呼吸機渦輪變速運動中維持母線電壓穩定關鍵技術優化研究

【作 者】張耀東，岳海振

1 北京誼安醫療系統股份有限公司，北京市，100070

2 北京大學腫瘤醫院暨北京市腫瘤防治研究所放療科/惡性腫瘤發病機制及轉化研究教育部重點實驗室，北京市，100142

0 引言

呼吸機是一種生命支持類設備，在呼吸系統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]人類社會面臨突如其來的重大疫情考驗時，呼吸機在感染患者的治療過程中起著至關重要的作用。因此，針對各種臨床應用環境下的呼吸機性能的改良和優化的研究日益突出[7]。出于便攜性和普適性的目的，主流呼吸機一般使用渦輪方式驅動，而渦輪一般使用高轉速無刷直流電機（brushless direct current motor,BLDCM），呼吸機高頻次工作時渦輪會處于頻繁的加速與剎車狀態。臨床應用中，呼吸機對渦輪的轉速要求較高，基本在每分鐘5 000到10萬轉之間。為了達到合適的壓力從待速（一般低于5 000 r/min）開始，加速過程應小于100 ms，這就要求母線提供數倍于渦輪額定電流的加速電流。在渦輪加速過程會產生瞬時大電流消耗，要求降低母線電壓阻抗；減速過程中則需要釋放大量的能量，如果剎車過快會導致母線電壓急速抬升，進而影響呼吸機效能。因此，如何維持渦輪加減速過程母線電壓穩定，降低母線阻抗，是呼吸機渦輪驅動的難點。

山東大學研究者周文豹[8]在其碩士畢業論文中重點探討了家用呼吸機中無刷直流電機控制器的設計與實現方法；研究者蘇光義[9]對呼吸機電路氣路設計與風機控制方案進行了進一步優化改良，其中電路部分以半導體ST32位ARM微控制器（STM32F405）為主；同時，業內從事硬件開發的研究者對高性能呼吸機渦輪控制器優化升級[10-12]也有涉及，但暫未專門針對呼吸機渦輪驅動中加減速問題提出有效的解決方案。

針對渦輪驅動呼吸機面臨的問題，結合應對重大突發疫情中呼吸機的高度依賴和滿負荷運轉的現實需求，同時著眼于便攜式呼吸機在其他無創型、有自主呼吸患者短暫輔助呼吸和信號采集等臨床應用環境中的擴展應用考慮，本研究提出通過在母線增加對比泄放電路的方式達到維持母線電壓穩定的目的，從而解決呼吸機加減速狀態下的驅動難點，以便于在其他應用環境中的擴展。

1 材料與方法

呼吸機渦輪電路常規設計中，母線采用一個普通二極管以防止渦輪剎車時的反電動勢灌入前端母線電壓源。二極管正向導通時產生0.5 V至0.7 V的壓降，且導通壓降與電流變化幅度相關，同時導致母線損耗增大。為消除抬升的反電動勢，常規設計中在母線上并聯一個功率瞬態抑制二極管（TVS），當母線電壓超過TVS擊穿電壓后發生雪崩擊穿，瞬時短路泄放能量，將電壓鉗位在預設電壓。TVS屬于損耗器件，呼吸機工作中每個呼吸周期都會導致TVS擊穿，且擊穿電壓與鉗位電壓不完全等值，這將影響呼吸機穩定性與使用壽命。

本方案采用理想二極管替代常規二極管，增加比較泄放電路以維持母線電壓穩定性。呼吸機渦輪常規方案與優化方案對比，如圖1所示。

圖1 呼吸機渦輪常規方案與優化方案對比Fig.1 Comparison of conventional and optimized schemes for ventilator turbines

1.1 理想二極管設計方案

本設計第一個重要改進在于將二極管更換為理想二極管，即使用MOS管驅動器加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動器LT4359（U17）驅動功率N溝道MOS管（Q7）的設計方案。

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

上述優化方案中，硬件測試時驅動渦輪以5 000 r/min和40 000 r/min的轉速分別運行2 s，常溫下連續運行24 h，MOS管和理想二極管表面最高溫度分別為43oC和80oC，其損耗對照曲線如圖3所示，說明理想二極管性能優勢較為明顯。

圖3 理想二極管與常規二極管損耗對照曲線Fig.3 Ideal diode and conventional diode loss control curve

1.2 泄放電路設計

渦輪在呼氣時需要立即降到低速PEEP值的轉速，高速到低速的切換時間要求盡量短，否則病人會出現呼氣不順暢，增加人機對抗的風險。因此，性能較好的呼吸機一般會將降速過程控制在100 ms之內。這個過程，渦輪由電動機變為發電機，產生的反電動勢與母線電壓疊加，導致母線電壓抬升。理想二極管替代方案可有效防止母線電壓的電源端觸發保護。但理想二極管具有單向性，這部分能量不能通過電源電壓釋放，只能通過渦輪驅動器或渦輪釋放，這可能會觸發驅動器保護，并且導致渦輪壽命降低，延長制動過程。

本方案在理想二極管后端的母線電壓上增加一個比較泄放電路。渦輪剎車時產生的高壓可通過泄放電路釋放，從而維持母線電壓穩定。泄放電壓的限值略高于母線電壓，避免泄放電路持續工作，防止渦輪正常工作狀態下對母線電壓的消耗。

本優化方案中，當母線電壓高于25.4 V時（正常工作母線電壓為24 V），啟動泄放電路工作，泄放電流等于母線電壓Vm/ (R155//R156) 。比較器的參考電壓Vref設定在10 V，本設計中使用LM4040-10精密穩壓器，Vref的設定值與母線電壓有關，盡量工作在比較器供電電壓的中間值附件，本方案的比機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工作，這是從誤差計算的角度出發的。設定泄放電壓為Vd，則，設 定，固定電阻定R151為10 kΩ，可根據公式計算得電阻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，并按照最大誤差進行計算，使兩個極端下Vd值高于正常工作母線電壓，同時又使Vd值不高于母線電壓太多。

圖4 泄放電路Fig.4 Bleed-off circuit

按照上述方案設計電路，當渦輪剎車時，母線電壓高于25.4 V時，比較器打開，剎車產生的能量通過功率電阻R155和R156進行泄放。當母線電壓低于25.4 V時比較器關閉，D29二極管起到加速關閉的作用，將MOS管Q9關閉，泄放路徑關閉。如果擔心反電動勢繼續反彈，使泄放電路頻繁啟動，可以采用遲滯比較器，將R154選取為一個合適的電阻值，這里不再贅述。

2 結果

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計算公式為Pmax=Ipeak×Vdrop，Pe=Ie×Ve。對于常規渦輪（電壓24 V，功率72 W），加速時峰值電流Ipeak可以達到8～10 A，二極管的典型壓降Vdrop為0.5 V，加速過程結束后則由上述公式可知，常規渦輪設計中，Pmax為5 W，Pe為1.5 W。

對于改進方案，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，保證了渦輪加速過程母線電壓穩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對比，如表1所示，其中第二項為設備運行24 h后泄放電路器件表面溫度。

表1 增設泄放電路后與原設計方案關鍵技術參數對比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，渦輪減速過程中母線電壓的波動較小，減速過程中產生的能量亦可通過功率電阻消耗，這保護了渦輪以及驅動器。

3 結論

渦輪呼吸機對治療新冠疫情發揮了重要作用，渦輪是呼吸機的控制執行機構，渦輪控制系統的穩定性決定了呼吸機的功能是否可得到有效發揮。渦輪控制的關鍵點在于渦輪的加減速，而頻繁加減速勢必造成母線電壓的非正常波動，當波動超出驅動器的能力范圍時就會導致故障停機，甚至損壞渦輪或者驅動器，危及患者生命安全，甚至對重大疫情控制工作帶來隱患。

本研究通過用理想二極管替代常規二極管和增加泄放電路等優化方案，可有效地降低母線阻抗，大大降低渦輪加速時母線提供瞬時大電流所帶來的損耗，同時保證單向性，維持減速過程中的母線電壓的穩定。本優化方案最終可使渦輪的加減速發揮最大效能，從而使呼吸機的壓力控制和流量控制達到最優，實現呼吸機的快速切換和觸發，減少人機對抗風險，便于設備在其他臨床應用環境中的擴展應用。