求一种高压电穿孔的精密电源解决方案

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，使许多新的治疗方法成为可能。因此，这种技术的采用正在增长。脉冲场消融（PFA）的研究和开发特别令人感兴趣，因为超短脉冲增加了治疗效果，同时最大限度地减少了热问题。

然而，有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精确控制的情况下满足各种参数。

电穿孔是一种将HV（电场，通常为每厘米数千伏特）施加到细胞上以增加细胞膜通透性的技术。电穿孔有两种类型：可逆和不可逆。

可逆电穿孔描述了非永久性孔的形成，其中施加不超过目标组织阈值的低强度电场。这允许化学物质，药物或DNA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的阈值时产生永久性孔。这些永久性毛孔导致细胞稳态破坏，最终导致细胞死亡。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。

作为一种输送电穿孔的技术，PFA是一种非热能方式，已被用于实体器官肿瘤消融已有一段时间。最近，研究人员已经证明了独特的安全性和消融功效，这与它能够选择性地靶向心肌细胞，同时避免对结缔组织结构的附带损害有关。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最有效方法。

已建立的PFA方法适用于80至120个单极性脉冲，脉冲持续时间为50至100 ms，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。

最近，一种称为高频IRE（H-FIRE）的新型IRE技术出现了。H-FIRE使用一组双极性脉冲脉冲串，由持续时间为0.5至10 ms的单个脉冲组成，分组为长达100 ms的脉冲群。

作为一个具体的例子，有多个关于IRE应用于肝肿瘤的记录研究，最早可以追溯到2011年。肿瘤的大小从2毫米到100毫米不等，尽管IRE治疗的电参数之间存在高度的共性。施加的电压始终在1.5-3 kV / cm的范围内，持续时间为70-100 μs，并且使用板电极以80.100 Hz提供0个3 ms的脉冲获得最佳结果，电场大小为2.5 kV / cm穿过肿瘤。

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、可重复地提供高能高压脉冲。对于生命科学应用，通常只需要 2 至 300W 区域的电源系统。对于PFA等外科应用，单个脉冲最高可达20 kW，系统的平均功率为千瓦区域。

随着研究的继续，所需的波形也在不断变化，这可能会增加电源设计的挑战。早期IRE的单极性脉冲已经演变为双极性脉冲，可能是对称的，也可能是不对称的。

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 的电流和高达 65 A 的电流。脉冲宽度通常在 100 ns 至 100 μs 范围内，突发模式频率高达 5 MHz。脉冲的相关压摆率既重要又具有挑战性。

电源需要过流保护和电压/电流监控等功能，并符合相关医疗安全标准和EMI/EMC法规。

PFA 解决方案的体系结构

通常，PFA应用的电源解决方案由多个级组成，从交流电源输入转换为治疗所需的高压脉冲直流输出。图中显示了典型设计的框图，尽管这是一个简化的视图，因为AC/DC前端通常具有多个输出，为显示器和HMI等外围设备供电。

第一阶段是交流输入和功率因数校正（PFC），以橙色显示。这解决了关键的一致性参数，包括初级-次级隔离、漏电流、EMI滤波和PFC。 输入可以是任何交流电源电压（甚至是直流电压），输出通常是约380 V的隔离直流电压。

先进能源的雅特生科技 AIF04ZPFC 系列全砖 PFC 模块是一项适用于前端 PFC 的技术，可接受 85 至 264 VAC 的通用输入，并具有统一的功率因数。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。这些模块采用行业标准的 2.4 × 4.6 英寸全砖外形，高度仅为 0.5 英寸，功率密度为 290 W/in。3.提供使能功能，AIF04ZPFC 模块可以并联运行，适用于需要更高功率水平的系统。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。

下一级是DC/DC转换器，它从PFC级的大约380 V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，同时降低了输出纹波和噪声。输出的完整规格在很大程度上取决于后续高压级的要求。

最后阶段（以绿色显示）是连接到患者的高压脉冲直流输出。这通常是一种分立的板载解决方案，例如Advanced Energy的UltraVolt大功率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 输入供电，由蓝色 DC/DC 转换器级的输出驱动。

有几种器件可供选择，所有器件都具有 125 至 6 kV 的单极性输出，功率水平为 60 W、125 W 或 250 W。高精度输出的纹波值为 <1.0%，温度系数为 50 ppm/°C。

提供一系列工厂配置选项，包括用于控制和监控的 5V 或 10V 操作选项，接头可替换为 D-sub 连接器。还提供工厂安装的散热器和用于PCB安装的螺纹支座。

通过添加光纤布拉格光栅分析仪（FBGA）进行精确的温度监控，可以进一步增强系统控制和反馈。最新的FBGA没有移动部件，采用高效的光学设计，可提供出色的波长可重复性、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。