ALIMENTATORE ELETTRONICO DISPOSITIVO ELETTROMEDICALE

Team di Ricerca
Responsabile Scientifico_Prof. Gianluca Gatto
Assegnista di Ricerca_Alessandro Serpi
Assegnista di Ricerca_Ivan Luigi Spano
Ph.D. Student_Andrea Mocci
Borsista di Ricerca_Andrea Lai
Progetto finanziato da INNOVA.RE – POR FESR 2007-2013
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CUP F25C10001420008
STUDIO DI SISTEMI DI ALIMENTAZIONE DI DISPOSITIVI PER LA MEDICINA E PER LA SICUREZZA
RT1
C6
C1
L1
C13
C14
C3
C4
R1
R2
+12V
R3
C7
C18
C19
C20
C8
C15
C16
C17
C5
2
GNDS
1
F1
220V
C2
D3
D2
-12V
x
x
GATE
R7
R6
C25
R4
R5
GND
GNDS
GND
+12V
7805
L2
IN
C21
1
C9
2
OUT
GND
C11
1
C23
+12V
2
+5V
GNDS
C22
L3
C10
-12V
C24
C12
1
2
2
GND
IN
-12V
-5V
1
SCHEMATIC PROTOTIPO
OUT
7905
La necessità di sistemi di alimentazione elettronici in grado di soddisfare le specifiche richieste nel settore elettromedica le sta spingendo il comparto produttivo sia verso la
ridefinizione delle configurazioni classiche degli alimentatori elettronici impiegati in questo ambito sia verso l utilizzo delle più moderne tecnologie a semiconduttore. In aggiunta, le
caratteristiche dell ambiente di lavoro e l impiego in prossimità del paziente implicano che tali dispositivi debbano essere caratterizzati da elevata affidabilità e rob ustezza nei
confronti dei disturbi elettromagnetici ambientali, specie nelle applicazioni in cui l ampiezza dei segnali elettrici impiegati per la diagnostica risulta essere paragonabile al rumore
generato dal sistema di alimentazione.
Dato il campo di impiego, una delle specifiche più importanti da garantire è la separazione galvanica tra la rete e i circuiti elettrici connessi all apparecchiatura elettromedicale a
valle. Quasi nella totalità dei casi questa specifica è soddisfatta mediante l impiego di un accoppiamento trasformatorico, che talvolta è sfruttato per ottenere, a partire da un unico
ingresso, più uscite a livelli di tensione differenti, tipicamente necessarie per alimentare le sezioni analogiche e digitali dell apparecchiatura elettromedicale a valle.
Le tipologie di convertitori elettronici utilizzate in questo campo possono essere classificate, a seconda della tecnologia impiegata, in due famiglie: convertitori elettronici lineari e
switching. Considerata la frequenza di lavoro, la tecnologia switching consente di ridurre pesi e ingombri anche se, a differenza della tecnologia lineare, sono più marcate le
problematiche EMC (Electromagnetic Compatibility). Attualmente il comparto produttivo si sta concentrando quasi esclusivamente su questa tecnologia in quanto permette di
realizzare soluzioni semplici ed economicamente più vantaggiose. Inoltre, lo sviluppo tecnologico dei materiali a semiconduttore permette di impiegare switch, come quelli al
carburo di silicio (SiC), in grado di lavorare ad elevate frequenze di commutazione, ad elevata efficienza e temperatura, con conseguenti progressi sull efficienza e sull ingombro del
dispositivo. Tali premesse non possono che giustificare la necessità di uno studio approfondito delle tecnologie a disposizione, ed il conseguente sviluppo di alimentatori elettronici
in grado di conseguire il maggior numero di vantaggi.
In particolare, considerate le esigenze caratteristiche degli alimentatori per dispositivi elettromedicali discusse nella letteratura scienti fica(isolamento
galvanico, compattezza, necessità di configurazioni multi-uscite e/o multi-ingressi, semplicità costruttiva), la configurazione flyback è risultata quella che
più risponde alle specifiche e, pertanto, l alimentatore elettronico è stato sviluppato sulla base di questa struttura.
ALIMENTATORE
ELETTRONICO
D1
T1
FIG. 1. SCHEMA CIRCUITALE DEL CONVERTITORE.
DISPOSITIVO
ELETTROMEDICALE
FIG. 2. CIRCUITO STAMPATO DELLE BOARD TEST.
La topologia flyback rappresenta una configurazione semplice per via del ridotto numero di
elementi (uno switch e un diodo), garantisce l isolamento galvanico mediante accoppiamento
trasformatorico ad alta frequenza e consente di ottenere configurazioni multi-uscita e/o
multi-ingresso. Con l obiettivo ultimo di realizzare un alimentatore elettronico alimentato
dalla rete elettrica e capace di alimentare a sua volta un dispositivo elettromedicale, nello
specifico un cardio-impedenzimetro, con diversi livelli di tensione continua (± 12 V e ± 5 V)
come rappresentato in Fig. 1, lo studio è stato basato in primo luogo sullo sviluppo di
opportune testing board da impiegare per lo sviluppo della configurazione finale del
convertitore.
Nello specifico, il convertitore di potenza utilizzato nella board di test presenta, come front-end, un ponte di diodi non controllato con filtro capacitivo, mentre il secondo stadio di conversione è
composto da un convertitore DC-DC di tipo flyback caratterizzato da un singolo ingresso e da una singola uscita. Il primo stadio ha il compito di fornire una tensione non controllata quasi continua
agli stadi posti a valle, mentre il flyback deve garantire al carico una tensione controllata pari a 12V, indipendentemente dalla potenza richiesta ai morsetti di uscita e dalla tensione presente ai
morsetti di ingresso. Come riportato in Fig. 2 ed in Fig. 3, a valle di un accurato dimensionamento e scelta della componentistica, è stata realizzata la board di test con l obiettivo primario di
individuare la migliore combinazione di switch e diodo sulla base di due differenti tecnologie di semiconduttori: silicio (Si) e carburo di silicio (SiC). Di conseguenza, sono state esaminate, sia dal
punto di vista energetico sia dal punto di vista elettromagnetico, quattro differenti configurazioni: switch e diodo entrambi al Si, switch e diodo entrambi al SiC e le due configurazioni miste.
In particolare, dal punto di vista energetico, per ciascuna board è stata quantificata sperimentalmente la potenza dissipata dai dispositivi a semiconduttore e valutata l efficienza complessiva in
diverse condizioni di carico. La caratterizzazione elettromagnetica ha invece riguardato lo studio delle emissioni radiate (campo elettrico valutato alla quota di 60 cm dal prototipo, campo magnetico
prodotto dallo switch e dal diodo) e condotte, studio effettuato nel laboratorio EMC ubicato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell Università degli Studi di Cagliari. Tali
attività sperimentali hanno confermato le migliori prestazioni dal punto di vista energetico dei semiconduttori al carburo di silicio, come evidente in Fig. 5 e Fig. 6, e messo in luce l attitudine di
questa tecnologia ad essere meno impattante dal punto di vista EMI (Electromagnetic Interference) rispetto alla tecnologia classica al silicio, come riportato in Fig. 7. Inoltre, come raffigurato in Fig.
8, le attività sperimentali hanno messo in evidenza che la board equipaggiata da semiconduttori al carburo di silicio permette di ottenere la maggiore efficienza nelle diverse condizioni di carico in
cui sono state condotte le prove (2 W-40 W).
In seguito ai risultati dell analisi comparativa effettuata sulle board, la versione finale del convertitore è stata progettata utilizzando esclusivamente switch e diodi al carburo di silicio. Questa ultima
differisce soltanto dal punto di vista della circuiteria al secondario del trasformatore rispetto al prototipo impiegato come piattaforma di test per individuare la combinazione migliore tra i
componenti analizzati. In particolare, il secondario del trasformatore è caratterizzato da due avvolgimenti che permettono di ottenere in uscita due livelli di tensione simmetrici pari a ±12 V. A
partire da questi livelli di tensione, mediante l impiego di due regolatori lineari, sono derivati altri due livelli di tensione di uscita pari a ±5 V. Il prototipo finale del convertitore, mostrato in Fig. 4 , è
equipaggiato con uno switch e due diodi, sono inoltre presenti filtri del secondo ordine sulle uscite a ±12 V, un filtro EMI in ingresso, un sistema a resistore NTC (Negative Temperature Coefficient)
per la riduzione della corrente di inserzione e di un apposito fusibile per la protezione dai cortocircuiti.
Di conseguenza, sul convertitore realizzato sono state condotte delle prove sperimentali orientate a verificare sia le specifiche progettuali imposte sia i limiti normativi nel contesto EMC. Come
riportato in Fig. 9, nei test sperimentali sono state valutate le prestazioni dinamiche del convertitore e, inoltre, come riportato in Fig. 10 e in Fig. 11, è stata verificata la conformità della soluzione
sviluppata nei confronti dei valori limite imposti dalla norma CEI EN 61000-3-2 per le armoniche di corrente e nei confronti dei limiti di Average (AV) e Quasi Picco (QP) introdotti dalla norma CEI EN
55022 per i disturbi condotti.
2
E60 [dBV]
1
0.5
0
-0.5
-1
80
60
60
40
 [%]
1.5
ID [A]
100
80
40
20
-1.5
-2
0
-2.5
2.6
2.55
2.5
2.45
2.4
2.35
2.3
2.25
2.2
2.15
100
300
Frequency [MHz]
2.1
Time [ s]
FIG. 5. CORRENTE NEL DIODO: SIC (ROSSO) SI (BLU)
Si
SiC
500 700 900
sw: SiC d: Si
sw: SiC d: SiC
sw: Si d: SiC
sw: Si d: Si
20
0
0
5
10
15
20
Potenza [W]
25
30
FIG. 10. MISURA DELLE ARMONICHE DI CORRENTE
0
-0.1
Class B Limits
3
60
Level [dBV]
0.1
-12 [V]
+12 [V]
FIG. 11. RISULTATI DELLE EMISSIONI CONDOTTE
3.5
Amplitude [A]
0.2
+5 [V]
Iout[A]
2.5
2
1.5
1
40
20
AV
QP
-0.2
0.5
1
2
3
4
5
Time [s]
6
7
8
40
FIG. 6. POTENZA PERSA NELLO SWITCH: SIC (ROSSO) SI (NERO) FIG. 7. EMISSIONE RADIATA (CAMPO ELETTRICO) BOARD TEST FIG. 8. EFFICIENZA TOTALE DEI PROTOTIPI
FIG. 9. TEST SPERIMENTALI SUL PROTOTIPO FINALE
-0.3
0
35
0
0
9
x 10
-4
0
5
10
15
20
25
Harmonic Order
30
35
40
6
7
10
10
Frequency [Hz]
FIG. 3. BOARD TEST.
FIG. 4. PROTOTIPO
FINALE
(IN
ALTO) E SUO UTILIZZO CON
APPARECCHIATURA ELETTROMEDICALE (IN BASSO).