정격 부하 저항의 고주파 비이상성 및 방사 결합이 4MHz 전기수술 장치의 출력 전력 측정 정확도에 미치는 영향

DENG Sha1, ZHANG Chao2, WU Shaohai1 교신저자: FAN Xiang1

1. 광둥성 의료기기 품질감독검사원, 중국 광둥성 광저우시 황푸구 광푸서로 1번지, 우편번호 510663
2. 킹포 중국 광둥성 둥관시 쑹산호구 대학로 9번지, 기술개발유한회사 (우편번호 523869)

요약 : 기존의 전기수술 분석기를 사용하여 4MHz 고주파 전기수술 장치의 출력 전력, 전압 및 전류를 측정할 때, 데이터 반복성 부족, 측정 장비 간의 큰 차이, 정격 출력 전력 판단의 불안정성 등의 문제가 흔히 발생합니다. 기존 분석에서는 이러한 문제의 원인을 불충분한 샘플링 대역폭, RMS 알고리즘 오차 또는 분석기의 교정 주파수 불일치로 보는 것이 일반적입니다. 그러나 4MHz 전기수술 장치의 경우, 측정 오차의 근본 원인은 측정 장비 자체에만 있는 것이 아닙니다. 고주파, 고출력 여기 조건에서 정격 부하 저항의 비이상적인 전자기적 특성과도 밀접한 관련이 있습니다. 본 논문에서는 강한 전기수술 여기 조건에서 저항 표피 효과, 저항 구조 형태, 테스트 루프 내 방사 결합이라는 세 가지 관점에서 4MHz 테스트 시 정격 부하 저항의 왜곡 메커니즘을 분석합니다. 연구 결과, 정격 부하 저항이 이상적인 순수 저항이라는 기존의 가정은 4MHz에서 충분히 타당하지 않다는 것을 알 수 있습니다. 표피 효과의 영향으로 AC 등가 저항이 DC 공칭값에서 벗어날 수 있습니다. 저항기의 형상, 리드 구조, 장착 방식 및 방열 구조의 영향을 받는 부하는 기생 인덕턴스와 기생 커패시턴스를 발생시킬 수 있습니다. 고전압, 고전류, 비정현파 또는 펄스 변조 출력 여기 조건에서 테스트 루프는 상당한 전자기 방사, 근접장 결합 및 추가적인 전력 손실을 발생시킬 수 있습니다. IEC 60601-2-2는 고주파 수술 장비 및 고주파 수술 액세서리의 기본 안전 및 필수 성능에 대한 특정 표준입니다. 전기수술 장치의 출력 전력 테스트는 일반적으로 지정된 부하 조건 또는 제조업체가 명시한 정격 부하 조건에서 수행됩니다. 따라서 부하 조건의 정확성과 재현성은 테스트 결과의 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 본 논문에서는 4MHz 전기수술 장치 테스트에 사용되는 정격 부하 저항을 기존의 DC 공칭 저항 모델에서 표피 효과, 기생 파라미터, 열 드리프트 및 방사 결합을 종합적으로 고려한 고주파 복합 전자기 부하 모델로 변환할 것을 제안합니다. 측정 정확도를 향상시키기 위해 저인덕턴스 비유도성 부하 또는 동축 RF 부하, 정격 부하의 4MHz 임피던스 교정, 제어된 테스트 루프 영역 및 방사 결합, 동기식 전압-전류 샘플링 및 유효 전력 계산을 위한 순간 전력 적분이 권장됩니다.

키워드 : 4MHz 전기수술 장치; 정격 부하 저항; 표피 효과; 저항기 형태; 방사 결합; IEC 60601-2-2; 전기수술 분석기; 출력 전력 테스트

중국도서관분류번호: R318.6 문서 코드: A DOI: 편집부에서 입력 예정
원고 접수: 편집부에서 추후 확정 예정. 저자 약력: DENG Sha, 이메일: ; 교신 저자: FAN Xiang, 이메일: .

1 소개

고주파 전기수술 장치의 출력 전력은 절단 성능, 응고 효과 및 환자 안전과 직접적인 관련이 있습니다[1]. 기존 전기수술 장치와 비교하여 4MHz 장치는 부하 임피던스, 연결 케이블 및 고정 장치 구조의 영향을 더 쉽게 받습니다. 이전 연구에서는 MHz급 부하 임피던스, 동적 보상 및 파형 획득이 전력 측정에 영향을 미칠 수 있음을 보여주었습니다[2-4]. IEC 60601-2-2 및 JJF 1217-2025는 모두 정격 부하 및 작동 주파수 조건을 강조합니다[5,7]. 본 논문에서는 표피 효과, 기생 파라미터 및 방사 결합이 4MHz 출력 전력 측정 정확도에 미치는 영향을 분석합니다. 연구 논리는 그림 1에 나타나 있습니다.

그림 1. 4MHz 전기수술 장치에서 출력 전력 테스트 오류 발생의 개략도

2. 정격 부하 시험 관련 문제점 IEC 60601-2-2

IEC 60601-2-2는 고주파 수술 장비 및 고주파 수술 액세서리의 기본 안전 및 필수 성능에 관한 특정 표준입니다. 이 표준 체계에서는 일반적으로 전기수술 장치의 출력 성능 테스트는 지정된 부하 또는 제조업체가 선언한 정격 부하에서 완료되어야 합니다. JJF 1217-2025에서 다루는 0.3-5.0MHz 작동 주파수 범위는 4MHz 출력 전력 테스트가 이미 고주파 교정 실무의 핵심 주파수 대역 내에 있음을 나타냅니다[7].

고주파 전기수술 장비의 경우, 정격 부하는 단순히 테스트에 사용되는 부속품이 아니라 장비의 출력 상태를 정의하는 필수 조건입니다. 예를 들어, 어떤 장비가 500Ω 부하에서 100W의 출력을 낸다고 명시되어 있다면, 500Ω 부하는 단순히 전력 계산 공식의 분모가 아닙니다. 이는 해당 전기수술 장비의 정격 출력 작동 지점의 일부를 구성합니다. 만약 소위 500Ω 부하가 실제로는 4MHz에서 500Ω + jX처럼 동작하거나, 온도 상승 및 배선 방식에 따라 임피던스 크기와 위상각이 변한다면, 테스트 대상 장비는 더 이상 이상적인 정격 부하 조건에서 작동하는 것이 아닙니다.

기존의 테스트 모델은 일반적으로 부하 저항이 이상적인 순수 저항이고, 전압과 전류가 동위상이며, 모든 출력 전력이 부하에 흡수된다고 가정합니다. 이 모델은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

P = U^2 / R 또는 P = I^2R

여기서 R은 이상적인 순수 저항으로 간주됩니다. 그러나 4MHz 전기수술 장치의 경우, 이 모델은 4MHz에서 부하 저항이 DC 공칭 값과 동일하게 유지되고, 부하에 상당한 기생 인덕턴스나 기생 커패시턴스가 없으며, 전압-전류 위상차가 무시할 수 있고, 테스트 루프에서 상당한 전자기파가 발생하지 않으며, 출력 전력이 거의 전적으로 부하 저항에서 소산된다는 가정을 암묵적으로 전제로 합니다.

실제 테스트에서는 이러한 가정을 완전히 충족하기 어려운 경우가 많습니다. 따라서 4MHz 전기수술 장치의 출력 전력 테스트는 그림 2와 같이 "이상적인 부하 테스트"에서 "고주파 복합 부하 테스트"로 변환해야 합니다.

3. 저항 표피 효과가 정격 부하에 미치는 영향

3.1 피부 효과의 기본 메커니즘

표피 효과는 교류 전류가 도체를 통과할 때 주파수가 증가함에 따라 전류가 도체 표면 근처에 점차 집중되어 도체 내부의 전류 밀도가 감소하는 현상을 말합니다. 결과적으로 유효 전도 단면적이 줄어들고 교류 저항이 직류 저항보다 높아집니다. 표피 깊이는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

δ = sqrt[2ρ / (ωμ)]

여기서 δ는 표피 깊이, ρ는 재료의 저항률, ω는 각주파수, μ는 재료의 투자율이며, ω = 2πf입니다. 주파수가 4MHz에 도달하면 전류 분포는 직류 조건과 상당히 달라집니다. 고출력 부하 저항기의 금속 단자, 연결판, 저항막층, 리드 및 전도성 구조물에서 표피 효과는 전류 분포를 변화시키고, 결과적으로 교류 등가 저항을 변화시킵니다. 전력 계산의 기준으로 직류 공칭 저항만을 사용하면 주파수에 따라 변하는 저항이 부하 전력 흡수에 미치는 영향을 무시하게 됩니다.

3.2 직류 공칭 저항과 고주파 교류 저항의 차이

직류(DC) 조건에서 정격 부하 저항은 R = Rdc로 표현할 수 있으며, 여기서 Rdc는 직류 공칭 저항입니다. 그러나 4MHz의 고주파 조건에서는 정격 부하를 R = Rac(f)로 표현해야 하며, 여기서 Rac(f)는 주파수에 따라 변하는 교류 등가 저항입니다. 표피 효과, 근접 효과 및 도체 구조로 인해 Rac는 종종 Rdc와 같지 않습니다.

기생 매개변수를 추가로 고려하면 부하는 다음과 같이 표현되어야 합니다.

Zload(f) = Rskin(f) + jX(f)

여기서 Rskin(f)는 표피 효과의 영향을 받는 등가 저항 성분이고, X(f)는 기생 인덕턴스와 기생 커패시턴스가 합쳐져 ​​형성되는 리액턴스 성분입니다. 이는 공칭 500Ω 부하가 4MHz에서 순수한 500Ω 저항과 완전히 동일하지 않을 수 있음을 의미합니다. 만약 전기수술 분석기가 여전히 이상적인 500Ω 부하를 기준으로 전력을 계산한다면, 체계적인 오차가 발생할 것입니다.

따라서 정격 부하 라벨에는 "500Ω"과 같은 직류 공칭 값뿐만 아니라 4MHz에서의 임피던스 크기, 위상각, 정격 전력에서의 온도 상승 드리프트 및 권장 연결 방법도 함께 표시해야 합니다. 형식 시험이나 제3자 검사에 사용되는 부하 모듈의 경우, 시험 결과의 추적성과 재현성을 확보하기 위해 주파수 스윕 기록도 보관해야 합니다.

3.3 피부 효과가 전력 테스트에 미치는 영향

이상적인 조건에서는 P = U² / Rdc입니다. 고주파 조건에서는 P = U² / Rac입니다. 만약 Rac > Rdc라면, 동일한 전압에서 부하에 의해 실제로 흡수되는 전력은 Rdc를 사용하여 계산된 전력보다 작아집니다. 분석기가 이러한 변화를 감지하지 못하면 표시되는 전력이 실제 유효 전력보다 높게 나타날 수 있습니다. 또한, 고주파 전기수술 장치 자체도 이상적인 전압원이 아닙니다. 부하 저항의 변화는 출력단의 동작점에 피드백되어 출력 전압, 전류 및 전력을 변화시킵니다. 따라서 표피 효과는 전력 계산뿐만 아니라 테스트 대상 샘플의 실제 출력 상태에도 영향을 미칩니다.

4. 저항기 형태가 기생 파라미터에 미치는 영향

4.1 고주파 특성에서 저항 형태의 결정적인 역할

저주파 또는 직류(DC) 테스트에서는 구조 형태가 다른 저항기라도 공칭 저항값이 같으면 기능적으로 유사하다고 간주할 수 있습니다. 그러나 4MHz 고주파 테스트에서는 저항기의 형태가 고주파 동작에 직접적인 영향을 미칩니다. 권선 저항기, 시멘트 저항기, 금속막 저항기, 후막 비유도성 저항기, 동축 RF 부하 등은 공칭 저항값이 같더라도 4MHz에서 임피던스 크기, 위상각, 안정성이 완전히 다르게 나타날 수 있습니다.

표 1. 4MHz에서 다양한 저항 형태의 고주파 특성 비교

4.2 기생 인덕턴스의 발생 원인 및 영향

기생 인덕턴스는 주로 권선 저항기의 코일 구조, 저항 리드선, 부하 연결선, 고정 장치 및 단자, PCB 트레이스, 부하 루프 영역, 방열판 및 장착 구조의 전류 경로에서 발생합니다. 유도 리액턴스는 다음과 같습니다.

XL = 2πfL

4MHz 주파수에서는 아주 작은 기생 인덕턴스조차도 측정 결과에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 부하 루프에 추가적인 인덕턴스가 존재할 경우, 부하는 더 이상 순수 저항처럼 동작하지 않고 유도 특성을 나타냅니다. 이로 인해 전압과 전류 사이에 위상차가 발생합니다. 만약 분석기가 여전히 순수 저항 모델을 사용하여 전력을 계산한다면, 측정값에 미치는 무효 전력의 영향은 무시될 것입니다.

4.3 기생 정전 용량의 발생 원인 및 영향

기생 정전 용량은 주로 저항 본체와 방열판 사이, 저항 단자 사이, 저항과 금속 외함 사이, 출력 단자와 접지 사이, PCB 동박 사이, 그리고 케이블과 주변 금속 구조물 사이에서 발생합니다. 정전 용량 리액턴스는 다음과 같습니다.

XC = 1 / (2πfC)

4MHz에서 기생 정전 용량은 고주파 전류에 대한 우회 경로를 제공하여 전류의 일부가 이상적인 부하 저항을 완전히 통과하지 못하게 할 수 있습니다. 이는 이론 모델과 일치하지 않는 부하 전류 분포를 초래하고, 전기수술 분석기가 획득한 전압 및 전류 신호가 부하 저항에 흡수되는 유효 전력을 정확하게 나타내지 못하게 합니다.

4.4 저항 형태로 인한 정격 부하의 RLC 네트워크로의 변환

요약하자면, 4MHz 고주파 조건에서는 정격 부하를 더 이상 단순히 Zload = R로 표현해서는 안 됩니다. 다음과 같이 표현해야 합니다.

Zload = Rskin + jωLparasitic + 1/(jωCparasitic)

여기서 Rskin은 표피 효과의 영향을 받는 AC 저항을 나타내고, Lparasitic은 구조 및 연결로 인해 발생하는 기생 인덕턴스를 나타내며, Cparasitic은 저항기, 방열 구조, 케이블 및 주변 환경으로 인해 형성되는 기생 커패시턴스를 나타냅니다.

5. 강한 고주파 전기수술 자극 하에서의 방사 결합

5.1 전기수술 검사는 소신호 임피던스 검사가 아닙니다

임피던스 분석기나 벡터 네트워크 분석기는 저항의 고주파 특성을 측정할 때 일반적으로 소신호 여기를 사용합니다. 그러나 실제 전기수술 검사에서는 부하가 고전압, 고전류, 고출력의 비정현파 여기 하에서 동작합니다. 특히 응고 및 분무 응고 모드에서는 출력에 펄스 변조, 높은 피크 전압 및 큰 과도 변동이 포함될 수 있습니다. 따라서 실제 전기수술 검사에서 부하의 동작 상태는 소신호 임피던스 테스트 조건에서의 동작 상태와 크게 다릅니다.

5.2 테스트 루프 방사선의 형성 메커니즘

전기수술 장치의 출력이 부하에 연결될 때, 출력선, 귀환선, 부하 저항, 고정 장치 및 분석기는 함께 고주파 전류 루프를 형성합니다. 루프 면적이 크거나, 경로가 비대칭이거나, 연결선이 길면 루프는 안테나와 유사한 방사 특성을 나타낼 수 있습니다. 방사 결합은 주로 과도한 고주파 전류 루프 면적, 출력 및 귀환 도체 사이의 과도한 간격, 긴 부하선, 개방형 도체 구조, 차폐되지 않은 부하, 샘플링선으로의 근접장 결합 및 주변 금속 구조로 인한 전자기장 분포 변화에서 비롯됩니다. 전자기 호환성 관점에서 볼 때, 이러한 유형의 개방형 고주파 루프는 근접장 결합 및 방사 민감도를 증가시킵니다[9].

5.3 복사 결합이 전력 균형에 미치는 영향

이상적으로는 전기수술 장치의 모든 출력 전력이 부하 저항에서 소산되어야 합니다.

출력 = 부하

시험 루프에 명백한 방사 및 커플링이 존재하는 경우, 전력 균형은 다음과 같이 표현되어야 합니다.

출력 = 부하 + 방사선량 + 결합력 + 손실

여기서 Pload는 부하 저항에 흡수되는 실제 전력이고, Pradiation은 테스트 루프의 방사 손실이며, Pcoupling은 분석기 인클로저, 샘플링 케이블, 접지 구조 또는 인근 금속체로 결합되는 전력이고, Ploss는 케이블, 커넥터, 단자 및 기타 구조물의 추가 손실입니다.

5.4 방사선 결합이 시험 반복성에 미치는 영향

방사선 결합으로 인해 시험 결과는 환경 및 작동 조건에 매우 민감합니다. 동일한 전기수술 장치, 동일한 전력 설정 및 동일한 공칭 부하 조건에서도 출력 케이블 길이, 케이블 굽힘 방식, 부하와 분석기 사이의 거리, 부하 배치, 접지 방식, 조작자의 손 근접도, 금속 테이블 근처 위치 및 차폐 구조물의 유무가 변경되면 다른 결과가 나타날 수 있습니다.

6. 정격 부하 시 고주파 왜곡이 시험 대상 장치의 동작점에 미치는 영향

고주파 전기수술 장치는 이상적인 전압원이나 전류원이 아닙니다. 출력 전력은 부하 임피던스와 정합 및 조절 관계를 갖습니다. 정격 부하 임피던스가 변하면 테스트 대상 장치의 실제 출력 상태도 그에 따라 변합니다.

정격 출력 100W / 500Ω / 4MHz의 경우, 이상적인 시험 조건은 부하 임피던스(Zload) 500Ω입니다. 실제 시험에서는 표피 효과, 기생 파라미터 및 방사 결합으로 인해 부하가 다음과 같이 동작할 수 있습니다.

Zactual = 520 Ω + j40 Ω

이 시점에서 시험 대상 장치가 받는 부하는 더 이상 순수한 500Ω 저항이 아닙니다. 이로 인해 전기수술 장치의 출력 전압이 증가 또는 감소하거나, 출력 전류가 변하거나, 출력단의 정합 상태가 변동하거나, 실제 유효 전력이 정격 부하 조건에서의 전력과 달라지거나, 분석기에 표시되는 전력이 실제 부하 흡수 전력과 일치하지 않을 수 있습니다. 궁극적으로 이는 IEC 60601-2-2에 따른 정격 출력 전력 판단 기준에 영향을 미칩니다.

부하 변동으로 인한 오차는 두 가지 측면에서 발생한다는 점에 유의해야 합니다. 첫째, 전압 및 전류 샘플링 체인에서 얻은 측정값이 실제 유효 전력과 차이를 보입니다. 둘째, 테스트 대상 장치의 전력 조절 또는 정합 상태가 변합니다. 따라서 후속 오차 분석에서는 분석기 표시값을 수정하는 것뿐만 아니라 테스트 대상 샘플이 명시된 정격 부하 작동 지점을 유지하고 있는지 여부도 확인해야 합니다.

7. 종합 등가 모델

4MHz 전기수술 테스트 시스템을 보다 정확하게 설명하기 위해 정격 부하 저항은 고주파 공학에서 사용되는 복소 임피던스 모델링 접근 방식을 참조하여 모델링할 수 있습니다. 정격 부하는 주파수, 전력, 온도 및 형상에 의해 공동으로 영향을 받는 복합 전자기 부하로 처리할 수 있습니다[10].

Zactual(f, P, T, G) = Rdc + ΔRskin(f) + ΔRthermal(P,T) + jωLparasitic(G) + 1/(jωCparasitic(G)) + Zradiation(f,G)

여기서 f는 동작 주파수, P는 출력 전력, T는 부하 온도, G는 저항기 형상 및 테스트 루프 구조입니다. Rdc는 직류 공칭 저항이고, ΔRskin(f)는 표피 효과로 인한 교류 저항 변화이며, ΔRthermal(P,T)는 전력 및 온도 상승으로 인한 저항 드리프트입니다. Lparasitic(G)는 구조 및 연결로 인한 기생 인덕턴스이고, Cparasitic(G)는 구조 및 환경으로 인한 기생 커패시턴스이며, Zradiation(f,G)는 방사 결합에 대한 등가 항입니다.

실제 유효 전력은 순간 전력 적분을 사용하여 계산해야 합니다.

Pactive = (1/T) ∫0^T u(t)i(t)dt

비정현파, 변조파 및 펄스파의 경우, 이 방법은 전압 및 전류 파형과 위상 관계까지 고려하기 때문에 단순한 U²/R 계산보다 더 타당합니다. 포괄적인 등가 모델은 그림 7에 나와 있습니다.

공학적 구현에서 고주파 LCR 미터 또는 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 1, 2, 3, 4 및 5MHz에서 임피던스를 스캔하고 R, Lp 및 Cp와 같은 파라미터를 추출하여 부하 데이터베이스를 구축할 수 있습니다. 4MHz 전력 테스트에서 이 데이터베이스는 동기 전압-전류 샘플링 결과와 결합하여 복소 임피던스 및 위상차가 유효 전력 계산에 미치는 영향을 보정할 수 있습니다[3]. 동시에 오실로스코프 기반 전기수술 분석기에 대한 연구에서는 고대역폭 파형 획득을 사용하여 출력 파형, 주파수 및 전력 파라미터를 동기적으로 관찰할 수 있으므로 비정현파 또는 펄스 변조 출력에 대한 전력 평가를 지원할 수 있음을 보여줍니다[4].

8. 실험적 검증 방안

8.1 4 MHz에서 다양한 저항 형태의 임피던스 테스트

본 실험의 목적은 동일한 공칭 저항값을 갖는 다양한 저항기 형태가 4MHz에서 임피던스 차이를 나타내는지 확인하는 것이다. 실험 대상에는 권선형 전력 저항기, 시멘트 저항기, 일반 고출력 저항기, 금속막 저항 어레이, 후막 비유도성 저항기 및 동축 RF 부하가 포함된다. 실험 변수에는 직류 저항 Rdc, 4MHz 임피던스 크기 |Z|, 4MHz 위상각 θ, 등가 직렬 저항 ESR, 등가 직렬 인덕턴스 ESL, 등가 병렬 커패시턴스 EPC 및 가열 전후의 임피던스 변화가 포함된다.

8.2 강한 고주파 전기수술 자극 하에서의 부하 변동 시험

본 실험의 목적은 4MHz 전기수술 장치에서 발생하는 실제 강한 여기 자극 하에서 부하가 동적으로 변화하는지 여부를 확인하는 것이다. 제안된 방법은 전기수술 장치를 일반적인 출력 모드로 설정하고, 다양한 형태의 500Ω 부하 또는 제조사에서 명시한 정격 부하를 연결한 후, 출력 전과 출력 후 10초, 30초, 60초 시점에 부하의 온도 및 임피던스 변화를 기록하고, 서로 다른 부하 구조에 따른 전력 측정값의 드리프트를 비교하는 것이다.

8.3 테스트 루프 방사 결합 실험

본 실험의 목적은 테스트 루프 방사 및 커플링이 전력 측정값에 미치는 영향을 검증하는 것입니다. 변수에는 출력선 길이, 출력 도체와 귀환 도체 사이의 거리, 일반 전선/연선/동축 케이블 사용 여부, 개방 부하/차폐 부하 사용 여부, 부하와 분석기 사이의 거리, 접지 방식 및 근거리장계 프로브 모니터링 조건이 포함됩니다. 기록되는 매개변수에는 분석기 표시 전력, 전압 파형, 전류 파형, 위상차, 근거리장계 방사 강도, 반복 오차 및 순간 전력 적분 결과가 포함됩니다.

8.4 최적화된 하중 구조에 대한 검증 실험

본 실험의 목적은 저인덕턴스, 동축 및 차폐 설계가 시험 정확도를 향상시킬 수 있는지 검증하는 것입니다. 비교 대상은 일반 전선과 일반 저항, 단선과 비유도성 저항, 동축 연결과 비유도성 부하, 그리고 동축 RF 부하와 차폐 구조의 네 가지 구성입니다. 평가 지표로는 전력 오차, 반복성, 위상각, 부하 온도 상승 및 근거리 복사 강도를 고려했습니다.

8.5 임피던스 스캐닝 및 동적 보상 검증

본 실험의 목적은 고주파 임피던스 특성 분석 및 동적 보상이 전력 측정 정확도를 향상시키는지 검증하는 것입니다. 1~5MHz 대역에서 임피던스 크기, 위상각 및 온도 드리프트 측정을 위해 500Ω 정밀 기준 부하와 다양한 구조 부하를 선택할 수 있습니다. 그런 다음, 일반적인 출력 전력 조건에서 4MHz로 동기 전압-전류 샘플링을 수행하여 보상 전후의 전력 측정값, 위상 오차 및 반복성을 비교합니다. 동기 샘플링 부분은 오실로스코프 분석기와 결합하여 비정현파, 펄스 변조파 및 높은 크레스트 팩터 파형을 파형 레벨에서 기록할 수 있습니다. 실험에서는 단일 전력 측정값만을 기준으로 삼아서는 안 되며, 부하 배치, 케이블 경로, 접지 방식 및 차폐 조건도 함께 기록해야 합니다.

테스트 시스템 최적화를 위한 9가지 권장 사항

9.1 정격 부하는 4MHz에서 교정해야 합니다.

4MHz 고주파 전기수술 장치의 경우, 정격 부하 저항은 직류 저항 교정 결과뿐만 아니라 작동 주파수에서의 고주파 파라미터도 제공해야 합니다. 이러한 파라미터에는 4MHz 임피던스 크기, 4MHz 위상각, 등가 직렬 저항, 등가 직렬 인덕턴스, 등가 병렬 커패시턴스, 정격 출력에서의 온도 상승 드리프트, 측정 불확실성 및 권장 배선 방법이 포함됩니다.

권장 표기 사항: 500 Ω, 4 MHz에서의 |Z| = xxx Ω, 위상각 = xx°, 정격 전력 = xxx W, 온도 상승 드리프트 = xx%, 불확실성 = xx%.

9.2 저인덕턴스 비유도성 또는 동축 부하가 바람직합니다.

4MHz 전기수술 검사에는 권선 저항기 및 구조가 불분명한 고출력 저항기를 사용해서는 안 됩니다. 권장되는 옵션으로는 후막 비유도성 저항기, 금속막 저인덕턴스 저항기 어레이, 동축 RF 부하, 유냉식 또는 수냉식 비유도성 부하, 루프 면적이 작은 부하 구조 및 차폐 부하 모듈이 있습니다.

9.3 테스트 루프에서의 방사 결합을 제어해야 합니다.

출력 및 귀환 도체는 가능한 한 가깝게 유지하고, 동축 연결을 선호하며, 케이블 길이를 줄이고, 넓은 면적의 개방 루프를 피하고, 부하 모듈은 금속 차폐 인클로저를 사용하고, 샘플링 와이어는 전력선과 분리하거나 차폐하고, 접지를 표준화하고, 케이블 위치를 고정하고, 필요한 경우 근거리장 프로브를 사용하여 테스트 루프 방사를 모니터링하는 것이 좋습니다. 최적화된 시스템 구조는 그림 11에 나와 있습니다.

9.4 전력 계산에는 순간 전력 적분법을 사용해야 합니다.

4MHz 전기수술 장비, 특히 변조 출력 및 펄스 출력 모드에서는 P = U^2/R 공식에만 의존하는 것은 권장되지 않습니다. 보다 합리적인 방법은 전압 및 전류 파형을 동기적으로 측정하여 Pactive = (1/T)∫u(t)i(t)dt를 계산하는 것입니다. 이 방법은 위상차, 비정현파 파형 및 과도 변동을 고려할 수 있으며, 고주파 전기수술 장비의 실제 출력 전력을 평가하는 데 더 적합합니다.

9.5 테스트 오류 발생 원인 및 부하 적용 범위 요약

표 2. 4MHz 전기수술 장치의 출력 전력 테스트에서 발생하는 오류 원인 요약

9.6 시험 보고서에는 등가 부하 조건을 기록해야 합니다.

시험 보고서에는 정격 부하의 직류 저항, 4MHz 임피던스 크기, 위상각, 연결선 길이, 차폐 방법, 부하 온도 상승 및 교정 날짜를 추가로 기록하는 것이 좋습니다. 변조 또는 펄스 출력 모드의 경우, 전력 계산에 실효값 모델, U²/R 모델 또는 동기 전압-전류 적분 모델 중 어떤 모델을 사용했는지도 명시해야 합니다. 이러한 기록은 서로 다른 실험실, 서로 다른 전기수술 분석기 및 서로 다른 부하 구조 간의 결과를 비교하는 데 도움이 됩니다.

10 토론

본 논문의 핵심 주장은 4MHz 전기수술 장비의 시험 오차가 단순히 전기수술 분석기의 정확도 부족 때문이라고만 볼 수 없다는 것입니다. 고주파, 고출력 여기 조건에서 시험 시스템의 정격 부하 저항은 시험 결과에 영향을 미치는 주요 요인이 됩니다. 기존의 동적 보상 연구 및 오실로스코프 기반 분석기 연구와 비교하여, 본 논문은 부하 자체, 시험 루프 및 시험 대상 장비의 동작점 간의 커플링 관계에 더 큰 비중을 두고, 부하 등가성을 정확한 전력 시험의 필수 조건으로 간주합니다.

첫째, 표피 효과로 인해 저항기의 교류 등가 저항값이 직류 공칭값에서 벗어나게 됩니다. 4MHz 고주파 출력에서는 전류 분포가 더 이상 균일하지 않으며, 저항기 단자, 연결판, 저항막 층 등에서 교류 저항 변화가 발생할 수 있습니다. 둘째, 저항기의 형태는 기생 파라미터를 결정합니다. 권선 저항기, 시멘트 저항기, 후막 저항기, 동축 부하는 직류 저항값이 같더라도 4MHz에서의 위상각, 임피던스 크기, 방사 특성이 크게 다를 수 있습니다. 따라서 공칭 저항값이 같다고 해서 고주파 부하 등가성이 동일하다는 의미는 아닙니다.

셋째, 고주파 전기수술 장치 자체가 강력한 고주파 여기원입니다. 실제 테스트 과정에서 부하는 고주파 신호뿐만 아니라 고전압, 고전류, 펄스 변조 및 열 스트레스에도 노출됩니다. 테스트 루프에서 방사 및 근접장 결합이 발생하여 에너지의 일부가 부하 저항에서 완전히 소산되지 않을 수 있습니다. 마지막으로, 정격 부하 왜곡은 분석기 측정값뿐만 아니라 테스트 대상 전기수술 장치의 실제 작동점에도 영향을 미칩니다. 제조업체가 500Ω에서 정격 출력 전력을 명시했지만 테스트 시스템에서 500Ω이 실제로는 주파수에 따라 변하는 복소 임피던스가 되는 경우, 테스트 대상 장치는 표준에서 요구하는 의미의 정격 부하 상태가 아닙니다. 따라서 결과적인 출력 전력 판단에 체계적인 편향이 포함될 수 있습니다.

따라서 4MHz 전기수술 장비 테스트는 "기기 판독값의 정확도"에서 부하 등가성, 루프 전자기 호환성 및 전력 측정 방법에 대한 종합적인 평가로 확장되어야 합니다.

11 결론

본 논문은 강한 고주파 전기수술 자극 하에서 4MHz 전기수술 출력 전력 테스트 시 발생하는 데이터 정확도 문제를 저항 표피 효과, 저항 구조 형태, 테스트 루프 내 방사 결합이라는 세 가지 관점에서 체계적으로 분석한다.

본 연구는 4MHz의 고주파 조건에서 정격 부하 저항을 더 이상 이상적인 순수 저항으로 간주해서는 안 된다는 것을 보여줍니다. 표피 효과의 영향으로 AC 등가 저항이 DC 공칭 값에서 벗어날 수 있습니다. 저항의 형태와 장착 구조의 영향으로 부하는 기생 인덕턴스와 기생 커패시턴스를 발생시킵니다. 강한 고주파 전기수술 여기의 영향으로 테스트 루프는 상당한 방사, 커플링 및 추가 손실을 발생시킬 수 있습니다. 이러한 요인들이 복합적으로 작용하여 정격 부하를 단순한 R 모델에서 복잡한 고주파 복합 전자기 부하 모델로 변환시킵니다.

이 문제는 전기수술 분석기의 전력 측정값뿐만 아니라 테스트 대상 전기수술 장비가 실제로 감지하는 부하 상태에도 영향을 미쳐 IEC 60601-2-2 테스트에서 의존하는 정격 부하 상태에서 벗어나게 합니다. 따라서 4MHz 전기수술 테스트 오류의 본질은 단순한 장비 오류가 아니라 부하 저항, 테스트 루프 및 테스트 대상 샘플이 복합적으로 작용하는 시스템적 오류입니다.

4MHz 전기수술 출력 전력 시험의 정확도와 재현성을 향상시키기 위해서는 정격 부하 저항을 4MHz 고주파 임피던스에 맞게 교정하고, 저인덕턴스 비유도성 저항 또는 동축 RF 부하를 사용하며, 시험 루프 면적을 제어하고, 단선 및 방사 결합을 줄이고, 부하 온도 상승 및 임피던스 드리프트를 모니터링하고, 고주파 LCR 미터 또는 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 부하 파라미터 데이터베이스를 구축하는 것이 좋습니다. 시험 보고서에는 부하 임피던스, 위상각, 배선 방식 및 방사 제어 조건을 기록하고, 동기 전압-전류 샘플링 및 순간 전력 적분을 사용하여 유효 전력을 계산해야 합니다.

요약하자면, 정격 부하 저항을 단순히 "DC 공칭값"이 아닌 "4MHz 동작 주파수에서의 복합 전자기 부하"로 평가해야만 4MHz 전기수술 장치의 실제 출력 성능을 보다 정확하게 반영하고 IEC 60601-2-2 시험 결과의 신뢰성과 비교 가능성을 향상시킬 수 있습니다.

참고: 4MHz 고주파 부하의 비이상성과 방사 결합은 고주파 전자기장, 재료 특성 및 시험 시스템과의 결합과 관련되어 있으므로 추가 연구가 필요합니다. 본 논문은 실제 검사 작업에서 문제점을 파악하고 엔지니어링 검증을 거쳐 실현 가능한 분석 아이디어와 개선 방안을 제시하는 것을 목표로 합니다. 연구 조건 및 이해의 한계로 인해 발생하는 모든 부족한 점은 전문가 및 동료의 비판과 수정을 환영합니다.

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