PFA 系统电源解决方案设计

    脉冲电场或电穿孔是电外科和生命科学领域令人兴奋的发展，它使许多新的治疗成为可能。因此，这种技术的采用正在不断增长。脉冲场消融 (PFA) 的研究和开发特别令人感兴趣，因为超短脉冲可提高治疗效果，同时限度地减少热问题。
    然而，高效的系统设计人员必须能够准确地提供高压 (HV) 电能。随着研究人员不断完善方法，这些系统需要在不影响控制的情况下满足不同的参数。
    在本文中，Advanced Energy 着眼于该领域的发展和挑战以及它们对电力系统设计的意义。本文还将考虑此类系统的一些关键构建块。
    电穿孔是一种将 HV（电场，通常为每厘米数千伏）施加到细胞以增加细胞膜渗透性的技术。电穿孔有两种类型：可逆和不可逆。
      可逆电穿孔描述了非性孔的形成，其中施加不超过目标组织阈值的低强度电场。这使得化学物质、药物或 DNA 能够进入细胞。主要应用包括基因电转移和电化学疗法。
    不可逆电穿孔 (IRE) 是当电场超过目标组织阈值时产生性孔。这些性毛孔会导致细胞稳态破坏，终导致细胞死亡。IRE 的主要应用包括心脏消融和肿瘤消融。
    从技术角度来看，两种电穿孔类型之间的差异只是电场强度和施加电场的持续时间的函数。
    基于持续时间和电场强度的电穿孔的基本原理。

    图 1：基于持续时间和电场强度的电穿孔基本原理
    作为一种电穿孔技术，PFA 是一种非热能形式，已用于实体器官肿瘤消融一段时间。近，研究人员证明了其独特的安全性和消融功效，与其选择性靶向心肌细胞同时避免对结缔组织结构造成附带损害的能力有关。这推动了对不同脉冲序列的大量研究，以确定针对各种用例的有效方法。
    各种单极和双极波形可用于 PFA。

    图 2：各种单极和双极波形可用于 PFA。
    已建立的 PFA 方法适用 80 至 120 个单极脉冲，脉冲持续时间为 50 至 100 毫秒，电场超过 1,000 V/cm。虽然它可能有效，但这种典型的 IRE 方案可能会在手术过程中引起肌肉收缩，导致患者疼痛并导致电极针移位。
    近，出现了一种称为高频IRE（H-FIRE）的新型IRE技术。H-FIRE 使用一组双极脉冲突发，由持续时间为 0.5 至 10 毫秒的单个脉冲组成，分组为长 100 毫秒的突发。
    举一个具体的例子，有多项关于 IRE 治疗肝脏肿瘤的研究记录，早可以追溯到 2011 年。尽管 IRE 治疗的电参数之间存在高度的共性，但肿瘤的大小范围从 2 毫米到 100 毫米不等。施加的电压始终在1.5-3 kV/cm范围内，持续时间为70-100 ?s，使用板电极以0.3 Hz传递80个100 ms的脉冲，在肿瘤上施加2.5 kV/cm的电场强度，可以获得结果。
    电源设计人员面临的 PFA 挑战
    PFA 系统电源解决方案设计的主要挑战是需要可靠且可重复地传输高能高压脉冲。对于生命科学应用，通常只需要 2 至 300W 范围内的电源系统即可。对于 PFA 等外科应用，单个脉冲可达 20 kW，系统的平均功率在千瓦范围内。
    随着研究的继续，所需的波形不断变化，这可能会增加电源设计的挑战。早期IRE的单极脉冲已演变为双极脉冲，可以是对称的或不对称的。
    所需电压通常在 1 kV 至 3 kV 范围内，某些应用需要高达 5 kV 的电压和高达 65 A 的电流。脉冲宽度通常在 100 ns 至 100 ?s 范围内，突发模式频率高达 5 MHz。相关的脉冲转换速率既重要又具有挑战性。
    PFA 设计的主要挑战是提供的高压波形。

    图 3：PFA 设计的主要挑战是提供的高压波形。
    电源需要具有过流保护和电压/电流监控等功能，并符合相关的医疗安全标准和 EMI/EMC 法规。
    PFA 解决方案的架构
    通常，PFA 应用的电源解决方案由多个级组成，将交流电源输入转换为治疗所需的高压脉冲直流输出。显示了典型设计的框图，尽管这是一个简化视图，因为交流/直流前端通常有多个输出来为显示器和 HMI 等外围设备供电。
    使用模块化方法的典型 PFA 解决方案的框图。

    图 4：使用模块化方法的典型 PFA 解决方案的框图
    级是交流输入和功率因数校正(PFC)，以橙色显示。这解决了关键的合规性参数，包括初级-次级隔离、泄漏电流、EMI 滤波和 PFC。输入可以是任何交流电源电压（甚至直流电压），输出通常是约 380 V 的隔离直流电压。
    适用于前端 PFC 的一项技术是 Advanced Energy 的 Artesyn AIF04ZPFC 系列全砖 PFC 模块，该模块接受通用 85 至 264 VAC 输入并提供单位功率因数。这些模块还可以配置为接受 120 至 370 VDC 范围内的直流输入，额定功率为 1,600 W，具有 95% 的高转换效率，并提供 380 VDC 的标称非隔离输出电压。该模块采用行业标准的 2.4 × 4.6 英寸全砖外形尺寸，高度仅为 0.5 英寸，功率密度为 290 W/in。3 . 提供使能功能，并且 AIF04ZPFC 模块可以并行运行，适用于需要更大功率水平的系统。提供电源故障警告信号以及用于控制 DC/DC 转换器等下游设备的使能输出。
    下是 DC/DC 转换器，它从 PFC 级的约 380V 输出产生严格调节的电压。该模块（以蓝色显示）还增加了进一步的隔离和控制，同时减少了输出纹波和噪声。输出的完整规格很大程度上取决于后续高压级的要求。
    （以绿色显示）是连接到患者的高压脉冲直流输出。这通常是分立的板载解决方案，例如 Advanced Energy 的 UltraVolt 高功率 1/8C 至 6C 系列。这些稳压 DC/DC 转换器专为需要快速上升时间和受控电压过冲的高压电容器充电应用而设计。高功率 C 系列器件采用 24V 输入运行，由蓝色 DC/DC 转换器级的输出驱动。
    有多种器件可供选择，所有器件均具有 125 至 6 kV 的单极输出，功率级别为 60 W、125 W 或 250 W。高精度输出的纹波值 <1.0%，温度系数为 50 ppm/°C。
    提供一系列工厂配置的选项，包括用于控制和监控的 5V 或 10V 操作选择，并且接头可以用 D-sub 连接器替换。还提供工厂安装的散热器和用于 PCB 安装的螺纹支架。
    通过添加光纤布拉格光栅分析仪 (FBGA) 可以进一步增强系统控制和反馈，以实现的温度监控。的 FBGA 没有移动部件，并采用高效光学设计，可提供出色的波长重复性、分辨率、长期稳定性、超低功耗、亚毫秒级响应时间和寿命校准。
    灵活的解决方案
    PFA 系统有如此多的潜在配置，灵活性是确保满足终应用需求的关键。可配置的交流/直流电源是理想的选择，因为它们提供所需的医疗隔离和漏电流，并且可以合并多个输出模块来为外设和高压电源模块供电。这在实验阶段尤其有用，因为只需使用螺丝刀即可更改配置。
    一家大型医疗器械公司就是一个很好的例子，该公司近与 Advanced Energy 合作提供了一种新颖的 PFA 解决方案，该解决方案使用非热能源和专有的高压电场来克服传统基于温度的消融模式的挑战。该解决方案需要高压 DC/DC 电源为电容器充电，严格调节的输出电压高达 2,000 V。虽然 UltraVolt 高功率 C 系列模块可以轻松满足技术要求，但原型设计表明需要一个可以用螺钉固定的控制连接器和设备的内置冷却装置。为了满足这些要求，模块中添加了 DB15 D-sub 连接器和翅片散热器选件，并交付了新样品并迅速获得批准。
    此外，客户还需要一个低功耗、可调电压DC/DC 转换器。在这种情况下，Advanced Energy 工程师推荐了标准的 UltraVolt AA 系列 1/16AA24-P20 (62V/20W) 解决方案，以提供良好调节、可调节的 0 至 62V 电源，具有低纹波和良好的稳定性。