Verwendung von GaN-Komponenten zur Verkleinerung externer AC/DC-Netzteile für medizinische Geräte

Trotz der Fortschritte in der Batterietechnologie und bei stromsparenden Schaltkreisen sind medizinische Systeme eine von vielen Anwendungen, bei denen völlig ungebundene, nur auf Batterien basierende Designs nicht machbar, praktisch oder akzeptabel sind. Stattdessen müssen Geräte häufig direkt an einer Netzsteckdose betrieben werden oder zumindest die Option bieten, bei schwachen Batterien auf eine Steckdose zurückzugreifen.

Neben den grundlegenden Leistungsspezifikationen für AC/DC-Stromversorgungen müssen Netzteile für medizinische Geräte auch weniger offensichtliche Leistungsaspekte wie galvanische Trennung, Nennspannung, Ableitstrom und Schutzmittel (means of protection, MOP) einhalten. Diese Standards sollen sicherstellen, dass das mit Strom betriebene Gerät bedienende und behandelte Personen auch bei Versorgungs- oder Lastausfällen nicht gefährdet. Gleichzeitig gilt für die Entwicklung von Netzteilen für medizinische Geräte, dass die Energieeffizienz weiter verbessert und Größe und Gewicht reduziert werden müssen.

In diesem Artikel werden die Verwendung von externen AC/DC-Netzteilen für medizinische Instrumente erörtert und die damit verbundenen gesetzlichen Normen überprüft. Anschließend werden Produkte von XP Power vorgestellt, mit denen sich diese Standards erfüllen lassen und die gleichzeitig die Vorteile von Galliumnitrid-(GaN)-Komponenten nutzen, um die physische Größe des Netzteils um fast die Hälfte zu reduzieren.

Grundlegende konstruktive Anforderungen an Netzteile

Die Auswahl eines AC/DC-Netzteils beginnt mit den herkömmlichen Leistungsmetriken für die Spannungsversorgung. Das Netzteil muss die DC-Nennspannung liefern und in der Lage sein, den Nennstrom bei dieser Spannung für die zu versorgende Last bereitzustellen. Ein Netzteil mit Universaleingang unterstützt einen breiten Bereich von AC-Eingangsspannungen (in der Regel 85 Volt AC (VAC) bis 264 VAC) bei Frequenzen von 47 bis 63 Hertz (Hz).

Diese Nennwerte für Ein- und Ausgangsspannung sowie Strom sind entscheidend, reichen aber nicht aus, um ein Netzteil vollständig zu definieren. Weitere Überlegungen sind u. a.:

• Dynamische Leistungsattribute wie Startverzögerung, Startanstiegszeit, Überbrückungszeit, Netz- und Lastregelung, Einschwingverhalten, Welligkeit und Rauschen sowie Überschwingen
• Schutz vor Überlast, Kurzschluss und Übertemperatur
• Effizienzvorgaben, die von der maximalen Nennleistung des Netzteils abhängen und an Punkten der Lastkurve wie Volllast, Niedriglast und Leerlauf bestimmte Werte erreichen müssen
• Ein Leistungsfaktor (power factor, PF) von annähernd Eins, wobei die spezifische PF-Zahl vom Leistungspegel und der regulierenden Norm abhängt
• Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), die die maximale elektromagnetische Störung (electromagnetic interference, EMI)/Hochfrequenzstörung (radio-frequency interference RFI) des Netzteils sowie seine Anfälligkeit für elektrostatische Entladungen (electrostatic discharge, ESD), abgestrahlte Energie, Burst-Energie, Netzüberlast und Magnetfelder beschreibt
• Sicherheit, die grundlegende Anforderungen zum Schutz von Personen und Geräten, einschließlich der Isolationsspannung zwischen Ein- und Ausgang, Eingang und Erde sowie Ausgang und Erde

Anforderungen an Netzteile für medizinische Geräte

Zusätzliche Normen und behördliche Auflagen erschweren die Bewertung eines Netzteils für medizinische Anwendungen weiter. Diese beziehen sich in erster Linie auf die Sicherheit von behandelten und bedienenden Personen, da sie sicherstellen, dass das Netzteil im Falle eines einfachen oder sogar doppelten Fehlers niemanden gefährdet.

Ein Großteil der Bedenken bezieht sich auf Streu- oder Leckströme. Eine Standard-Netzspannung (110/230 Volt; 50 oder 60 Hz) über den Brustkorb kann schon bei minimalen Strömen von 30 Milliampere (mA) und einer Einwirkung für einen Bruchteil einer Sekunde ein Kammerflimmern auslösen. Wenn der Strom einen direkten Pfad zum Herzen hat, z. B. über einen Herzkatheter oder eine andere Elektrode, kann ein viel geringerer Strom von weniger als 1 mA (AC oder DC) ein Flimmern verursachen.

Hierbei handelt es sich um einige Standardgrenzwerte, die häufig für die Einwirkung von Strom auf den Körper über den Oberflächenkontakt mit der Haut genannt werden; die Gefahrengrenzwerte bei innerem Kontakt sind jedoch viel niedriger:

• 1 mA: kaum wahrnehmbar
• 16 mA: maximaler Strom, dem eine Person mittlerer Größe verkraften kann
• 20 mA: Lähmung der Atemmuskulatur
• 100 mA: Grenzwert für Herzkammerflimmern
• 2 A: Herzstillstand und Schädigung innerer Organe

Die Gefährdungsstufen sind eine Funktion des Stromflusses durch zwei Kontaktpunkte mit dem Körper, z. B. über oder durch den Brustkorb oder von einem Arm hinunter zu den Füßen. Aus diesem Grund ist die Minimierung der Leckströme, die durch die dielektrische Isolierung eines AC-Trenntransformators fließen, von entscheidender Bedeutung.

Es mag den Anschein haben, dass der Leckstrom mit einer angemessenen Isolierung vernachlässigbar wäre. Bei diesem Leckstrom kann es sich zwar um einen Strom handeln, der aufgrund der nicht perfekten Isolierung physisch „durchsickert“, er kann aber auch aus kapazitiv gekoppelten Strömen resultieren, die selbst eine außergewöhnliche Isolierung überwinden können.

Ein vereinfachtes Modell eines idealen Transformators zeigt eine perfekte galvanische (ohmsche) Trennung zwischen seiner primären und sekundären Seite (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein grundlegendes Modell eines Transformators zeigt, dass keinen Strompfad von der Primär- zur Sekundärseite existiert. (Bildquelle: Power Sources Manufacturers Association)

Bei einem idealen Transformator kann kein Strom direkt vom Wechselstromnetz zu dem mit Strom versorgten Produkt fließen und eine vollständige Stromschleife zurück zum Wechselstromnetz bilden, selbst wenn ein Bauteil- oder Verdrahtungsfehler einen neuen Strompfad auf der Sekundärseite schafft. Kein Transformator ist jedoch perfekt, und es ist mit einer Kapazität zwischen den Wicklungen von Primär- zu Sekundärseite zu rechnen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein realistischeres Modell zeigt die grundlegende Wicklungskapazität (C_ps1) der Primär- und Sekundärseite. (Bildquelle: Power Sources Manufacturers Association)

Ein tiefer gehendes Modell fügt zusätzliche Quellen für die Kapazität zwischen den Wicklungen hinzu (Abbildung 3).

Abbildung 3: Neben der Wicklungskapazität (C_ps1) weisen Transformatoren noch weitere Kapazitäten auf. (Bildquelle: Power Sources Manufacturers Association)

Diese unerwünschte Kapazität ermöglicht den Fluss von Leckstrom, und ihr Wert ist eine Funktion vieler Variablen, wie Drahtgröße, Wicklungsmuster und Transformatorgeometrie. Der Wert kann im Bereich von minimal einem Picofarad (pF) bis zu einigen Mikrofarad (µF) liegen. Neben den kapazitiven Leckströmen von Transformatoren sind weitere Quellen unbeabsichtigter Kapazitäten die Abstände auf Leiterplatten, die Isolierung zwischen Halbleitern und geerdeten Kühlkörpern und Parasitika zwischen anderen Komponenten.

Der kapazitätsbedingte Leckstrom des Transformators ist nicht das einzige Problem, dem die Vorschriften für die Netzteile von medizinischen Geräten gelten. Die grundlegende Sicherheit und die Isolierung von Wechselstrom haben Priorität. Je nach Spannungs- und Leistungspegel benötigen die Netzteile zusätzlich zur primären Barriere eine zweite, unabhängige Isolierung (oder eine physikalisch verstärkte Isolierung). Die Isolierungsleistung lässt im Laufe der Zeit aufgrund von Temperaturextremen, Hochspannungsbelastung und Überspannungen ebenfalls nach, auch wenn die Nenngrößen weiterhin erfüllt werden.

Die erste Ebene der Isolierung wird üblicherweise als „Grundisolierung“ bezeichnet. Ein Beispiel ist die Isolierung von Drähten. Bei der zweiten Ebene handelt es sich häufig um ein isoliertes Gehäuse, wie es bei vielen Wand- und Tischnetzteilen zu finden ist.

Normen und Schutzmittel (means of protection, MoP)

Die wichtigste Norm für medizinische Elektronik und Sicherheit ist die IEC 60601-1. Die jüngste (4.) Auflage löst den Fokus auf behandelte Personen auf, indem sie ein grundlegendes Schutzmittel (MOP) vorschreibt, das ein oder mehrere Schutzmittel für Bedienpersonal (means of operator protection, MOOP) und Schutzmittelte für behandelte Personen (means of patient protection, MOPP) kombiniert.

Die gesetzlichen Normen haben auch Schutzklassen für die Umsetzung von MOOP geschaffen. Diese werden als Klasse I und Klasse II bezeichnet und regeln die Konstruktion und Isolierung von Netzteilen. Ein Produkt der Klasse I hat ein leitfähiges Chassis, das mit der Schutzerde verbunden ist. Um die Kompatibilität mit lokalen Steckdosen zu vereinfachen, verfügt das Netzteil über eine IEC320-C14-Steckbuchse für ein von der benutzenden Person bereitgestelltes Netzkabel mit einem Schutzleiter zur Erdung (Abbildung 4, links).

Im Gegensatz dazu verfügen die Netzteile der Klasse II über ein zweiadriges Netzkabel mit einer Verbindung zur Schutzerde (Abbildung 4, rechts). Da kein geerdetes Chassis vorhanden ist, befinden sich zwei Ebenen der Isolierung (oder eine Ebene mit verstärkter Isolierung) zwischen der benutzenden Person und den internen stromführenden Leitern.

Abbildung 4: Geräte der Klassen I (links) und II (rechts) verfügen über geerdete Dreidraht- oder ungeerdete Zweidraht-AC-Netzanschlüsse, die häufig mit Standard-IEC-Steckbuchsen und von der benutzenden Person bereitgestellten Netzkabeln verwendet werden. (Bildquelle: XP Power)

Daraus ergibt sich, dass jedes AC/DC-Netzteil, das für medizinische Anwendungen bestimmt ist und entweder als Klasse I oder Klasse II zertifiziert ist, speziell entwickelt und nach den einschlägigen Normen geprüft werden muss. Glücklicherweise kennen Netzteilanbieter wie XP Power die technischen, fertigungsbezogenen und zertifizierungsrelevanten Anforderungen und bieten Netzteile, die diese Normen erfüllen.

Auch die Größe spielt eine Rolle

Auch wenn sich die technischen und gesetzlichen Anforderungen an die Netzteile medizinischer Geräte nicht auf deren physische Größe beziehen, ist diese dennoch wichtig. Große Netzteile erschweren den Einsatz vor Ort, wenn der Platz begrenzt ist, wie z. B. in einem Krankenwagen oder in einem klinischen Umfeld, in dem der Platz auf einem Wagen oder Schreibtisch begrenzt ist.

Ein kleineres AC/DC-Netzteil wäre in diesen Fällen von Vorteil, stellt aber eine Herausforderung dar. Die Möglichkeiten zur Verkleinerung des Netzteils werden durch die Notwendigkeit begrenzt, die gesetzlichen Richtlinien für Isolierung, Kriechstrecke und Luftstrecke einzuhalten.

Ein weiteres Problem bei kleineren Netzteilen ist die Ableitung von Wärme. Wenn das Volumen des Netzteils und die Gehäuseoberfläche nicht ausreichen, fällt die Innentemperatur höher als bei einem größeren Netzteil aus, wodurch die internen aktiven, passiven und isolierenden Komponenten beeinträchtigt werden. Zwangsluftkühlung ist aufgrund möglicher Blockaden des Luftstroms, langfristiger Zuverlässigkeitsbedenken und zusätzlichen Umgebungslärms inakzeptabel.

Außerdem kann die erzeugte Wärme die Oberflächentemperatur des Gehäuses über das zulässige Maß hinaus ansteigen lassen und so Personen gefährden. Der Schlüssel zur Verkleinerung des Netzteils liegt in der Verwendung geeigneter Komponenten zum Schalten der Stromkreise, um die entstehende Wärme zu minimieren.

Hier bieten auf GaN-basierte Schaltkomponenten deutliche Vorteile gegenüber Silizium (Si). Ihr geringerer Reihenwiderstand, kürzere Schaltzeiten und eine geringere Sperrverzögerungsladung reduzieren die Verluste, was zu einem effizienteren, kühleren und kompakteren Netzteil führt.

Ein Beispiel ist das AQM200PS19 von XP-Power, ein Mitglied der Serie AQM. Das Netzteil ist für den Betrieb der Klasse I mit 19 Volt/10,6 Ampere (A) ausgelegt. Es misst etwa 167 x 54 x 33 Millimeter (mm), also halb so viel wie ein herkömmliches Netzteil mit diesen Nennwerten, und wiegt nur 600 Gramm (g) (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das AQM200PS19 ist ein 200-Watt-Netzteil der Klasse I, das 19 Volt bei bis zu 10,6 A mit einem Wirkungsgrad von 92 % liefert. (Bildquelle: XP Power)

Dieses externe Netzteil ist vollständig nach internationalen Medizintechniknormen zugelassen. Zu den elektrischen Parametern gehören ein Patienten-Leckstrom von weniger als 100 Mikroampere (µA), ein typischer Wirkungsgrad von 92 %, eine Standby-Leistungsaufnahme von weniger als 0,15 Watt und ein PF von >0,9.

Das Netzteil ist sowohl in der Klasse I als auch in der Klasse II erhältlich und ist für den Betrieb bei 0 °C bis 60 °C eingestuft. Es verfügt über ein vollständig abgedichtetes Gehäuse gemäß Schutzart IP22, dessen glatte Oberfläche die Reinigung in medizinischen Umgebungen erleichtert.

Für Systeme mit höherer Leistung bietet XP Power das AQM300PS48-C2 an, ein 300-Watt-Netzteil der Klasse II mit einem Nennausgang von 48 Volt/6,25 A und einer Standby-Leistungsaufnahme von unter 0,5 Watt. Obwohl es etwas größer ausfällt, ist dieses Netzteil mit 183 x 85 x 35 mm und einem Gewicht von 1.050 g immer noch kompakt.

Mit einer Nennleistung von 250 Watt bietet XP Power mit dem AQM250PS24 ein Netzteil der Klasse 1 mit 24 Volt/10,4 A und einer Standby-Leistungsaufnahme von unter 0,15 Watt. Es misst 172 x 67,1 x 32 mm.

Fazit:

Externe, in sich geschlossene AC/DC-Netzteile für medizinische Geräte müssen strenge gesetzliche sowie betriebs-, leistungs-, sicherheits- und effizienzbezogene Anforderungen erfüllen. Die externen Netzteile der Serie AQM von XP Power mit Zulassung für medizinische Geräte übertreffen diese Anforderungen dank der Nutzung von GaN-Komponenten, was insgesamt zur Halbierung der Gehäusegröße einer klassischen Si-Einheit führt.