呼吸機(jī)渦輪變速運(yùn)動(dòng)中維持母線電壓穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化研究

【作 者】張耀東，岳海振

1 北京誼安醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，北京市，100070

2 北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所放療科/惡性腫瘤發(fā)病機(jī)制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市，100142

0 引言

呼吸機(jī)是一種生命支持類設(shè)備，在呼吸系統(tǒng)疾病的治療中有著非常重要的作用[1-2]，尤其在2020年新冠肺炎疫情[3-4]和2003年非典型肺炎等[5-6]人類社會(huì)面臨突如其來(lái)的重大疫情考驗(yàn)時(shí)，呼吸機(jī)在感染患者的治療過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。因此，針對(duì)各種臨床應(yīng)用環(huán)境下的呼吸機(jī)性能的改良和優(yōu)化的研究日益突出[7]。出于便攜性和普適性的目的，主流呼吸機(jī)一般使用渦輪方式驅(qū)動(dòng)，而渦輪一般使用高轉(zhuǎn)速無(wú)刷直流電機(jī)（brushless direct current motor,BLDCM），呼吸機(jī)高頻次工作時(shí)渦輪會(huì)處于頻繁的加速與剎車狀態(tài)。臨床應(yīng)用中，呼吸機(jī)對(duì)渦輪的轉(zhuǎn)速要求較高，基本在每分鐘5 000到10萬(wàn)轉(zhuǎn)之間。為了達(dá)到合適的壓力從待速（一般低于5 000 r/min）開(kāi)始，加速過(guò)程應(yīng)小于100 ms，這就要求母線提供數(shù)倍于渦輪額定電流的加速電流。在渦輪加速過(guò)程會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)大電流消耗，要求降低母線電壓阻抗；減速過(guò)程中則需要釋放大量的能量，如果剎車過(guò)快會(huì)導(dǎo)致母線電壓急速抬升，進(jìn)而影響呼吸機(jī)效能。因此，如何維持渦輪加減速過(guò)程母線電壓穩(wěn)定，降低母線阻抗，是呼吸機(jī)渦輪驅(qū)動(dòng)的難點(diǎn)。

山東大學(xué)研究者周文豹[8]在其碩士畢業(yè)論文中重點(diǎn)探討了家用呼吸機(jī)中無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法；研究者蘇光義[9]對(duì)呼吸機(jī)電路氣路設(shè)計(jì)與風(fēng)機(jī)控制方案進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化改良，其中電路部分以半導(dǎo)體ST32位ARM微控制器（STM32F405）為主；同時(shí)，業(yè)內(nèi)從事硬件開(kāi)發(fā)的研究者對(duì)高性能呼吸機(jī)渦輪控制器優(yōu)化升級(jí)[10-12]也有涉及，但暫未專門針對(duì)呼吸機(jī)渦輪驅(qū)動(dòng)中加減速問(wèn)題提出有效的解決方案。

針對(duì)渦輪驅(qū)動(dòng)呼吸機(jī)面臨的問(wèn)題，結(jié)合應(yīng)對(duì)重大突發(fā)疫情中呼吸機(jī)的高度依賴和滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)實(shí)需求，同時(shí)著眼于便攜式呼吸機(jī)在其他無(wú)創(chuàng)型、有自主呼吸患者短暫輔助呼吸和信號(hào)采集等臨床應(yīng)用環(huán)境中的擴(kuò)展應(yīng)用考慮，本研究提出通過(guò)在母線增加對(duì)比泄放電路的方式達(dá)到維持母線電壓穩(wěn)定的目的，從而解決呼吸機(jī)加減速狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)難點(diǎn)，以便于在其他應(yīng)用環(huán)境中的擴(kuò)展。

1 材料與方法

呼吸機(jī)渦輪電路常規(guī)設(shè)計(jì)中，母線采用一個(gè)普通二極管以防止渦輪剎車時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)灌入前端母線電壓源。二極管正向?qū)〞r(shí)產(chǎn)生0.5 V至0.7 V的壓降，且導(dǎo)通壓降與電流變化幅度相關(guān)，同時(shí)導(dǎo)致母線損耗增大。為消除抬升的反電動(dòng)勢(shì)，常規(guī)設(shè)計(jì)中在母線上并聯(lián)一個(gè)功率瞬態(tài)抑制二極管（TVS），當(dāng)母線電壓超過(guò)TVS擊穿電壓后發(fā)生雪崩擊穿，瞬時(shí)短路泄放能量，將電壓鉗位在預(yù)設(shè)電壓。TVS屬于損耗器件，呼吸機(jī)工作中每個(gè)呼吸周期都會(huì)導(dǎo)致TVS擊穿，且擊穿電壓與鉗位電壓不完全等值，這將影響呼吸機(jī)穩(wěn)定性與使用壽命。

本方案采用理想二極管替代常規(guī)二極管，增加比較泄放電路以維持母線電壓穩(wěn)定性。呼吸機(jī)渦輪常規(guī)方案與優(yōu)化方案對(duì)比，如圖1所示。

圖1 呼吸機(jī)渦輪常規(guī)方案與優(yōu)化方案對(duì)比Fig.1 Comparison of conventional and optimized schemes for ventilator turbines

1.1 理想二極管設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)第一個(gè)重要改進(jìn)在于將二極管更換為理想二極管，即使用MOS管驅(qū)動(dòng)器加N溝道MOS管替代二極管。理想二極管控制MOS管兩端的壓降保持在30 mV，功率N溝道MOS的直流阻抗Rds可以小于2 mΩ。圖2為使用理想二極管驅(qū)動(dòng)器LT4359（U17）驅(qū)動(dòng)功率N溝道MOS管（Q7）的設(shè)計(jì)方案。

圖2 理想二極管替代方案電路圖Fig.2 Ideal diode alternative circuit diagram

上述優(yōu)化方案中，硬件測(cè)試時(shí)驅(qū)動(dòng)渦輪以5 000 r/min和40 000 r/min的轉(zhuǎn)速分別運(yùn)行2 s，常溫下連續(xù)運(yùn)行24 h，MOS管和理想二極管表面最高溫度分別為43oC和80oC，其損耗對(duì)照曲線如圖3所示，說(shuō)明理想二極管性能優(yōu)勢(shì)較為明顯。

圖3 理想二極管與常規(guī)二極管損耗對(duì)照曲線Fig.3 Ideal diode and conventional diode loss control curve

1.2 泄放電路設(shè)計(jì)

渦輪在呼氣時(shí)需要立即降到低速PEEP值的轉(zhuǎn)速，高速到低速的切換時(shí)間要求盡量短，否則病人會(huì)出現(xiàn)呼氣不順暢，增加人機(jī)對(duì)抗的風(fēng)險(xiǎn)。因此，性能較好的呼吸機(jī)一般會(huì)將降速過(guò)程控制在100 ms之內(nèi)。這個(gè)過(guò)程，渦輪由電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)與母線電壓疊加，導(dǎo)致母線電壓抬升。理想二極管替代方案可有效防止母線電壓的電源端觸發(fā)保護(hù)。但理想二極管具有單向性，這部分能量不能通過(guò)電源電壓釋放，只能通過(guò)渦輪驅(qū)動(dòng)器或渦輪釋放，這可能會(huì)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器保護(hù)，并且導(dǎo)致渦輪壽命降低，延長(zhǎng)制動(dòng)過(guò)程。

本方案在理想二極管后端的母線電壓上增加一個(gè)比較泄放電路。渦輪剎車時(shí)產(chǎn)生的高壓可通過(guò)泄放電路釋放，從而維持母線電壓穩(wěn)定。泄放電壓的限值略高于母線電壓，避免泄放電路持續(xù)工作，防止渦輪正常工作狀態(tài)下對(duì)母線電壓的消耗。

本優(yōu)化方案中，當(dāng)母線電壓高于25.4 V時(shí)（正常工作母線電壓為24 V），啟動(dòng)泄放電路工作，泄放電流等于母線電壓Vm/ (R155//R156) 。比較器的參考電壓Vref設(shè)定在10 V，本設(shè)計(jì)中使用LM4040-10精密穩(wěn)壓器，Vref的設(shè)定值與母線電壓有關(guān)，盡量工作在比較器供電電壓的中間值附件，本方案的比機(jī)器供電電壓就是母線電壓，正常母線電壓24 V，所以參考值選取10 V，這樣比較電路可以最優(yōu)工作，這是從誤差計(jì)算的角度出發(fā)的。設(shè)定泄放電壓為Vd，則，設(shè) 定，固定電阻定R151為10 kΩ，可根據(jù)公式計(jì)算得電阻R153的值。查詢E96與E24系列電阻R153的值，選取最接近R153的電阻值，然后驗(yàn)證Vd值是否滿足要求。本研究按照1%的精度選擇電阻，并按照最大誤差進(jìn)行計(jì)算，使兩個(gè)極端下Vd值高于正常工作母線電壓，同時(shí)又使Vd值不高于母線電壓太多。

圖4 泄放電路Fig.4 Bleed-off circuit

按照上述方案設(shè)計(jì)電路，當(dāng)渦輪剎車時(shí)，母線電壓高于25.4 V時(shí)，比較器打開(kāi)，剎車產(chǎn)生的能量通過(guò)功率電阻R155和R156進(jìn)行泄放。當(dāng)母線電壓低于25.4 V時(shí)比較器關(guān)閉，D29二極管起到加速關(guān)閉的作用，將MOS管Q9關(guān)閉，泄放路徑關(guān)閉。如果擔(dān)心反電動(dòng)勢(shì)繼續(xù)反彈，使泄放電路頻繁啟動(dòng)，可以采用遲滯比較器，將R154選取為一個(gè)合適的電阻值，這里不再贅述。

2 結(jié)果

2.1 理想二極管方案

二極管消耗峰值功率Pmax和額定功率Pe計(jì)算公式為Pmax=Ipeak×Vdrop，Pe=Ie×Ve。對(duì)于常規(guī)渦輪（電壓24 V，功率72 W），加速時(shí)峰值電流Ipeak可以達(dá)到8～10 A，二極管的典型壓降Vdrop為0.5 V，加速過(guò)程結(jié)束后則由上述公式可知，常規(guī)渦輪設(shè)計(jì)中，Pmax為5 W，Pe為1.5 W。

對(duì)于改進(jìn)方案，消耗的峰值功耗Pmax僅為0.3 W，額定損耗Pe則小于0.09 W，較大程度上降低了Pmax和Pe，保證了渦輪加速過(guò)程母線電壓穩(wěn)定性并有效降低了熱耗。

2.2 泄放電路

增加泄放電路前后重要參數(shù)對(duì)比，如表1所示，其中第二項(xiàng)為設(shè)備運(yùn)行24 h后泄放電路器件表面溫度。

表1 增設(shè)泄放電路后與原設(shè)計(jì)方案關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of key technical parameters of the design scheme before and after the addition of relief circuit

增加泄放電路后，渦輪減速過(guò)程中母線電壓的波動(dòng)較小，減速過(guò)程中產(chǎn)生的能量亦可通過(guò)功率電阻消耗，這保護(hù)了渦輪以及驅(qū)動(dòng)器。

3 結(jié)論

渦輪呼吸機(jī)對(duì)治療新冠疫情發(fā)揮了重要作用，渦輪是呼吸機(jī)的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，渦輪控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性決定了呼吸機(jī)的功能是否可得到有效發(fā)揮。渦輪控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于渦輪的加減速，而頻繁加減速勢(shì)必造成母線電壓的非正常波動(dòng)，當(dāng)波動(dòng)超出驅(qū)動(dòng)器的能力范圍時(shí)就會(huì)導(dǎo)致故障停機(jī)，甚至損壞渦輪或者驅(qū)動(dòng)器，危及患者生命安全，甚至對(duì)重大疫情控制工作帶來(lái)隱患。

本研究通過(guò)用理想二極管替代常規(guī)二極管和增加泄放電路等優(yōu)化方案，可有效地降低母線阻抗，大大降低渦輪加速時(shí)母線提供瞬時(shí)大電流所帶來(lái)的損耗，同時(shí)保證單向性，維持減速過(guò)程中的母線電壓的穩(wěn)定。本優(yōu)化方案最終可使渦輪的加減速發(fā)揮最大效能，從而使呼吸機(jī)的壓力控制和流量控制達(dá)到最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)呼吸機(jī)的快速切換和觸發(fā)，減少人機(jī)對(duì)抗風(fēng)險(xiǎn)，便于設(shè)備在其他臨床應(yīng)用環(huán)境中的擴(kuò)展應(yīng)用。