Partie avant du transformateur de courant de sécurité : condensateurs de filtrage LC haute tension

Partie avant du transformateur de courant de sécurité : condensateurs de filtrage LC haute tension

Abstract

Les détecteurs de tomographie de sécurité fonctionnent à des niveaux de signal très faibles, et l'alimentation haute tension du tube génère également un bruit à large bande. Ce bruit atteint le détecteur par conduction, rayonnement et couplage, augmente le niveau de bruit de fond et induit une erreur de reconnaissance automatique. Cet article présente la fonction de transfert du filtre LC, la perte d'insertion cible, la règle d'auto-résonance et six stratégies de filtrage.

1. Introduction

Un scanner de sécurité CT doit détecter les menaces à grande vitesse parmi des bagages denses et hétérogènes. Le détecteur fonctionne donc à des niveaux de signal très faibles, et les opérateurs exigent une image nette dès le premier passage. Chaque millivolt de bruit supplémentaire réduit la résolution et le contraste.

La même alimentation haute tension qui alimente le tube génère également du bruit à large bande. Dispositifs de commutation, diodes redresseusesLes transformateurs d'impulsions produisent des fronts rapides, et le bruit s'étend de quelques dizaines de kilohertz à plusieurs centaines de mégahertz. Il atteint le détecteur par conduction le long des câbles, par rayonnement à travers l'armoire et par couplage en champ proche avec le trajet du signal.

Le filtrage côté haute tension est le premier niveau de protection contre le bruit, car il intervient avant sa propagation dans la machine. Le condensateur de ce filtre détermine l'impédance à chaque fréquence. Son ESR, son ESL et sa stabilité en tension contrôlent donc l'atténuation maximale du filtre.

Cet article traite des chemins de couplage, de la fonction de transfert LC et de la perte d'insertion, de trois risques d'interférence, de six stratégies de filtrage et des valeurs des condensateurs pour un filtre côté haute tension dans un scanner CT de sécurité.

2. Mécanisme de base

2.1 Sources de bruit dans un scanner CT de sécurité

Les commutateurs, diodes de redressement et transformateurs d'impulsions de l'alimentation haute tension génèrent des variations importantes de tension (dv/dt et di/dt) à chaque commutation. Le spectre de bruit résultant contient la fréquence fondamentale de commutation ainsi que de nombreuses harmoniques d'ordre élevé. Il s'étend de quelques dizaines de kilohertz à plusieurs centaines de mégahertz et perturbe le détecteur sur toute cette bande de fréquences.

Le bruit conduit se propage le long du câble haute tension et du retour de terre. Le bruit rayonné quitte l'armoire par les joints et les presse-étoupes. Le couplage en champ proche atteint la carte de détection par de petites boucles dans le circuit imprimé. Chaque trajet nécessite un traitement spécifique.

2.2 Transfert passe-bas LC et coupure

Un réseau LC passe-bas côté haute tension supprime le bruit conduit. La fonction de transfert d'un étage est :

H(s) = 1 / (1 + s² · L · C)

où H(s) est la fonction de transfert, s la variable de fréquence complexe, L l'inductance du filtre et C sa capacité. Le réseau laisse passer la haute tension continue et atténue le bruit au-dessus de sa fréquence de coupure.

Le coin se situe à la fréquence de coupure :

f_c = 1 / (2π · √(L · C))

où f_c est la fréquence de coupure, L l'inductance et C la capacité. Les signaux inférieurs à f_c sont transmis quasiment inchangés, tandis que les signaux supérieurs à f_c s'atténuent de 40 dB par décade pour un étage. Pour un scanner de sécurité CT, réglez f_c à une valeur inférieure à un dixième de la fréquence de commutation : à 100 kHz, maintenez f_c en dessous de 10 kHz, ce qui nécessite une capacité C1 d'au moins 2.5 µF pour compenser ces inductances.

2.3 Perte d'insertion et cible d'atténuation

L'affaiblissement d'insertion mesure l'atténuation d'un signal par un filtre à une fréquence donnée. Il compare la tension de sortie avec et sans filtre.

IL(dB) = 20 · log10(V_in / V_out)

où IL représente l'affaiblissement d'insertion en décibels, V_in la tension sans filtre et V_out la tension avec filtre. Les filtres CT de sécurité nécessitent généralement un affaiblissement de 40 à 80 dB dans la bande de suppression, et un réseau à deux étages atteint plus de 60 dB.

Les pertes d'insertion diminuent rapidement lorsque le condensateur devient inductif ou résistif. Une ESR élevée limite l'atténuation minimale, et une ESL élevée réduit la bande passante utile. C'est pourquoi le choix du condensateur, et non la valeur de la bobine, détermine les performances maximales du filtre.

2.4 Auto-résonance du condensateur de filtrage

Un condensateur réel se comporte comme un circuit LC série ; il devient donc inductif au-delà de sa fréquence de résonance propre. L’atténuation s’annule alors.

f_sr = 1 / (2π · √(ESL · C))

où f_sr est la fréquence de résonance propre, ESL l'inductance série équivalente et C la capacité. Un composant de 1 nF avec une inductance série équivalente de 5 nH résonne aux alentours de 71 MHz. Il est important de maintenir f_sr au-dessus du haut de la bande de suppression, sinon le condensateur cesse de filtrer précisément là où le bruit est le plus fort.

Fig. 1 — Un étage s'atténue de 40 dB par décade et deux étages de 80 dB, mais le condensateur de sortie cesse de filtrer au-dessus de sa propre résonance de 71 MHz.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point sensible n° 1 : Un plancher acoustique surélevé coûte cher en résolution

Le bruit de commutation haute tension qui atteint l'étage d'entrée du détecteur s'ajoute au signal utile. Le niveau de fond augmente de plusieurs millivolts à plusieurs dizaines de millivolts, ce qui, pour un détecteur haute sensibilité, correspond à une perte de plusieurs dizaines, voire centaines, de résolution. Les objets fins se fondent alors dans le bruit.

L'effet sur la détection est mesurable. Les données d'essai montrent une baisse de 2 à 5 % de la probabilité de détection des tôles d'acier d'une épaisseur inférieure à 1 mm pour chaque millivolt d'augmentation du bruit de fond. Cette valeur est faible en laboratoire et importante à un point de contrôle à fort trafic.

Point faible n° 2 : Erreurs de reconnaissance automatique

Les systèmes de surveillance et de tomographie modernes utilisent des modèles d'apprentissage profond pour la détection des menaces. Ces modèles sont entraînés sur des images peu bruitées, et leur précision diminue lorsque le bruit ambiant diffère des données d'entraînement. Il en résulte des faux positifs (un objet ordinaire est signalé) et des faux négatifs (une menace réelle n'est pas détectée).

Chaque erreur a un coût. Un faux positif entraîne une vérification manuelle et ralentit la circulation, tandis qu'un faux négatif constitue une faille de sécurité. Le contrôle du bruit côté véhicule haute tension (VHT) permet à l'algorithme de fonctionner sans nécessiter de réentraînement du modèle.

Point faible n° 3 : Défauts de mise à la terre et de blindage

Un retour de masse trop long sur le condensateur de filtrage, ou un retour partagé avec la masse du signal, induit un bruit de boucle de masse dans le détecteur. Un blindage mis à la masse à ses deux extrémités forme une boucle et conduit un courant de circulation. Un blindage non relié à la masse rayonne au lieu de protéger.

Les systèmes de détection multicanaux rendent la localisation des défauts plus difficile. Le bruit de boucle de masse se couple entre les canaux et crée un décalage systématique qui ressemble à une erreur d'étalonnage. Un routage soigné d'un seul chemin de masse élimine ces deux symptômes.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Utiliser un réseau de filtrage à deux étages côté haute tension

Construisez un circuit en π ou en T à l'aide de deux condensateurs et d'une inductance. Le condensateur en tête filtre les ondulations basse fréquence, tandis que celui en queue absorbe les bruits haute fréquence. Une configuration typique comprend : C1 = 1–10 nF, L = 10–100 µH et C2 = 100 pF–1 nF.

Deux étages atteignent une perte d'insertion supérieure à 60 dB. Placez l'étage haute fréquence au plus près de la source de bruit, dans les limites de la configuration, afin que le câble ne rayonne pas avant que le filtre n'agisse.

Stratégie 2 : Sélectionner des condensateurs céramiques haute tension à faible ESL et faible facteur de dissipation

N4700 Les condensateurs céramiques haute tension utilisent un boîtier à faible inductance avec une inductance de l'ordre du nanohenry. Cela permet de maintenir une faible impédance sur une large bande et d'élever la fréquence de résonance propre au-dessus du niveau de bruit.

Maintenez le facteur de dissipation effectif en dessous de 0.15 %. Un faible facteur de dissipation empêche le filtre de chauffer, et un condensateur froid conserve sa capacité et sa fréquence de coupure lors d'un fonctionnement prolongé.

Stratégie 3 : Contrôler les trajectoires aller et retour

Raccordez le condensateur de filtrage haute tension au châssis via le plan de masse le plus court et le plus large possible. Évitez les pistes étroites partagées avec la masse du signal, car un retour commun ramène le courant de commutation vers le circuit du détecteur.

Utilisez une masse en étoile ou divisée lorsque la configuration le permet, et maintenez l'impédance de masse dans la gamme des milliohms. Une faible impédance de masse permet au filtre d'absorber les bruits haute fréquence.

Stratégie 4 : Ajouter un blindage et une isolation

Installez une cloison métallique entre l'alimentation haute tension et le détecteur, et faites passer le câblage haute tension dans un câble blindé. Reliez chaque couche de blindage à la terre en un seul point afin d'empêcher tout courant de circulation.

Pour une partie avant très sensible, une cage de Faraday autour de la carte du détecteur réduit davantage le couplage rayonné. Il est essentiel de sceller les presse-étoupes et les joints du boîtier, car même une fente étroite laisse passer l'énergie haute fréquence.

Stratégie 5 : Ralentir le front de commutation avec un snubber

Installez un amortisseur RCD sur chaque interrupteur haute tension, construit à partir de HVR-BSP résistances de gradation et des condensateurs N4700. Le circuit d'amortissement réduit le dv/dt à la source, ce qui diminue la quantité de bruit entrant dans le filtre.

Une réduction modérée de la vitesse de commutation engendre de faibles pertes et élimine une grande partie du bruit conduit et rayonné. Ce compromis est judicieux à l'étage haute tension, où l'ensemble de l'armoire est couplé au détecteur.

Stratégie 6 : Effectuer les tests de CEM de pré-conformité au plus tôt

Lors de la phase de développement, effectuez des pré-tests d'émissions conduites et rayonnées afin d'identifier les fréquences dépassant la limite. Ajustez les valeurs du filtre en fonction de ces fréquences, puis répétez le test.

Avant la production en série, effectuez un test CEM formel conforme à la norme CISPR 11 ou à une norme équivalente. Consignez les problèmes et leurs solutions pour chaque anomalie, afin que la conception suivante soit basée sur des données mesurées.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s.
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms.
ESR à 1 MHz	moins de 50 mΩ	Référence à 25 °C.
Inductance de boucle (accord E40)	en dessous de 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm.
La resistance d'isolement	supérieure à 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR.
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2.
Capacité dv/dt d'impulsion	au-dessus de 50 kV/µs	à la tension nominale.

5. Condensateurs HVC pour filtres EMI côté haute tension

Un condensateur de filtrage doit présenter une faible inductance, de faibles pertes et une valeur stable à la tension de service. HVC fabrique des composants N4700 répondant à ces trois exigences dans son usine de 6 000 m² située à Dongguan, avec des tensions nominales allant de 1 kV à 150 kV.

HVC fournit également diodes haute tension à récupération rapide Pour l'étage redresseur, le circuit d'amortissement, le réseau de filtrage et le redresseur proviennent d'un seul fournisseur.

Six paramètres importants ici

• Faible ESL. Le boîtier et la disposition des conducteurs permettent de réduire l'ESL à quelques nanohenrys, ce qui maintient l'impédance du condensateur basse jusqu'à des centaines de mégahertz.
• DF_eff inférieur à 0.15 %. Les faibles pertes empêchent le filtre de chauffer, de sorte que la capacité et la fréquence de coupure restent stables pendant un long quart de travail.
• Coefficient de tension constant. Le diélectrique de classe I du N4700 conserve sa capacité sur toute la plage de tension de fonctionnement, de sorte que la tension de coupure ne varie pas en fonction du réglage en kV.
• PD à 5 pC ou moins. Un faible seuil de décharge partielle empêche le condensateur de filtrage lui-même de devenir une source de bruit à haute tension.
• Échantillonnage et classement des résistances. résistances d'échantillonnage HVRGHP recouvrent le séparateur de retour d'information, et la même famille recouvre les positions de purge et de décharge.
• Référence croisée avec les marques de premier plan. Les pièces HVC correspondent aux valeurs électriques de Vishay HVCC, KEMET à câbles radiaux, Murata DHS/DHR et TDK UHV/FHV, ce qui raccourcit une mise à niveau EMC.

Livraison et support

Pièces standard et bornes à vis condensateurs poignée de porte Livraison sous 4 à 8 semaines et kits de filtres à faible ESL compatibles sous 6 à 10 semaines. L'ingénierie des applications HVC prend en charge l'analyse de la topologie des filtres, la définition des objectifs de fréquence de coupure et de perte d'insertion, ainsi que la sélection des circuits d'amortissement.

Indiquez la fréquence de commutation, la tension du bus haute tension, la bande de bruit à supprimer et l'espace disponible sur la carte. HVC vous fournira sous cinq jours ouvrés une fiche technique de condensateurs avec leurs références, les données d'ESL et d'ESR sur toute la bande, ainsi qu'un kit d'évaluation composé de deux échantillons.

6. Questions fréquentes

Q1 : Comment régler la fréquence de coupure d'un filtre EMI côté haute tension ?

Utilisez f_c = 1 / (2π · √(L · C)) et placez la fréquence de coupure en dessous d'un dixième de la fréquence de commutation. À une fréquence de commutation de 100 kHz, maintenez f_c en dessous de 10 kHz. Un étage présente alors une atténuation de 40 dB par décade, et deux étages doublent cette pente à 80 dB par décade au-dessus de la fréquence de coupure.

Q2 : Quelle perte d'insertion un détecteur CT de sécurité nécessite-t-il ?

Visez une atténuation de 40 à 80 dB dans la bande de suppression. Un seul étage atteint rarement la partie supérieure de cette plage ; utilisez donc deux étages et vérifiez l’atténuation mesurée plutôt que la valeur calculée. Les pertes d’insertion dépendent également de l’impédance de la source et de la charge ; un test en laboratoire avec le câblage réel constitue donc la méthode de vérification la plus fiable.

Q3 : Pourquoi l'ESL du condensateur limite-t-il l'atténuation des hautes fréquences ?

Au-delà de sa fréquence de résonance propre, le condensateur se comporte comme une inductance et son impédance augmente avec la fréquence. Un composant de 1 nF avec une inductance de 5 nH résonne aux alentours de 71 MHz et cesse de filtrer au-delà de cette fréquence. Choisissez un boîtier à faible inductance et limitez la longueur des broches afin que la fréquence de résonance (f_sr) reste au-dessus de la bande de bruit.

Q4 : Quel niveau de bruit un étage d'entrée de détecteur peut-il tolérer ?

Le niveau de bruit doit être suffisamment bas pour rester dans l'ordre des millivolts. Une augmentation de 1 mV du niveau de bruit réduit la probabilité de détection de l'acier de moins de 1 mm d'épaisseur de 2 à 5 %. Maintenez le niveau de bruit à la valeur utilisée dans les données d'apprentissage et vérifiez-le à la tension (kV) et au courant du tube les plus élevés.

Q5 : Où le condensateur de filtrage doit-il être connecté à la masse ?

Le retour vers le châssis doit emprunter le chemin le plus court et le plus large à faible impédance. Ce retour ne doit pas être utilisé conjointement avec la masse du signal, et l'impédance de masse doit être maintenue à quelques milliohms. Un retour long ou partagé transforme le chemin de masse en antenne et réinjecte le courant de commutation dans le câblage du détecteur.

Q6 : Un circuit d'amortissement peut-il remplacer le filtre de sortie ?

Non. Un circuit d'amortissement réduit le dv/dt au niveau du commutateur et diminue le bruit généré, tandis que le filtre élimine le bruit circulant sur le trajet haute tension. Les deux sont nécessaires. Le circuit d'amortissement seul laisse subsister les harmoniques de commutation sur le câble, et le filtre seul doit absorber un spectre plus large que celui qu'il peut atténuer.

7. Références

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Appareils électromédicaux — Partie 1 : Exigences générales de sécurité de base et de performances essentiellesGenève : CEI, 2012.
2. CEI 60601-2-54, Appareils électromédicaux — Partie 2-54 : Exigences particulières relatives à la sécurité de base et aux performances essentielles des appareils à rayons X pour la radiographie et la radioscopieGenève : CEI, 2018.
3. CEI 60384-8, Condensateurs fixes pour équipements électroniques — Partie 8 : Condensateurs fixes à diélectrique céramique, classe 1Genève : CEI, 2015.
4. CEI 60270, Techniques d'essai haute tension — Mesures des décharges partiellesGenève : CEI, 2015.
5. Erickson, RW, et Maksimović, D., Principes fondamentaux de l'électronique de puissance, 3e éd. Cham : Springer, 2020.
6. Mohan, N., Undeland, TM et Robbins, WP, Électronique de puissance : convertisseurs, applications et conception, 3e éd. Hoboken, NJ : Wiley, 2003.
7. FD Kieferndorf, M. Forster et TA Lipo, Réduction du courant d'ondulation du condensateur du bus CC avec convertisseur PAM/PWM, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 40, n° 2, p. 607-614, 2004. https://doi.org/10.1109/tia.2004.824495
8. Observations sur la saison Arc et la conception du tableau de bord (note technique sur l'arc haute tension, les résidus de flux et la disposition), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
9. Zinke, O., et Seither, H., Widerstände, Kondensatoren, Spulen et ihre Werkstoffe, 2. Aufl. Berlin : Springer, 1982.
10. CEI 61326-1:2020, Équipements électriques de mesure, de contrôle et de laboratoire – Exigences CEM – Partie 1 : Exigences générales, Éd. 3.0. Genève : Commission électrotechnique internationale, 2020.
11. CEI 61000-4-4:2012, Compatibilité électromagnétique (CEM) – Partie 4-4 : Techniques d’essai et de mesure – Essai d’immunité aux transitoires électriques rapides/en salves, Éd. 3.0. Genève : Commission électrotechnique internationale, 2012.
12. Équipe d'ingénierie des applications HVC, Condensateur céramique haute tension Ressources techniques, https://www.hv-caps.com