Szukaj Logowanie Kontakt
             Kontakt Blog Kalendarz

  ANSYS Elite Channel Partner ANSYS Polska ANSYS Logo cropped 164px

ANSYS Elite Channel Partner ansys logo czarne tlo SMALL ANSYS Logo cropped 164px
    ANSYS Elite Channel Partner

Spis Treści:

Generację szybkich impulsów wysokiego napięcia realizuje się przez stosunkowo powolną koncentrację energii  elektrycznej w zasobniku, którym może być kondensator lub cewka, i następnie szybkie rozładowanie zasobnika z przekazaniem energii do odbiornika [1].

Niezależnie od tego, czy zasobnikiem energii jest cewka, czy kondensator, oraz niezależnie od zastosowanego przełącznika otrzymany impuls ma kształt dwuwykładniczy lub tłumionej wykładniczo sinusoidy [2]. Aby zmienić kształt impulsu, wykorzystuje się różnego rodzaju układy, określane najczęściej skrótem PFN (pulse forming network). Jednym z bardziej popularnych rozwiązań PFN jest linia Blumleina, nazwana na cześć swego wynalazcy Alana Blumleina [3]. Poglądowy schemat takiego urządzenia oraz przebiegi napięcia ładowania i na odbiorniku przedstawiono na rysunku poniżej.

rys1Linia Blumleina to dwie identyczne linie transmisyjne, pomiędzy którymi umieszcza się odbiornik (obciążenie). Impedancja odbiornika powinna być dwukrotnie większa niż impedancja charakterystyczna linii transmisyjnej. Generacja impulsu polega na stosunkowo wolnym naładowaniu obu linii do określonego napięcia, a następnie szybkim zwarciu końca linii od strony zasilania. W efekcie zwarcia końca jednej linii wzdłuż układu przemieszcza się fala zanikającego napięcia, która po dotarciu do obciążenia w połowie odbija się od niego, a w połowie przechodzi do drugiej linii. Od momentu dotarcia fali do odbiornika pojawia się na nim napięcie równe napięciu zasilającemu. Napięcie to utrzymuje się aż do momentu, kiedy do odbiornika dotrą ponownie ,,połówkowe” fale zaniku napięcia odbite od obu końców linii: od zwartego w przeciwfazie, a od otwartego w fazie, i wzajemnie się zniosą [4]. Jak widać, linia Blumleina jest bardzo efektywnym sposobem dopasowania zasilania do odbiornika – pozwala przekazać na odbiornik całe napięcie źródła.


Generator impulsów składa się z układu impulsowego wysokiego napięcia [5] podłączonego do niewielkiej linii Blumleina.

rys2

W czasie gdy przewodzi tranzystor IGBT, oznaczony jako T, następuje ładowanie cewki pierwotnej L1. Prąd w obwodzie pierwotnym narasta liniowo, a jego maksymalna wartość jest określona przez napięcie zasilające, indukcyjność cewki pierwotnej i czas otwarcia tranzystora – Ton:

rownanie1

      

      (1)

 

 Po wyłączeniu tranzystora T energia zgromadzona w cewce L1 jest przekazywana do cewki L2, w której zaczyna płynąć prąd. Jego początkową (maksymalną) wartość określa zasada zachowania strumienia magnetycznego w rdzeniu transformatora L1L2:

rownanie2

      

       (2)

Wzór (2) nie uwzględnia strumienia rozproszenia, ale to uproszczenie na pewno nie wpływa na opis działania generatora. Pamiętając, że indukcyjność cewki jest proporcjonalna do kwadratu liczby jej zwojów, można wyrazić relację pomiędzy prądami w równaniu (2) jako pierwiastek z relacji pomiędzy L1 a L2. Ponieważ pojemność linii Blumleina jest znacznie mniejsza niż pojemność kondensatora C, można przyjąć, że:

rownanie3

      

       (3)

  Przyjmując jako warunek początkowy dla i2 wartość wynikającą z równań (1) i (2), po rozwiązaniu równania (3) i po prostych przekształceniach otrzymuje się zależność prądu ładującego kondensator C w postaci:

  rownanie4

      (4)

Po podstawieniu (4) do (3) i wykonaniu przekształcenia z wykorzystaniem (1), (2) oraz zależności pomiędzy liczbą zwojów cewki i jej indukcyjnością otrzymuje się równanie określające maksymalną wartość napięcia na kondensatorze:

rownanie5

    

  (5)

 

Maksymalna wartość napięcia zostanie osiągnięta w momencie, gdy prąd i2(t) opisany równaniem (4) osiągnie wartość 0. Dioda umieszczona we wtórnym obwodzie transformatora nie pozwoli na rozładowanie kondensatora. Jeśli iskiernik umieszczony na wejściu linii Blumleina zostanie ustawiony na napięcie bliskie wartości maksymalnej, to po osiągnięciu tej wartości zewrze on linię i rozpocznie się w niej opisany wcześniej proces propagacji. Całe urządzenie można zamodelować w symulatorze obwodów, takim jak SPICE, ale model obwodowy nie uwzględnia specyfiki rzeczywistej realizacji linii.


rys2Wymóg budowy kompaktowego urządzenia zainspirował do zaprojektowania linii Blumleina w postaci odpowiednio ukształtowanych ścieżek na trójwarstwowej płytce drukowanej (PCB). To pozwoliłoby uzyskać dość długą linię przy niewielkich wymiarach urządzenia. Należy pamiętać, że sygnał propaguje się w niej z prędkością równą prędkości światła podzielonej przez pierwiastek ze względnej przenikalności dielektrycznej substratu, a szerokość impulsu podawanego na obciążenie RL jest dwa razy większa niż czas przejścia impulsu przez linię. Aby to osiągnąć, można zaproponować linię Blumleina o konstrukcji przedstawionej na rysunku obok.

Linia Blumleina w technologii PCB składa się z trzech warstw: środkowa to wspólna dla obu lini

  rys3 sm
  rys4
rys5

i masa. Pod spodem znajduje się otwarta linia odpowiadająca linii po prawej stronie obciążenia na rysunku obok. Górna ścieżka to podłączony do generatora i iskiernika lewy koniec lewej linii.

Komputerowy model linii wykonano w programie ANSYS HFSS. Jako wymuszenia użyto wyników symulacji samego generatora w programie SPICE. Analiza czasowa pola elektromagnetycznego wykonana za pomocą programu HFSS pozwoliła na wyznaczenie rozkładu pola elektromagnetycznego oraz określenie wpływu parametrów konstrukcji linii (takich jak szerokość ścieżki, grubość substratu czy odstęp między sekcjami) na działanie linii. Najbardziej interesujące było zbadanie wpływu „wężowej” konstrukcji, skutkującej sprzężeniami elektrycznymi i magnetycznymi pomiędzy poszczególnymi sekcjami. Na rysunku przedstawiono otrzymany w wyniku symulacji rozkład pola elektrycznego (|E|) w pierwszej (lewej na rys. 2) linii, w wybranych chwilach czasowych.

Na podstawie wartości pola elektrycznego w poszczególnych chwilach czasowych wyznaczono rozkład napięcia na obciążeniu. W tym celu obliczano dla każdej chwili czasowej całkę liniową z natężenia pola elektrycznego wzdłuż odcinka łączącego końce górnej i dolnej linii. Wyznaczony w ten sposób przebieg czasowy napięcia na obciążeniu przedstawiono na ostatnim rysunku, gdzie zestawiono go z napięciem podanym na początek linii.

Na ostatnim rysunku widać wyraźnie quasi-prostokątny impuls wyjściowy z nałożonymi dodatkowymi impulsami wynikającymi ze sprzężeń pomiędzy poszczególnymi segmentami. Sprzężenia te można zauważyć także po wnikliwej analizie środkowego rysunku – zwłaszcza na rozkładzie pola dla t = 25 ns (obraz III) widać artefakty napięcia w skrajnych segmentach obu sekcji. Wydaje się, że jest to nieunikniony skutek pogięcia linii w celu zmniejszenia rozmiarów urządzenia.


rys6 smPrawdziwą weryfikacją rezultatów symulacji były badania prototypu generatora przedstawionego na rysunku obok. Całe urządzenie udało się zmieścić w obudowie o wymiarach 20 × 20 × 6 cm, włącznie z sześcioma litowo-jonowymi akumulatorami 18650 stanowiącymi zasilanie. Widać okienko pozwalające obserwować pracę iskiernika i 10 otworów na pojemniki z komórkami poddawanymi elektroporacji. Pojemniki umieszczono pomiędzy wbudowanymi w urządzenie elektrodami generującymi pole elektryczne.

Generator impulsów wysokiego napięcia oparto na tranzystorze IGBT International Rectifier IRG4PH50K o maksymalnym napięciu 1,2 kV. Cewki mają indukcyjność 1 μH i 1 mH, kondensator 500 pF. Rezystor ładujący linię ma wartość 150 Ω. Charakterystyczna impedancja linii transmisyjnych to 75 Ω, a opóźnienie jednej sekcji to 20 ns.

rys7Wyjściowe napięcie generatora (pojedynczy impuls) pokazano na rysunku z prawej. Widać duże podobieństwo do wyników symulacji w programie ANSYS, choć oczywiście wyjściowy impuls różni się nieco – jest to spowodowane uproszczeniami przyjętymi w modelu numerycznym.

Kolejnym etapem prac były symulacje pola elektrycznego wewnątrz kuwety umieszczonej w zewnętrznym polu elektrycznym. Wykazały one, że ze względu na specyfikę hodowli komórek poddawanych testom niezbędne jest doprowadzenie napięcia bezpośrednio do elektrod zanurzonych w płynie zawierającym komórki. To zmusiło autorów do przebudowy urządzenia, by dopasować konstrukcję linii do impedancji kuwety wypełnionej płynem.

Po przeprowadzeniu badań pozwalających ustalić zastępczą impedancję kuwety przy wymuszeniu nanosekundowymi impulsami okazało się, że optymalna impedancja charakterystyczna sekcji linii Blumleina powinna wynosić około 15 Ω. Realizacja takiej linii w technologii PCB wymagałaby zastosowania bardzo cienkiego substratu (impedancja charakterystyczna linii jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka z jednostkowej pojemności linii, która jest tym większa im cieńszy jest substrat), co mogłoby spowodować problemy z wytrzymałością napięciową linii. Łatwiejszym rozwiązaniem było wykorzystanie trzech linii 50-omowych połączonych równolegle, co pozwoliło na zastępczą impedancję na poziomie 16,6 Ω.

Na rysunku poniżej przedstawiono kuwetę elektroporacyjną, wyniki symulacji pola elektrycznego w otoczeniu uproszczonego modelu komórki oraz drugi generator impulsów, dopasowany impedancyjnie do kuwety.

rys8a rys8b rys8c sm 

rys9Na ostatnim rysunku widać serię impulsów poprawionego generatora. Charakteryzują się one dobrą powtarzalnością. Czas narastania (około 2,75 ns) w porównaniu z szerokością 30 ns pozwala uznać ich kształt za zadowalający. Eksperymenty prowadzone w Centrum Inżynierii Biomedycznej Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie potwierdziły, że parametry impulsów wystarczają do uzyskania efektu elektroporacji.

Z użyciem oprogramowania ANSYS-HFSS zaprojektowano w drodze symulacji komputerowych niewielką linię Blumleina o wymaganych parametrach. Szybko opracowano niewielki, tani generator o bardzo zadowalających osiągach: zasilany z akumulatorów o wypadkowym napięciu około 22 V pozwala on na uzyskanie quasi-prostokątnych impulsów wysokiego napięcia o amplitudzie 2 kV i szerokości 30 ns z powtarzalnością sięgającą 100 impulsów na sekundę. Generator podłączony do elektrod urządzenia do elektroporacji wytwarza impulsowe pole elektryczne wystarczające do uzyskania efektu elektroporacji błony komórkowej.

Prezentacja wyników na międzynarodowej konferencji IEEE „Pulsed Power and Plasma Science Conference” w czerwcu 2019 r. wzbudziła duże zainteresowanie. Okazało się, że dzięki dobremu dopasowaniu impedancji generatora do kuwety elektroporacyjnej do uzyskania efektów potrzeba niemal trzykrotnie niższego napięcia niż wartości stosowane w innych ośrodkach.
 
Dzięki wykorzystaniu symulacji komputerowych proces projektowania linii zajął niecałe dwa tygodnie.

 

Autorzy:

Yahia Achour, Wojskowa Akademia Technicza

Jacek Starzyński, Politechnika Warszawska

 

ANSYS Electronics

 

 

Kontakt

 

 


[1] J. Starzyński, Symulacje komputerowe w projektowaniu kompaktowych generatorów szybkich i silnych impulsów pola elektromagnetycznego. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2019.

[2] G. Mesyats, Pulsed Power. Springer US, 2005.

[3] A.D. Blumlein, British Patent Specification 394, 335, „Journal of the Audio Engineering Society”, 1958.

[4] A. Haddad, D.F. Warne, Advances in high voltage engineering. Institution of Electrical Engineers, 2004.

[5] Y. Achour, J. Starzyńki, A. Łasica, New embedded nanosecond pulse generator based on spark gap and IGBT, IEEE 21st International Conference on Pulsed Power (PPC), IEEE, 2017.

[6] Y. Achour, J. Starzyńki, A. Łasica, New Marx based generator using IGBTs for adjustable quasi-rectangular pulses, IEEE Pulsed Power and Plasma Science Conference, Orlando, 2019, http://www.ppps2019.org/assets/AbstractBook-20190524.pdf.

Powiadomienia

Chcesz wiedzieć gdy dodamy nowy artykuł? Wybierz kategorię, która Cię interesuje!

ANSYS WORKBENCH

Oprogramowanie

STREFA AKADEMICKA