أخبار التكنولوجيا

مولد الجراحة الكهربائية باستخدام الجاليوم. أخبار إلكترونيات الطاقة.


لإجراء الجراحة الكهربائية ، يلزم وجود عاكس تيار متردد عالي التردد (VHFI). تقترح هذه المقالة جهاز VHFI كامل الجسر للجراحة الكهربائية. تم تطوير إعداد تجريبي لتردد خرج يبلغ 390 كيلو هرتز استنادًا إلى جهاز ترانزستور عالي الحركة للإلكترون (GaN HEMT) بقوة 300 واط لاختبار قابلية VHFI.

يحقق VHFI المقترح تشوهًا توافقيًا كليًا (THD) أقل من 2.5٪ ووقت استجابة سريع في كل من وضع القطع المزيج والتخثر ، وبالتالي التحقق من صلاحية التصميم وتأكيد قدرته على دعم قيم الحمل المختلفة في العديد من الأوضاع السريرية.

الرجاء العثور هنا على المقالة الأصلية

متطلبات الجراحة الكهربائية

ينتج عن التيار عالي التردد الذي يمر عبر الأنسجة البشرية أثناء الجراحة الكهربائية التأثيرات العلاجية المطلوبة ، مثل القطع النقي والقطع المخلوط والتخثر [1]. لذلك ، تتطلب الجراحة الكهربائية أجهزة طاقة قادرة على العمل بترددات تحويل عالية مع فقدان تبديل منخفض ، مثل GaN HEMTs [2][3].

يظهر مولد الجراحة الكهربائية (ESG) في الشكل 1.

الشكل 1: رسم توضيحي لـ ESG

يرمز T و ES إلى المحولات عالية التردد والمشرط الكهربائي ، على التوالي. لإكمال مسار العودة الحالي ، يتم وضع الأنسجة البشرية بين المبضع الكهربائي والوسادة. يعمل ESG كمصدر طاقة تيار متردد عالي التردد أثناء الجراحة الكهربائية ويوزع الطاقة المحددة مسبقًا على الأنسجة البشرية من خلال مشرط كهربائي لتحقيق تأثير جراحي محتمل. قبل الجراحة ، كان الأطباء يحددون يدويًا كمية الطاقة المرسلة إلى أنسجة المريض ؛ يجب بعد ذلك تغيير هذه الكمية باستمرار بناءً على نوع الأنسجة المستخدمة والنتائج السريرية المتوقعة.

يتميز عاكس التردد العالي بتردد خرج عالي ، جهد خرج متغير للتيار المتردد ، وحمل متغير ، وبالتالي يتطلب تقنية التبديل الناعم أو مخططات تعديل مختلفة.

في حين أن الاستخدامات العلاجية المختلفة تتطلب مقادير مختلفة لجهد الخرج ، فإن تذبذب الحمل أثناء عملية الجراحة الكهربائية الروتينية ناتج عن عاملين. الأول هو تذبذب مقاومة الأنسجة البشرية ، والثاني هو تقوس البلازما العابرة الديناميكية. عندما يكون جهد الخرج عالياً بما يكفي بحيث يكون المجال الكهربائي حول المبضع الكهربائي أكبر من الهواء ، سيحدث قوس البلازما بالتسلسل مع الأنسجة البشرية. علاوة على ذلك ، تؤثر القطبية على كيفية تقوس البلازما [4].

في هذه المقالة ، سيتم اقتراح نموذج أولي GaN-HEMT يعتمد على 390 كيلو هرتز VHFI قادر على توفير الطاقة للأحمال المتغيرة مع حجم الإخراج القابل للتعديل. الناتج هو شكل موجة جيبية ، مما يؤدي إلى انخفاض انبعاث EMI ، مما يجعل النموذج الأولي المقترح مناسبًا جيدًا لتطبيق الجراحة الكهربائية.

توليد خرج HF

يشتمل حل VHFI المقترح ، الموضح في الشكل 2 ، على جسر كامل ، وفلتر عالي الجودة (صندوق أرجواني) ، والحمل. على الرغم من أن العزل الجلفاني هو مطلب إلزامي لعزل الأنسجة البشرية من التأريض غير المتوقع ومنع مسار التيار غير المرغوب فيه ، فلن يتم تغطية هذا الجانب في هذا التصميم.

طوبولوجيا VHFI المقترحة.
الشكل 2: طوبولوجيا VHFI المقترح

تظهر إشارات البوابة المستخدمة لتشغيل أجهزة GaN في الشكل 3. إخراج الجسر الكامل يساوي Vin (-Vin) عندما تكون الأجهزة القطرية Q1 (Q2) و Q4 (Q3) قيد التشغيل في نفس الوقت ، بينما سيكون الناتج صفرًا إذا تم تشغيل Q1 و Q3 أو Q2 و Q4 في نفس الوقت. يظهر الشكل الموجي الناتج المثالي للجسر الكامل ، Vs

صيغة لإخراج مثالي من جسر كامل.

حيث n هو ترتيب التوافقيات (توجد فقط مكونات تردد ذات ترتيب فردي للموجة المربعة) ، Vin هو جهد الإدخال ، وتردد تبديل fs ، على التوالي.

إشارات بوابة مثالية لجسر كامل وشكل موجة إخراج مثالي لمرشح الترتيب العالي.
الشكل 3: إشارات البوابة المثالية للجسر الكامل وشكل الموجة الناتج المثالي لمرشح الترتيب العالي

لاستخراج التردد الأساسي لـ Vs

هيكل مرشح الترتيب العالي.
الشكل 4: هيكل مرشح الترتيب العالي

يتكون المرشح عالي الرتبة من خزانين رنانين ، الخزان 1 والخزان 2 ، اللذين يتصرفان مثل مقسم الجهد حيث يتم الاحتفاظ بكمية كبيرة من التوافقيات عالية الترتيب بواسطة الخزان 1 ويصل جزء صغير فقط إلى الخزان 2. ونتيجة لذلك ، فإن التوافقيات عالية الترتيب هي مخففة مع الحفاظ على التردد الأساسي. سيتم تشكيل مدخل الموجة المربعة ، Vs

يعالج التصميم أحمالًا تتراوح من 60 إلى 310 ، مع قدرة خرج قصوى تبلغ 300 وات. يمكن تحسين عامل الجودة المختار ، 0.82 لـ 300 ، بين THD وفقدان المحرِّض في المستقبل. وظيفة النقل لمرشح الرتبة العالية هي كما يلي:

وظيفة النقل لمرشح الرتبة العالية.

أين Zدبابة 1(ق) و Zدبابة 2(ق) هي ممانعات الخزان 1 والخزان 2 ، على التوالي ، و R هي الحمل المقاوم الصافي. يوضح الشكل 5 مخطط Bode لوظيفة النقل بأحمال مختلفة. كسب المرشح هو 0 ديسيبل عند 390 كيلو هرتز وسيمر المرشح 390 كيلو هرتز ، بينما يخفف التوافقيات الثالثة والخامسة والسابعة وغيرها من الرتب الأعلى.

مؤامرة بود لمرشح الترتيب العالي بقيم تحميل مختلفة.
الشكل 5: مخطط بود لمرشح الترتيب العالي بقيم تحميل مختلفة

مولد الجراحة الكهربائية: النتائج التجريبية

إلى جانب المحاكاة التي تم إنشاؤها في Sabre ، والتي أكدت جدوى VHFI المقترحة ، تم تصميم وتنفيذ إعداد تجريبي يعتمد على 300 W GaN-HEMT (الشكل 6) يعمل عند 390 كيلو هرتز. يتم إنشاء إشارات PWM من معالج TMS320F28335 ، وأجهزة GaN هي GS66508B من نظام GAN بمعدل جهد 650 فولت. تم إدراج قائمة المواد في الجدول 1.

الإعداد التجريبي لمحول التيار المتردد VHFI المقترح.
الشكل 6: الإعداد التجريبي لعاكس التيار المتردد VHFI المقترح
جدول يوضح المعلمات التجريبية المستخدمة في النموذج الأولي.
الجدول الأول: المعلمات التجريبية المستخدمة في النموذج الأولي

يوضح الشكل 7 النتيجة التجريبية لوضع القطع الخالص عندما يكون الحمل 100 درجة متصلاً بـ VHFI. تبلغ طاقة الخرج حوالي 300 واط والكفاءة 87.10٪. يوضح تحليل FFT الذي يتم إجراؤه على جهد الخرج (الشكل 8) أن التردد الأساسي (390 كيلو هرتز) له مقدار 68 ديسيبل وأقصى حجم للتوافقيات الأخرى عالية الترتيب أقل من 23 ديسيبل.

وضع القطع النقي بجهد خرج مستمر وتيار عند توصيل حمولة 100.
الشكل 7: وضع القطع النقي بجهد خرج مستمر وتيار عند توصيل حمولة 100
FFT لجهد الخرج عند 100 Ω ، 300 وات.
الشكل 8: FFT لجهد الخرج عند 100 Ω ، 300 واط

عندما يعمل ESG في وضع التخثر ، يلزم وجود انفجار جيبي لتخثر الأنسجة البشرية. للقيام بذلك ، سيتم إعادة تشكيل الرشقة المفردة Vs

وضع التخثر الناتج الجهد الموجي.
الشكل 9: شكل موجة الجهد الناتج لوضع التخثر.
شكل موجة جهد الخرج المكبر لوضع التخثر.
الشكل 10: شكل موجة الجهد الناتج المكبر لوضع التخثر

من الواضح أنه عندما يتم تكوين رشقة ، يتم إنشاء خرج رشقة واحد على الفور ، وأنه إذا طُلبت فترة فارغة ، فإن حجم الخرج سينخفض ​​بسرعة إلى الصفر. هذا يحدد توافق VHFI المقترح مع وضع التخثر.

أظهرت التجارب المختلفة ، التي أجريت لتغيير الحمل يدويًا من 60 إلى 310 ، أن جهد الخرج يرتفع تدريجياً مع زيادة تغذية الطاقة للحمل. يصل جهد الخرج من الذروة إلى الذروة إلى 940 فولت عندما يتم تسليم 300 واط إلى 310 ، وهو مرتفع نسبيًا مقارنة بعاكس التردد العالي الخرج الآخر.

نظرًا للمحث الكبير المختار في التصميم ، تحافظ THD على أقل من 2.5٪ ضمن نطاق الأحمال بالكامل. سعر THD المنخفض هو كفاءة منخفضة حيث تكون أعلى كفاءة أقل من 87.5٪.

تظهر نتائج التجربة أن VHFI يمكن أن تدعم كلاً من الجهد العالي والأحمال المتغيرة في وضع القطع الخالص. يمكن أن يتعامل VHFI المقترح بشكل إضافي مع إخراج الاندفاع المطلوب لوضع التخثر والقطع المزج ، على التوالي ، بالإضافة إلى الإخراج المتكرر. يستجيب VHFI المقترح أيضًا بسرعة كبيرة ، حيث يستغرق دورتين فقط للوصول إلى حالة ثابتة في وضع قطع المزج ودورة واحدة للوصول إلى حجم الإخراج الصفري. يعد تعزيز الكفاءة أحد المجالات الرئيسية للدراسة المستقبلية لل VHFI المتوقع.

مراجع

[1] “دليل المستخدم قوة المولد الكهربائي للجراحة FXTM-C مع تقنية الاستجابة الفورية TM.” تم الوصول إليه: 24 نوفمبر 2020. [Online]. متاح: http://www.valleylab.com.

[2] A. Lidow ، M. de Rooij ، J. Strydom ، D. Reusch ، و J. Glaser ، GaN Transistors لتحويل الطاقة الفعال. شيشستر ، المملكة المتحدة: John Wiley & Sons ، Ltd ، 2019.

[3] NM Shrestha et al. ، “تصميم ومحاكاة الحاجز المزدوج المتوافق عالي الأداء الشبكي عادةً خارج AlInGaN / GaN HEMTs ،” IEEE J. Electron Devices Soc.، vol. 8، pp.873–878، 2020، doi: 10.1109 / JEDS.2020.3014252.

[4] S. Jensen و D. باور الكترون ، المجلد. 32 ، لا. 1 ، الصفحات من 634 إلى 641 ، يناير 2017 ، دوى: 10.1109 / TPEL.2016.2524642.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *