후막 저항을 추가하여 감쇠시킵니다. 입력단의 X 부품과 직렬로 47Ω/10W 저항을 추가합니다. 링잉 필터는 일반 필터보다 더 많은 노이즈를 통과시킵니다.

전략 7: 스펙트럼 상에서 대역별로 검증

변경 후 각 밴드별로 측정값을 기록하십시오. 단계별 기록을 통해 어떤 수정 사항이 비용 대비 효과를 거두었는지, 어떤 수정 사항이 아무런 효과가 없었는지 확인할 수 있습니다. 또한, 이 기록은 EMC 연구소에 이미 확인된 파형을 제공하여 재시험 시간을 단축시켜 줍니다.

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. LINAC 변조기 EMI 필터용 HVC 커패시터

필터는 각 부품이 전체 대역에서 정전 용량성을 유지할 때만 삽입 손실을 일정하게 유지합니다. 이를 위해서는 낮은 ESL, 낮은 손실, 그리고 열과 전압 변화에도 안정적인 값이 필요합니다. HVC는 동관에 위치한 6,000m² 규모의 자사 공장에서 1kV에서 150kV에 이르는 다양한 전압 범위의 부품을 생산하며, 이 세 가지 조건을 모두 충족합니다.

여기서 중요한 6가지 매개변수

• ESL이 5 nH 미만입니다. HVCT-102/20kV 부품은 100MHz 이상에서 옴 미만의 임피던스를 유지하는 반면, 표준 SMD 부품은 유도성으로 인식되어 필터링 기능을 멈춥니다.
• 결함률(DF)이 0.1% 미만입니다. 낮은 손실로 자체 발열이 적어 캐비닛이 가열되더라도 부품이 홈에서 벗어나지 않습니다.
• 1반을 채우세요. N4700 본체는 1kV에서 30kV에 이르는 전체 전압 범위에서 일정한 값을 유지하므로, 노치는 사용자가 설정한 범위 내에 유지됩니다.
• 입구 쪽에 X2 필름 부품이 있습니다. 필름 콘덴서 해당 범위는 250Vac에서 1µF의 용량을 가지며 자가 복구 기능과 0.001 미만의 tan δ 값을 갖습니다.
• Y1 및 Y2 안전 부품. Y1-471 및 Y1-102는 8kV 피크 내전압을 견딜 수 있으며 UL, ENEC 및 CQC 인증을 획득하여 주전원과 접지를 연결합니다.
• 연동형 감쇠 부품. HVR-BSP 후막 저항기 10Ω/20W 및 47Ω/10W에서 초크 링을 감쇠시키고 HVRGHP 샘플링 저항기 현재 루프를 실행합니다.

배송 및 지원

표준 부품은 4~8주, 전체 필터 키트는 6~10주 내에 배송됩니다. 이는 수입 브랜드 제품의 일반적인 배송 기간인 20~30주보다 훨씬 단축된 수치입니다. 용량은 6kV~25kV에서 100pF~1µF까지 다양하며, 최소 주문 수량은 1개입니다.

스펙트럼 플롯, 변조율, 버스 전압 및 캐비닛 레이아웃을 보내주십시오. HVC는 5영업일 이내에 부품 번호가 포함된 필터 BOM, 150kHz~1GHz 범위의 ESR 및 임피던스 곡선, 그리고 15개 부품으로 구성된 테스트 키트를 제공합니다. 또한 해당 팀은 다음과 같은 작업도 수행합니다. 상호 참조 TDK B3292 및 Vishay HQCC 값과 견적에 대한 작업 손잡이 커패시터 격벽 관통 위치용입니다.

6. 자주 묻는 질문

Q1: 입구에서 필요한 삽입 손실량은 얼마입니까?

최악의 대역을 제한치보다 6dB 낮추고 제작 편차를 고려한 여유를 확보하기에 충분합니다. 억제되지 않은 변조기는 0.5MHz~5MHz 대역에서 74dBµV의 신호를 나타내는데, 제한치는 56dBµV이므로 해당 대역에는 24dB의 차감 효과가 필요합니다. 5mH 초크와 1mH 초크로 구성된 2단 필터는 30~40dB의 차감 효과를 제공합니다.

Q2: Y자형 부분은 어디로 연결해야 하나요? 양쪽 접지선은 어디에 연결해야 하나요?

네. 라인과 접지 사이, 그리고 중성선과 접지 사이의 AY 커패시터는 공통 모드 전류의 귀환 경로를 단축시켜 캐비닛 밖으로 나가지 않도록 합니다. 커패시터의 용량은 각각 1nF에서 4.7nF 사이로 유지해야 합니다. 용량이 클수록 입력단의 50Hz 누설 전류가 증가하기 때문입니다.

Q3: 초크를 추가한 후 필터에서 노이즈가 더 많이 통과하는 이유는 무엇입니까?

초크와 Y자형 부품이 공진 탱크를 형성하고, 감쇠가 없는 탱크는 자체 주파수에서 공진합니다. 이 공진을 감쇠시키기 위해 필터 출력단에 10Ω/20W 후막 저항기를 추가하십시오. 감쇠기를 추가하기 전에는 한 대의 장치가 이 공진으로 인해 8dB의 감쇠 여유를 잃었습니다.

Q4: 입력 대신 출력 고전압을 필터링할 수 있습니까?

두 방식 모두 개선이 필요하며, 각각 다른 문제를 해결합니다. 입력단 필터링은 전원선을 통해 나오는 150kHz~30MHz 대역을 처리합니다. DC 버스에 연결된 부품과 스위치에 설치된 스너버는 케이블을 통해 들어오는 20MHz~100MHz 대역을 처리합니다. 이 중 하나만으로는 다른 대역이 차단되지 않습니다.

Q5: 캐비닛 차폐 장치를 1GHz에서 계속 작동시키려면 어떻게 해야 하나요?

이음매 간격을 λ/20(1GHz에서 15mm) 이하로 유지하고, λ/10 미만의 셀을 가진 벌집형 벤트를 사용하십시오. 모든 케이블 입구를 360° 방향으로 접합하십시오. 300mm 길이의 단일 베어 이음매는 30MHz 전자기장을 거의 손실 없이 통과시킵니다.

Q6: 어떤 테스트를 통해 해당 장치가 합격했음을 증명합니까?

CISPR 11 Class B 전도 스윕은 150kHz에서 30MHz까지, 방사 스윕은 30MHz에서 1GHz까지 10m 거리에서 수행했습니다. 이후 IEC 60601-1-2 내성 설정에 따라 80MHz에서 2.7GHz까지 3V/m, ±2kV 버스트, ±1kV 서지 전압을 측정했습니다. 각 측정값에 6dB의 마진을 적용하여 기록했습니다.

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