GaN（窒化ガリウム）デバイスによる医療用外部AC/DC電源の小型化

バッテリ技術と低消費電力回路の進歩にもかかわらず、医療用システムは、バッテリのみで動作できる設計が実現困難で、実用的でなく、あるいは受け入れられない多くのアプリケーションの1つです。その代わり、装置は多くの場合、ACラインに直接接続して動作させるか、少なくともバッテリの残量が少なくなったときにACコンセントを使用して動作できなければなりません。

基本的な AC/DC 電源の性能仕様を満たすことに加え、医療用電源は、ガルバニック絶縁、定格電圧、漏れ電流、保護手段（MOP）など、あまり目立たない性能に関する規制上の義務に準拠しなければなりません。これらの基準は、電源や負荷に障害が発生した場合でも、電源ユニットがオペレータや患者を危険にさらさないことを保証するために設けられています。同時に、医療用電源の設計者は、効率を改善し、サイズと重量を削減し続けなければなりません。

この記事では、医療機器における外部AC/DC電源の使用について説明し、関連する規制基準を検討します。その後、設計者がこれらの規格を満たすために使用できる XP Power の製品を紹介するとともに、窒化ガリウム(GaN)パワーデバイスの利点を生かして電源の物理的サイズをほぼ半分まで小型化しました。

電源設計の基本要件

AC/DC電源の選択は、標準的な電源の性能指標から始まります。電源は、公称直流電圧を供給し、その電圧で定格電流を負荷に供給できなければなりません。ユニバーサル電源は、47～63ヘルツ（Hz）の周波数で、広範囲のAC入力電圧（通常、AC85ボルト（VAC）から264VAC）に対応しなければなりません。

これらの入出力電圧および電流定格は重要ですが、電源装置を完全に定義するには不十分です。他の考慮事項は以下のとおりです。

• 起動遅延、起動立ち上がり時間、ホールドアップ時間、ラインおよび負荷レギュレーション、過渡応答、リップルおよびノイズ、オーバーシュートなどの動的性能属性
• 過負荷、短絡、過熱に対する保護
• 電源装置の最大定格電力の関数であり、全負荷点、低負荷点、無負荷点を含む負荷曲線に沿って特定の値を持たなければならない効率要求
• 1に近い力率（PF）で、具体的なPF値は、電力レベルと規制基準の関数
• 電源装置の最大電磁干渉（EMI）/無線周波数干渉（RFI）、および静電放電（ESD）、放射エネルギー、バーストエネルギーイベント、ラインサージ、および磁界に対する感受性を特徴付ける電磁両立性（EMC）
• 入力と出力、入力とアース、出力とアース間の絶縁電圧など、ユーザーと装置を保護するための基本的な要件を定義した安全性

医療用電源の要件

医療用の電源装置を評価する場合、追加規格と規制の義務付けが問題をさらに複雑にします。これらは主に患者とオペレータの安全に関するもので、単一故障や二重故障が発生した場合でも、電源がどちらのリスクにもならないことを保証します。

懸念の多くは、迷走電流や漏れ電流に関するものです。胸部のあたりに標準的なライン電圧（110/230V、50または60Hz）が1秒足らずかかるだけで、最小30mAの電流により心室細動が誘発されてしまいます。心臓カテーテルまたは他の電極などを経由して電流が心臓へ直接流れる場合、1mA（ACまたはDC）以下の低い電流でも心室細動を誘発します。

これらは、皮膚と表面との接触による体内への電流に対してしばしば引用される標準的な閾値であり、体内への接触に対する危険数値は次のようにもっと低くなります。

• 1mA：ほとんど気づかない
• 16mA：平均的な体格の人がつかんだり放したりできる最大電流
• 20mA：呼吸筋が麻痺する
• 100mA：心室細動が発生する閾値
• 2A：心臓が停止し、内臓が損傷する

リスクレベルはまた、胸部を横切ったり、胸部を通ったり、腕から足へと流れる電流の経路のように、身体と接触する2点を流れる電流の経路の関数でもあります。AC絶縁トランスの誘電体絶縁を通過する漏れ電流を最小限に抑えることが重要なのはこのためです。

十分な品質の絶縁があれば、漏れ電流の量は無視できると思われるかもしれません。しかし、この漏れは、絶縁の非完全な性質のために物理的に「漏れる」電流である場合もありますが、例外的な絶縁を横切ることのできる静電容量カップリング電流から生じる場合もあります。

図1に示す理想トランスの簡略化モデルは、1次側と2次側の間が完全にガルバニック絶縁（抵抗絶縁）されている様子を表しています（図1）。

図1：トランスの基本モデルは、1次側から2次側への電流経路がないことを示しています。（画像提供：Power Sources Manufacturers Association）

理想トランスでは、コンポーネントや配線の故障で2次側に新たな電流経路が提供されたとしても、電流がACメインから駆動製品へと直接流れることはなく、ACメインに戻る完全な電流フローループが形成されます。しかし、完璧なトランスは存在せず、1次から2次への巻線間容量が予想されます（図2）。

図2：より現実的なモデルは、1次側と2次側の間の基本的な巻線間容量（C_ps1）を示しています。（画像提供：Power Sources Manufacturers Association）

さらに高度なモデルでは、巻線間容量の発生源が追加されています（図3）。

図3：トランスには、最初の巻線間容量（C_ps1）以外にも容量があります。（画像提供：Power Sources Manufacturers Association）

この望ましくない静電容量はリーク電流を流し、その値は、ワイヤサイズ、巻線パターン、トランス形状といった多くの変数と相関関係があります。その値は、わずか1pFから数µFまでの値になる場合があります。トランスの容量性を基本とした漏れに加えて、プリント回路基板（pc基板）上のスペーシング、接地されたヒートシンクと半導体の間の絶縁、および他のコンポーネント間の寄生も、意図しない静電容量の発生源となります。

静電容量によるトランスのリーク電流だけが、医療電源の安定化への取り組みに対する懸念事項ではありません。基本的なACの安全性と絶縁が優先されます。電圧や電力のレベルによっては、電源には、1次絶縁バリアに加えて、独立した2次絶縁バリアも必要となる場合があります（または、物理的強化絶縁）。絶縁性能も、極端な温度変化や高電圧によるストレス、電圧サージによって経年劣化しますが、それでも定格を満たしている場合があります。

絶縁の最初のレイヤは、一般的に 「基礎絶縁」 と呼ばれます。たとえば、電線の絶縁体です。第2レイヤは、多くの壁用電源やデスクトップ用電源に見られるように、絶縁筐体であることが多くなっています。

規格および保護手段（MoP）

医療エレクトロニクスおよび安全性に関する主要規格はIEC 60601-1です。最新版（第4 )版では、1つ以上の「操作者保護手段」（MOOP）と「患者保護手段」（MOPP）を組み合わせた全体的な保護手段（MOP）を要求することで、患者への焦点を拡大しています。

規制基準もまた、MOOPの提供方法をめぐる保護クラスを設けています。これらはクラスIとクラスIIに指定され、電源の構造と絶縁を規定しています。クラスI製品は、安全アース接地に接続された導電性シャーシを持っています。地域の壁プラグの互換性を簡素化するため、電源装置には、安全アース接地導体付きのユーザーが供給するための電源コード用のIEC320-C14リセプタクルがついています（図4、左）。

対照的に、クラスII電源は、安全アース接続の2線式電源コードを備えています（図4、右）。アースされたシャーシがないため、ユーザーと内部の通電導体との間には2レイヤの絶縁層（または1レイヤの強化絶縁層）があります。

図4：クラスI（左）とクラスII（右）のユニットは、接地された3線式または接地されていない2線式のACライン接続で、多くの場合、標準のIECレセプタクルとユーザーのラインコードで使用されます。（画像提供：XP Power）

その結果、医療用途に指定され、クラスIまたはクラスIIのいずれかに認定されたAC/DC電源は、関連規格に適合するよう特別に設計され、試験されなければなりません。幸いなことに、XP Powerのような電源ベンダーは、これらの基準を満たす電源を提供するために必要な技術、製造、認証の問題を理解しています。

サイズも重要

医療用AC/DC電源に課される技術要件や規制は、物理的なサイズには関係ありませんが、サイズは重要です。大型の電源は、救急車や、移動カートおよび机のスペースが限られている臨床現場のように、スペースに制限がある場所での操作配置を複雑にします。

AC/DC電源のサイズを小型化することは、このような状況では有益ですが、それは難しいことです。最小供給寸法は、絶縁、沿面距離、クリアランスをカバーする規制ガイドラインを遵守する必要性によって制限されます。

電源を小型化するもう1つの問題は放熱です。電源装置の体積とパッケージ表面積が不十分な場合、内部温度は大型な電源装置よりも高くなり、内部の能動部品、受動部品、絶縁部品を劣化させます。強制空冷は、空気の流れが阻害される可能性があり、長期的な信頼性が懸念され、周囲の騒音が増大するため、容認できません。

さらに、発生した熱によって電源ケースの表面温度が許容範囲を超えて上昇し、患者やオペレーターを危険にさらす可能性があります。電源の小型化の鍵は、適切な回路切り替え部品を使用し、発生する熱を最小限に抑えることです。

GaNベースのスイッチングデバイスがシリコン（Si）に対して明確な利点を提供するのはこの点です。より低い直列抵抗、より速いスイッチング時間、より低い逆回復電荷により損失を低減し、より効率的で、より低温で、コンパクトなスイッチング電源を実現します。

その1例がXP-Powerの AQM シリーズの AQM200PS19です。電源の定格は19ボルト/10.6アンペア（A）クラスI動作です。本体の大きさは約167 x 54 x 33ミリメートル（mm）で、この定格を持つ従来の電源の半分、重さはわずか600グラム（g）です（図5）。

図5：AQM200PS19は、最大10.6Aで19ボルトを92%の効率で供給する200ワットのクラスIユニットです。（画像提供：XP Power）

この外部電源は、国際医療規格に完全に適合しています。電気的パラメータには、100マイクロアンペア（µA）未満の患者漏れ電流、92%の標準的な効率、0.15ワット未満の待機時消費電力、0.9を超えるPFが含まれます。

クラスIとクラスIIの両方のバージョンがあり、0°C～60°Cの動作に対応しています。IP22準拠の完全密閉型エンクロージャを採用し、滑らかな表面仕上げにより医療環境でのクリーニングが容易です。

より大電力のシステムには、XP Powerの AQM300PS48-C2あります。AQM300PS48-C2は300ワットのクラスIIユニットで、出力は48ボルト/6.25A、待機時消費電力は0.5ワット以下です。少し大きくなったとはいえ、この電源はわずか183 x 85 x 35mm、重さ1,050gとたいへんコンパクトです。

XP Powerは、250ワット定格で、待機時消費電力0.15ワット以下の24ボルト/10.4Aのクラス1電源 AQM250PS24を提供しています。そのサイズは172 x 67.1 x 32mmです。

まとめ

医療機器用の外付けの自己完結型AC/DC電源は、厳しい規制、運用、性能、安全性、および効率の要件を満たさなければなりません。XP Powerの医療用定格外部電源AQMシリーズは、GaNデバイスを使用し、従来のSiユニットの半分の大きさのパッケージを実現しました。