ITTO20070044A1 - DEVICE FOR THE GENERATION OF CONTROLLABLE VOLTAGE PULSES THROUGH SOLID SWITCHES AND APPLICABLE TO THE HUMAN BODY - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione è relativa ad un dispositivo per la generazione di impulsi di tensione controllabili mediante dispositivi interruttori allo stato solido ed applicabili al corpo umano. The present invention relates to a device for generating voltage pulses controllable by solid state switching devices and applicable to the human body.
E' noto applicare impulsi di tensione al corpo umano al fine di realizzare un campo elettrico pulsante che produce degli effetti terapeutici nei tessuti irradiati. It is known to apply voltage pulses to the human body in order to create a pulsating electric field that produces therapeutic effects in the irradiated tissues.
Ad esempio, il trattamento di elettro-porazione consiste nell'applicare ai tessuti impulsi di tensione aventi ampiezza tale da realizzare un campo elettrico che determina un'alterazione delle membrane cellulari aprendone i pori in maniera superiore al normale. L'alterazione della membrana cellulare viene quindi utilizzata per veicolare, all'interno della cellula, delle sostanze chimiche (ad esempio dei farmaci) e/o della materia organica (ad esempio delle proteine, delle porzioni di DNA, ecc.). For example, the electroporation treatment consists in applying voltage pulses to the tissues having an amplitude such as to create an electric field which causes an alteration of the cell membranes by opening their pores to a greater degree than normal. The alteration of the cell membrane is then used to convey, inside the cell, chemical substances (for example drugs) and / or organic matter (for example proteins, portions of DNA, etc.).
Tipicamente, i procedimenti di elettro-porazione vengono realizzati utilizzando un generatore di un treno di impulsi di tensione che viene collegato in uscita con elettrodi conduttivi applicati al tessuto. Typically, the electro-poration processes are carried out using a generator of a train of voltage pulses which is connected at the output with conductive electrodes applied to the tissue.
La generazione del treno di impulsi viene normalmente realizzata utilizzando dei dispositivi interruttori allo stato solido (es. IGBT o MOSFET), che parzializzano una tensione continua ottenuta mediante un generatore di tensione, ad esempio costituito da una batteria di condensatori. The generation of the pulse train is normally carried out using solid state switching devices (eg IGBT or MOSFET), which choke a direct voltage obtained by means of a voltage generator, for example consisting of a capacitor bank.
I dispositivi interruttori allo stato solido permettono di controllare nel tempo in maniera molto precisa la connessione elettrica fra gli elettrodi ed il generatore di tensione, tuttavia essi sono intrinsecamente sensibili a: Solid state switch devices allow the electrical connection between the electrodes and the voltage generator to be controlled in a very precise way over time, however they are intrinsically sensitive to:
- sovratensioni che possono determinarsi ai capi della giunzione e che “ possono perforarla” irreversibilmente; e - overvoltages which can occur at the ends of the junction and which can irreversibly “perforate” it; And
eccessiva dissipazione di energia nella giunzione stessa, che può determinare la fusione del silicio e quindi nuovamente un danno irreversibile. excessive dissipation of energy in the junction itself, which can lead to the melting of the silicon and therefore irreversible damage again.
Inoltre, quando il trattamento di elettroporazione richiede l'applicazione di tensioni elevate (500 V può essere assunto come soglia di riferimento), l'eventualità che si abbiano scintille agli elettrodi è piuttosto frequente per i seguenti motivi: Furthermore, when the electroporation treatment requires the application of high voltages (500 V can be taken as a reference threshold), the possibility of sparking at the electrodes is quite frequent for the following reasons:
per la natura stessa dei tessuti che sono intrinsecamente non omogenei e presentano conducibilità variabile nel tempo e nello spazio (la conducibilità dipende infatti dal grado di idratazione e dal tipo di tessuto e può variare in base alla tensione applicata); due to the very nature of the tissues which are intrinsically inhomogeneous and have variable conductivity over time and space (conductivity in fact depends on the degree of hydration and the type of fabric and can vary according to the applied voltage);
per la variabilità dell'interfaccia di contatto fra gli elettrodi ed il tessuto in quanto, in corrispondenza dell'interfaccia, si possono avviare processi di elettrolisi con formazione di bolle di gas (idrogeno) che modificano la conducibilità dell'interfaccia; e due to the variability of the contact interface between the electrodes and the tissue since, at the interface, electrolysis processes can be started with the formation of gas bubbles (hydrogen) which modify the conductivity of the interface; And
per fattori umani: gli elettrodi possono inavvertitamente essere portati a contatto o essere disposti eccessivamente vicini fra loro. due to human factors: the electrodes may inadvertently be brought into contact or placed excessively close together.
In assenza di opportune precauzioni le conseguenze di una scintilla o di un cortocircuito possono essere molto gravi, sia perché possono determinare la rottura del dispositivo interruttore allo stato solido utilizzato, sia perché possono determinare un danno ai tessuti ed eventuali complicazioni nel decorso post-trattamento. In particolare, se non vengono implementate misure di protezione, la rottura del dispositivo interruttore allo stato solido può determinare seri danni al tessuto in quanto la modalità di rottura della giunzione è frequentemente un cortocircuito che determina una connessione irreversibile e diretta fra il generatore di tensione ed il tessuto, e conseguentemente una dissipazione di energia nel tessuto che è limitata soltanto dalla potenza che il generatore di tensione è in grado di erogare. In the absence of appropriate precautions, the consequences of a spark or a short circuit can be very serious, both because they can cause the breaking of the solid state switch device used, and because they can cause tissue damage and possible complications in the post-treatment course. In particular, if protection measures are not implemented, the breaking of the solid state switch device can cause serious damage to the tissue since the junction breaking mode is frequently a short circuit which determines an irreversible and direct connection between the voltage source and the tissue, and consequently a dissipation of energy in the tissue which is limited only by the power that the voltage generator is able to deliver.
Al fine di ovviare agli inconvenienti sopra esposti, sono stati realizzati dei dispositivi di protezione atti a rilevare una condizione di sovracorrente (dovuta, ad esempio, a cortocircuito o scintilla) ed interrompere automaticamente la generazione degli impulsi di tensione. In order to obviate the aforementioned drawbacks, protection devices have been made to detect an overcurrent condition (due, for example, to a short circuit or spark) and automatically stop the generation of voltage pulses.
Un esempio di dispositivo di protezione di tipo noto è illustrato nella figura 1 in cui un dispositivo di controllo 1 pilota un driver 2 il quale, a sua volta, pilota il terminale di controllo (gate) di un interruttore allo stato solido 3, in questo caso costituto da un IGBT. An example of a known type of protection device is illustrated in Figure 1 in which a control device 1 drives a driver 2 which, in turn, drives the control terminal (gate) of a solid state switch 3, in this case consisting of an IGBT.
Il driver 2 è in grado di rilevare la condizione di corto circuito, o comunque una sovracorrente, ed interrompere automaticamente l'erogazione dell'impulso di comando all'IGBT 3. The driver 2 is able to detect the short circuit condition, or in any case an overcurrent, and automatically interrupt the delivery of the command impulse to the IGBT 3.
Con maggior dettaglio, il driver 2 rileva la differenza di tensione Vce tra collettore ed emettitore dell'IGBT 3 mediante un diodo 4 e quando la differenza di tensione Vce supera una determinata soglia, viene rilevata una condizione in cui l'IGBT lavora in modo lineare cioè non lavora in condizione di saturazione. In greater detail, driver 2 detects the voltage difference Vce between the collector and emitter of the IGBT 3 by means of a diode 4 and when the voltage difference Vce exceeds a certain threshold, a condition is detected in which the IGBT works linearly that is, it does not work in saturation conditions.
Il driver 2 consente così all'IGBT 3 di lavorare in condizioni di non-saturazione per un tempo predeterminato, cioè per il tempo necessario all'IGBT 3 per raggiungere la condizione di saturazione in cui l'IGBT si comporta come un interruttore. The driver 2 thus allows the IGBT 3 to work in non-saturation conditions for a predetermined time, ie for the time necessary for the IGBT 3 to reach the saturation condition in which the IGBT behaves like a switch.
La configurazione sopra evidenziata non consente così di limitare la corrente che viene erogata al carico durante il tempo sopra detto e pertanto durante questo tempo viene dissipata una notevole potenza nella giunzione dell'IGBT, pari alla Vce moltiplicata per la corrente assorbita dal carico. The configuration highlighted above does not thus allow to limit the current that is delivered to the load during the above-mentioned time and therefore during this time a considerable power is dissipated in the IGBT junction, equal to Vce multiplied by the current absorbed by the load.
Pertanto qualora il cortocircuito avvenga nelle condizioni di funzionamento lineare sopra evidenziate, sebbene sia prevista un'apertura automatica dell'IGBT, viene comunque dissipata una potenza rilevante all'interno dell'interruttore elettronico prima che si operi la completa apertura dell'interruttore stesso.Inoltre l'improvvisa interruzione della corrente può determinare una sovratensione ai capi della giunzione, a causa dell'induttanza associata al carico. I driver pertanto implementano una modalità di spegnimento soft” proprio per minimizzare la probabilità che questo accada. Therefore, if the short circuit occurs in the linear operating conditions highlighted above, although an automatic opening of the IGBT is envisaged, a significant power is still dissipated inside the electronic switch before the complete opening of the switch itself takes place. the sudden interruption of the current can cause an overvoltage at the ends of the junction, due to the inductance associated with the load. The drivers therefore implement a "soft shutdown mode" precisely to minimize the likelihood of this happening.
Secondo l'esperienza diretta della richiedente, i dispositivi di protezione di tipo noto, ad esempio del tipo illustrato nella figura 1, non sono sempre sufficienti ad evitare la rottura del dispositivo allo stato solido in caso di cortocircuito e/o scintille. According to the applicant's direct experience, known type protection devices, for example of the type illustrated in Figure 1, are not always sufficient to avoid breaking the solid state device in the event of a short circuit and / or sparks.
Si è quindi costretti ad utilizzare interruttori allo stato solido capaci di sopportare grosse correnti (centinaia di Amperes) ; tali interruttori sono però molto costosi. It is therefore forced to use solid state switches capable of withstanding large currents (hundreds of Amperes); however, such switches are very expensive.
Tra l'altro, in tali applicazioni, per proteggere l'interruttore allo stato solido non è possibile utilizzare un fusibile di protezione dal momento che i normali fusibili presentano dei tempi di risposta troppo elevati per le grosse correnti. Among other things, in such applications, it is not possible to use a protection fuse to protect the solid state switch since normal fuses have too long response times for large currents.
Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo per la generazione di impulsi di tensione controllabili mediante dispositivi interruttori allo stato solido ed applicabili al corpo umano che sia provvisto di un dispositivo di protezione che superi gli inconvenienti dei dispositivi noti della figura 1 e consenta di implementare al suo interno funzioni di protezione senza la necessità di utilizzare fusibili di protezione. The purpose of the present invention is to provide a device for generating voltage pulses controllable by solid state switching devices and applicable to the human body which is provided with a protection device which overcomes the drawbacks of the known devices of Figure 1 and allows to implement internal protection functions without the need to use protection fuses.
Il precedente scopo è raggiunto dalla presente invenzione in quanto essa è relativa ad un dispositivo per la generazione di impulsi di tensione controllabili mediante dispositivi interruttori allo stato solido ed applicabili al corpo umano, del tipo comprendente: un driver atto a generare un segnale di pilotaggio per un interruttore elettronico allo stato solido; almeno un interruttore elettronico allo stato solido azionato in commutazione dal detto segnale di pilotaggio per parzializzare una tensione continua e generare impulsi di tensione alimentati ad elettrodi applicabili ad un tessuto biologico in cui si genera un campo elettrico pulsante; mezzi rilevatori di corrente atti a rilevare l'intensità della corrente alimentata ai detti elettrodi; mezzi di controllo in anello chiuso atti a controllare il detto interruttore elettronico allo stato solido in funzione di valori rilevati della detta corrente, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi di controllo in anello chiuso sono atti a modificare l'ampiezza del segnale di pilotaggio applicato ad un terminale di controllo del detto interruttore elettronico allo stato solido quando il valore della detta corrente si avvicina ad un valore di soglia indicativo di una condizione di funzionamento potenzialmente critica. The previous object is achieved by the present invention as it relates to a device for generating voltage pulses controllable by solid state switching devices and applicable to the human body, of the type comprising: a driver capable of generating a driving signal for a solid state electronic switch; at least one solid-state electronic switch operated in commutation by said driving signal to choke a direct voltage and generate voltage pulses fed to electrodes applicable to a biological tissue in which a pulsating electric field is generated; current detection means adapted to detect the intensity of the current fed to said electrodes; closed-loop control means adapted to control said solid-state electronic switch as a function of measured values of said current, characterized in that said closed-loop control means are adapted to modify the amplitude of the driving signal applied to a control terminal of said solid-state electronic switch when the value of said current approaches a threshold value indicative of a potentially critical operating condition.
L'invenzione sarà ora illustrata con particolare riferimento ai disegni allegati che ne rappresentano una preferita forma di attuazione non limitativa in cui: The invention will now be illustrated with particular reference to the attached drawings which represent a preferred non-limiting embodiment in which:
• la figura 1 illustra un dispositivo per la generazione di impulsi di tensione di tipo noto; e Figure 1 illustrates a device for generating voltage pulses of a known type; And
• la figura 2 illustra lo schema elettrico semplificato di un dispositivo per la generazione di impulsi di tensione controllabili mediante dispositivi interruttori allo stato solido ed applicabili al corpo umano realizzato secondo i dettami della presente invenzione. Figure 2 illustrates the simplified electrical diagram of a device for generating voltage pulses controllable by solid state switching devices and applicable to the human body made according to the dictates of the present invention.
Con riferimento alla figura 2 è indicato con 10, nel suo insieme, un dispositivo per la generazione di impulsi di tensione controllabili mediante dispositivi interruttori allo stato solido ed applicabili al corpo umano realizzato secondo 1'invenzione. With reference to Figure 2, the number 10 indicates, as a whole, a device for generating voltage pulses controllable by solid state switching devices and applicable to the human body made according to the invention.
Il dispositivo 10 comprende un driver 12 (di tipo noto) il quale è atto a generare un adeguato segnale di pilotaggio Pigbt (ad esempio un segnale in tensione ad onda quadra variabile nel range di tensione di pilotaggio caratteristico dell'interruttore utilizzato) per il terminale di controllo 13g (gate) di un interruttore elettronico allo stato solido 13 che, nell'esempio di realizzazione illustrato, è realizzato mediante un transistore IGBT. The device 10 comprises a driver 12 (of known type) which is able to generate an adequate Pigbt driving signal (for example a variable square wave voltage signal in the characteristic driving voltage range of the circuit breaker used) for the terminal control 13g (gate) of a solid state electronic switch 13 which, in the illustrated embodiment example, is realized by means of an IGBT transistor.
In particolare, il transistore IGBT 13 presenta un collettore (c) a cui viene applicata una tensione Vcc prodotta da un generatore di tensione 15 (ad esempio formata da un banco di condensatori) ed un emettitore (e) che comunica attraverso un resistore di shunt 17 con almeno un primo elettrodo 18a applicato ad una porzione di tessuto umano o animale (rappresentata come un resistore di carico 19). E' presente inoltre almeno un secondo elettrodo 18b applicato alla porzione di tessuto umano e collegato al potenziale di riferimento (massa) del generatore di tensione 15. In particular, the IGBT transistor 13 has a collector (c) to which a voltage Vcc produced by a voltage generator 15 is applied (for example formed by a capacitor bank) and an emitter (e) which communicates through a shunt resistor 17 with at least one first electrode 18a applied to a portion of human or animal tissue (represented as a load resistor 19). There is also at least a second electrode 18b applied to the portion of human tissue and connected to the reference potential (ground) of the voltage generator 15.
Il dispositivo 10 è inoltre isolato da terra per garantire la sicurezza del paziente. The device 10 is also isolated from the ground to ensure patient safety.
In questo modo, quando il transistore IGBT 13 è chiuso, la tensione Vcc è applicata tra gli elettrodi 18a, 18b mentre quando il transistore 13 è aperto non viene applicata alcuna tensione tra gli elettrodi 18a, 18b. In questo modo, comandando la commutazione dell'IGBT 13, vengono generati impulsi di tensione applicati agli elettrodi 18a, 18b che producono un campo elettrico pulsante che interessa la porzione di tessuto umano e/o animale. In this way, when the IGBT transistor 13 is closed, the voltage Vcc is applied between the electrodes 18a, 18b while when the transistor 13 is open no voltage is applied between the electrodes 18a, 18b. In this way, by controlling the switching of the IGBT 13, voltage pulses applied to the electrodes 18a, 18b are generated which produce a pulsating electric field which affects the portion of human and / or animal tissue.
Quando il transistore IGBT 13 è chiuso, una corrente di carico le scorre nel tessuto tra gli elettrodi 18a, 18b provocando sul resistore di shunt 17 una caduta di tensione Vc=Ic*Rs (Rs rappresenta il valore di resistenza del resistore di shunt 17) proporzionale al valore della corrente le misurata. When the IGBT transistor 13 is closed, a load current flows in the tissue between the electrodes 18a, 18b causing a voltage drop on the shunt resistor 17 Vc = Ic * Rs (Rs represents the resistance value of the shunt resistor 17) proportional to the value of the current measured.
La tensione Ve viene applicata ad un circuito disaccoppiatore di tensione 20 (di tipo noto) il quale alimenta la tensione Ve ad un ingresso invertente (-) di un amplificatore operazionale 22 attraverso un resistore 24 avente valore di resistenza RI. L'ingresso invertente (-) dell'amplificatore operazionale 22 è collegato con l'uscita dell'amplificatore 22 stesso attraverso un resistore 26 avente valore di resistenza pari a R2. All'ingresso non invertente (+) dell'amplificatore operazionale 22 è applicata una tensione di riferimento Vr che, nella schematizzazione rappresentata, è prelevata da un terminale centrale di un trimmer potenziometrico 28 disposto in parallelo ad un generatore di tensione di riferimento 29 (schematizzato con un resistore ed un diodo zener posti in serie tra di loro) interposto tra la tensione Vcc ed il potenziale di riferimento. The voltage Ve is applied to a voltage decoupler circuit 20 (of known type) which supplies the voltage Ve to an inverting input (-) of an operational amplifier 22 through a resistor 24 having resistance value RI. The inverting input (-) of the operational amplifier 22 is connected to the output of the amplifier 22 itself through a resistor 26 having a resistance value equal to R2. A reference voltage Vr is applied to the non-inverting input (+) of the operational amplifier 22 which, in the diagram shown, is taken from a central terminal of a potentiometric trimmer 28 arranged in parallel to a reference voltage generator 29 (schematized with a resistor and a zener diode placed in series with each other) interposed between the voltage Vcc and the reference potential.
L'uscita dell'amplificatore operazionale 22 alimenta un terminale di controllo (gate) di un primo interruttore elettronico 32 (MOSFET-N) che è interposto tra l'uscita del driver 12 ed il terminale di controllo (gate) dell'IGBT 13. The output of the operational amplifier 22 supplies a control terminal (gate) of a first electronic switch 32 (MOSFET-N) which is interposed between the output of the driver 12 and the control terminal (gate) of the IGBT 13.
Il terminale di controllo (gate) dell'IGBT 13 è inoltre collegato con un primo terminale di un secondo interruttore elettronico 33 (MOSFET-P) avente un secondo terminale collegato con la tensione di riferimento. The control terminal (gate) of the IGBT 13 is also connected to a first terminal of a second electronic switch 33 (MOSFET-P) having a second terminal connected to the reference voltage.
L'uscita dell'amplificatore operazionale 22 è inoltre collegata con il catodo di un diodo zener 31 avente anodo collegato con il terminale 13g. Un diodo schottky 35 è interposto tra il drain del MOSFET-N 32 ed il gate 13g. The output of the operational amplifier 22 is also connected to the cathode of a zener diode 31 having an anode connected to the terminal 13g. A schottky diode 35 is interposed between the drain of the MOSFET-N 32 and the gate 13g.
In questo modo, i due MOSFET 32 e 33 hanno i gates ed i sources in comune. Il drain del MOSFET-N 32 riceve il segnale Pigbt mentre il drain del MOSFET-P 33 è collegato al potenziale negativo della alimentazione . In this way, the two MOSFETs 32 and 33 have gates and sources in common. The drain of the MOSFET-N 32 receives the Pigbt signal while the drain of the MOSFET-P 33 is connected to the negative potential of the power supply.
I gates dei due MOSFET 32 e 33 sono collegati con l'uscita dell'amplificatore 22 mentre il diodo zener 31 è collegato tra i sources e i gates con il catodo rivolto verso i gates. A sua volta il diodo schottky 35 ha l'anodo collegato al source dei due MOSFET 32 e 33 e il catodo che riceve il segnale Pigbt .L'amplificatore 22 assieme alle resistenze 24 e 26 costituisce uno stadio di correzione del segnale di riferimento mentre i due transistor MOSFET 32 e 33 assieme al diodo zener 31 e al diodo schottky 35 costituiscono uno stadio amplificatore che in condizioni normali porta sul gate 13g dell'IGBT 13 il segnale del driver lasciandolo il più possibile inalterato, mentre in caso di corrente eccessiva sul carico 19 (indicativa di una condizione di funzionamento potenzialmente critica) fornisce al gate 13g un segnale opportuno, inferiore al segnale del driver, che ha l'effetto di limitare la corrente che scorre nell'IGBT 13 portandolo fuori dalla saturazione. The gates of the two MOSFETs 32 and 33 are connected to the output of the amplifier 22 while the zener diode 31 is connected between the sources and the gates with the cathode facing the gates. In turn, the schottky diode 35 has the anode connected to the source of the two MOSFETs 32 and 33 and the cathode that receives the Pigbt signal. The amplifier 22 together with the resistors 24 and 26 constitutes a correction stage for the reference signal while the two MOSFET transistors 32 and 33 together with the zener diode 31 and the schottky diode 35 constitute an amplifier stage which in normal conditions carries the driver signal on gate 13g of the IGBT 13 leaving it as much as possible unaltered, while in case of excessive current on the load 19 (indicative of a potentially critical operating condition) supplies gate 13g with a suitable signal, lower than the driver signal, which has the effect of limiting the current flowing in the IGBT 13 taking it out of saturation.
In uso, in condizioni normali di funzionamento il driver 12 genera il segnale di pilotaggio Pigbt che viene applicato al terminale di controllo 13g dell'IGBT attraverso il primo interruttore elettronico 32 che è mantenuto chiuso. In tali condizioni, infatti, la corrente le non assume un valore elevato (ad esempio è compresa nell'intervallo di corrente tipico dell'IGBT o del MOS utilizzato ed è comunque inferiore ad un valore di soglia) e pertanto anche la tensione Ve assume valore ridotto, in particolare essa è molto minore della tensione Vr, cioè Vr>>Vc. In use, under normal operating conditions the driver 12 generates the driving signal Pigbt which is applied to the control terminal 13g of the IGBT through the first electronic switch 32 which is kept closed. In these conditions, in fact, the current le does not assume a high value (for example it is included in the typical current range of the IGBT or MOS used and is in any case lower than a threshold value) and therefore also the voltage Ve takes on a value. reduced, in particular it is much lower than the voltage Vr, that is Vr >> Vc.
In tale condizione, l'uscita dell'amplificatore operazionale 22 assume un valore di saturazione positivo mantenendo pertanto il primo MOSFET-N 32 completamente chiuso. Il secondo MOSFET-P33 è mantenuto completamente aperto in quanto una tensione positiva è applicata fra il suo gate e il suo source, In condizioni di funzionamento potenzialmente critico, cioè in seguito ad una anomala crescita della corrente sul carico 19, la corrente le si avvicina ad un valore di soglia ed anche la tensione Ve cresce avvicinandosi alla tensione Vr. In tali condizioni di funzionamento, l'amplificatore operazionale 22 amplifica il segnale in ingresso e la tensione alla sua uscita Vout assume un valore dettato dalla nota legge: In this condition, the output of the operational amplifier 22 assumes a positive saturation value thus keeping the first MOSFET-N 32 completely closed. The second MOSFET-P33 is kept completely open as a positive voltage is applied between its gate and its source.In potentially critical operating conditions, i.e. following an anomalous growth of the current on the load 19, the current approaches it. to a threshold value and also the voltage Ve increases approaching the voltage Vr. In these operating conditions, the operational amplifier 22 amplifies the input signal and the voltage at its output Vout assumes a value dictated by the known law:
Vout = Vr (Vr -Ve)*(R2/R1) Vout = Vr (Vr -Ve) * (R2 / R1)
cioè that is
Vout = Vr (Vr -Rs*Ic)*(R2/R1) Vout = Vr (Vr -Rs * Ic) * (R2 / R1)
In tali condizioni la resistenza del canale del primo interruttore elettronico 32 (MOSFET-N) aumenta, limitando la corrente che il secondo interruttore 33 assorbe dal driver. Allo stesso tempo la resistenza del canale del secondo interruttore 33 (MOSFET-P) diminuisce. Il secondo interruttore 33 alimenta così la sua corrente ed assorbe cariche dal gate del dispositivo allo stato solido 13, diminuendone la conduttività, e operando così, in anello chiuso, una riduzione della corrente le. In altre parole, nella condizione sopra evidenziata, la coppia di MOS 32 e 33 lavora in regione lineare e ciascun MOS si comporta come un amplificatore avente guadagno inferiore alla unità. In these conditions the resistance of the channel of the first electronic switch 32 (MOSFET-N) increases, limiting the current that the second switch 33 absorbs from the driver. At the same time the resistance of the channel of the second switch 33 (MOSFET-P) decreases. The second switch 33 thus supplies its current and absorbs charges from the gate of the solid state device 13, decreasing its conductivity, and thus operating, in closed loop, a reduction of the current 1a. In other words, in the condition highlighted above, the pair of MOS 32 and 33 works in a linear region and each MOS behaves as an amplifier having a gain lower than unity.
Il sistema di reazione reagisce così alla crescita della corrente diminuendo il segnale di pilotaggio al fine di allontanarsi da una situazione di rischio. The reaction system thus reacts to the increase of the current by decreasing the driving signal in order to move away from a dangerous situation.
Rs viene dimensionata un modo che in condizioni normali il fattore (Vr- RsIc) sia positivo e non prossimo a zero. Il rapporto (R2/R1) che costituisce un guadagno, viene scelto abbastanza grande (R2/Rl> 10) in modo tale che in condizioni normali l'uscita dell'amplificatore operazionale 22 satura, ed il segnale rilevato sul resistore di shunt 17 diviene ininfluente . Rs is dimensioned in such a way that under normal conditions the factor (Vr-RsIc) is positive and not close to zero. The ratio (R2 / R1) which constitutes a gain, is chosen large enough (R2 / Rl> 10) so that in normal conditions the output of the operational amplifier 22 saturates, and the signal detected on the shunt resistor 17 becomes irrelevant.
Quando invece Rsl<3⁄4>Vr, allora Voutdetermina la corrente portata dall'IGBT 13. When instead Rsl <3⁄4> Vr, then Vout determines the current carried by the IGBT 13.
In condizioni di cortocircuito o di scintilla, la corrente le assume un valore elevato (ad esempio può arrivare a centinaia di Amperes ed è comunque di molto superiore al valore di soglia) e pertanto anche la tensione Ve assume valore elevato, in particolare essa è molto maggiore della tensione Vr, cioè Vc>>Vr. In short-circuit or spark conditions, the current assumes a high value (for example it can reach hundreds of Amperes and is in any case much higher than the threshold value) and therefore also the voltage Ve takes on a high value, in particular it is very greater than the voltage Vr, i.e. Vc >> Vr.
In tali condizioni lo stadio di pilotaggio dell'IGBT cerca di limitare il valore di le in modo che sia abbia Ve<3⁄4>Vr o Ve >= Vr. In these conditions the IGBT driving stage tries to limit the value of le so that it has Ve <3⁄4> Vr or Ve> = Vr.
Come spiegato in precedenza, in tale condizione, l'uscita dell'amplificatore operazionale 22 assume un valore tale da provocare una diminuzione di conduttività del MOSFET 32 e un aumento di quella del secondo interruttore elettronico 33 (MOSFET-P). Poiché il secondo transistor 33 è collegato con il potenziale negativo della alimentazione dello stadio, si drena via corrente dal gate dell'IGBT 13. As explained above, in this condition, the output of the operational amplifier 22 assumes a value such as to cause a decrease in conductivity of the MOSFET 32 and an increase in that of the second electronic switch 33 (MOSFET-P). Since the second transistor 33 is connected to the negative potential of the stage power supply, current is drained from the gate of the IGBT 13.
Pertanto, l'abbassamento della tensione sul gate 13g induce 1'IGBT 13 ad uscire dalla saturazione, forzando l'intervento della protezione di cui solitamente il driver 12 è dotato: innescando cioè la modalità di spegnimento “ soft” che nuovamente il driver 12 solitamente attiva in caso di desaturazione dell'IGBT. Therefore, the lowering of the voltage on gate 13g causes the IGBT 13 to come out of saturation, forcing the intervention of the protection usually provided by the driver 12: that is, triggering the "soft" shutdown mode that the driver 12 again usually active in case of IGBT desaturation.
Il dispositivo 10 è inoltre provvisto di un sistema di controllo atto a determinare l'ampiezza temporale Tw di ciascun impulso di tensione alimentato agli elettrodi 18a,18b al fine di agire sul driver 12 per disabilitare il driver 12 stesso e terminare l'impulso qualora l'ampiezza temporale Tw superi un valore limite di soglia Tw-lim. The device 10 is also provided with a control system suitable for determining the temporal amplitude Tw of each voltage pulse fed to the electrodes 18a, 18b in order to act on the driver 12 to disable the driver 12 itself and terminate the pulse if the the temporal amplitude Tw exceeds a threshold limit value Tw-lim.
In questo modo, viene limitata l'ampiezza massima di ciascun impulso al valore Tw-lim a prescindere del segnale di pilotaggio generato dal driver 12 evitando che al paziente venga somministrata più energia del necessario. In this way, the maximum amplitude of each pulse is limited to the Tw-lim value regardless of the driving signal generated by the driver 12, preventing the patient from being supplied with more energy than necessary.
In particolare, il sistema di controllo 40 comprende un temporizzatore 41 (timer) che viene attivato dal passaggio di corrente le nel resistore di shunt 17 (e quindi dal fronte di salita FS di ciascun impulso di tensione rilevato dal sensore di corrente 40). Il temporizzatore 41 controlla così la durata dell'impulso. Il segnale di uscita del timer 41 abilita continuamente attraverso una logica 42 il driver 12 consentendo quindi la continuazione della generazione dell'impulso. In particular, the control system 40 comprises a timer 41 which is activated by the passage of current le in the shunt resistor 17 (and therefore by the rising edge FS of each voltage pulse detected by the current sensor 40). The timer 41 thus controls the duration of the pulse. The output signal of the timer 41 continuously enables the driver 12 through a logic 42, thus allowing the pulse generation to continue.
Qualora l'impulso sia troppo lungo, il timer 41 va in timeout cambiando lo stato della sua uscita e disabilitando attraverso la logica 42 il driver 12 che interrompe così l'impulso. If the pulse is too long, the timer 41 times out, changing the state of its output and disabling the driver 12 through logic 42, which thus interrupts the pulse.
In alternativa il segnale del temporizzatore può essere utilizzato per comandare attraverso un opportuno driver, un secondo dispositivo allo stato solido (non illustrato) posto in serie all'interruttore 13. in questo modo si inserisce una ridondanza che protegge sia contro l'eventualità che il segnale applicato agli elettrodi 18a,18b non sia controllato correttamente, sia che il dispositivo 13 si rompa cortocircuitandosi. Alternatively, the timer signal can be used to control, through a suitable driver, a second solid state device (not shown) placed in series with the switch 13. in this way a redundancy is inserted which protects both against the possibility that the signal applied to the electrodes 18a, 18b is not controlled correctly, even if the device 13 breaks and short-circuits.
I vantaggi della invenzione sono quindi i seguenti : The advantages of the invention are therefore the following:
- protezione dell'elettronica dell'apparecchiatura che utilizza tale sistema di controllo. - protection of the electronics of the equipment that uses this control system.
- protezione del paziente da danni ai tessuti dovuti alla energia che potrebbe essere scaricata in caso di guasto. - protection of the patient from tissue damage due to the energy that could be discharged in the event of a breakdown.
- Possibilità di utilizzare interruttori switch allo stato solido (IGBT o MOS) non sovradimensionati e quindi meno costosi Possibilità di tarare la soglia di intervento del sistema modificando la resistenza di shunt e/o il fattore di amplificazione del sistema di controllo - Introducendo un sistema automatico di temporizzazione sul segnale di pilotaggio si possono interrompere gli impulsi dopo un tempo predeterminato utilizzando il sistema come un fusibile elettronico che agisce su due componenti potenzialmente pericolose: la durata e l'intensità della corrente. Il funzionamento come fusibile elettronico consente di proteggere il sistema e il paziente qualora il firmware del sistema, a causa di disturbi, non fosse più in grado di funzionare correttamente oppure nel caso in cui la protezione del dispositivo allo stato solido non fosse suff:ciente a preservarlo e quindi si rompesse cortocircuitandosi . - Possibility of using solid state switches (IGBT or MOS) that are not oversized and therefore less expensive Possibility of setting the intervention threshold of the system by modifying the shunt resistance and / or the amplification factor of the control system - Introducing an automatic system of timing on the driving signal, the pulses can be interrupted after a predetermined time using the system as an electronic fuse that acts on two potentially dangerous components: the duration and intensity of the current. The operation as an electronic fuse allows to protect the system and the patient if the firmware of the system, due to disturbances, is no longer able to function correctly or if the protection of the solid state device is not sufficient to preserve it and then break and short-circuit.
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