呼吸机涡轮变速运动中维持母线电压稳定关键技术优化研究

【作 者】张耀东，岳海振

1 北京谊安医疗系统股份有限公司，北京市，100070

2 北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科/恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室，北京市，100142

0 引言

呼吸机是一种生命支持类设备，在呼吸系统疾病的治疗中有着非常重要的作用[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]人类社会面临突如其来的重大疫情考验时，呼吸机在感染患者的治疗过程中起着至关重要的作用。因此，针对各种临床应用环境下的呼吸机性能的改良和优化的研究日益突出[7]。出于便携性和普适性的目的，主流呼吸机一般使用涡轮方式驱动，而涡轮一般使用高转速无刷直流电机（brushless direct current motor,BLDCM），呼吸机高频次工作时涡轮会处于频繁的加速与刹车状态。临床应用中，呼吸机对涡轮的转速要求较高，基本在每分钟5 000到10万转之间。为了达到合适的压力从待速（一般低于5 000 r/min）开始，加速过程应小于100 ms，这就要求母线提供数倍于涡轮额定电流的加速电流。在涡轮加速过程会产生瞬时大电流消耗，要求降低母线电压阻抗；减速过程中则需要释放大量的能量，如果刹车过快会导致母线电压急速抬升，进而影响呼吸机效能。因此，如何维持涡轮加减速过程母线电压稳定，降低母线阻抗，是呼吸机涡轮驱动的难点。

山东大学研究者周文豹[8]在其硕士毕业论文中重点探讨了家用呼吸机中无刷直流电机控制器的设计与实现方法；研究者苏光义[9]对呼吸机电路气路设计与风机控制方案进行了进一步优化改良，其中电路部分以半导体ST32位ARM微控制器（STM32F405）为主；同时，业内从事硬件开发的研究者对高性能呼吸机涡轮控制器优化升级[10-12]也有涉及，但暂未专门针对呼吸机涡轮驱动中加减速问题提出有效的解决方案。

针对涡轮驱动呼吸机面临的问题，结合应对重大突发疫情中呼吸机的高度依赖和满负荷运转的现实需求，同时着眼于便携式呼吸机在其他无创型、有自主呼吸患者短暂辅助呼吸和信号采集等临床应用环境中的扩展应用考虑，本研究提出通过在母线增加对比泄放电路的方式达到维持母线电压稳定的目的，从而解决呼吸机加减速状态下的驱动难点，以便于在其他应用环境中的扩展。

1 材料与方法

呼吸机涡轮电路常规设计中，母线采用一个普通二极管以防止涡轮刹车时的反电动势灌入前端母线电压源。二极管正向导通时产生0.5 V至0.7 V的压降，且导通压降与电流变化幅度相关，同时导致母线损耗增大。为消除抬升的反电动势，常规设计中在母线上并联一个功率瞬态抑制二极管（TVS），当母线电压超过TVS击穿电压后发生雪崩击穿，瞬时短路泄放能量，将电压钳位在预设电压。TVS属于损耗器件，呼吸机工作中每个呼吸周期都会导致TVS击穿，且击穿电压与钳位电压不完全等值，这将影响呼吸机稳定性与使用寿命。

本方案采用理想二极管替代常规二极管，增加比较泄放电路以维持母线电压稳定性。呼吸机涡轮常规方案与优化方案对比，如图1所示。

图1 呼吸机涡轮常规方案与优化方案对比Fig.1 Comparison of conventional and optimized schemes for ventilator turbines

1.1 理想二极管设计方案

本设计第一个重要改进在于将二极管更换为理想二极管，即使用MOS管驱动器加N沟道MOS管替代二极管。理想二极管控制MOS管两端的压降保持在30 mV，功率N沟道MOS的直流阻抗Rds可以小于2 mΩ。图2为使用理想二极管驱动器LT4359（U17）驱动功率N沟道MOS管（Q7）的设计方案。

图2 理想二极管替代方案电路图Fig.2 Ideal diode alternative circuit diagram

上述优化方案中，硬件测试时驱动涡轮以5 000 r/min和40 000 r/min的转速分别运行2 s，常温下连续运行24 h，MOS管和理想二极管表面最高温度分别为43oC和80oC，其损耗对照曲线如图3所示，说明理想二极管性能优势较为明显。

图3 理想二极管与常规二极管损耗对照曲线Fig.3 Ideal diode and conventional diode loss control curve

1.2 泄放电路设计

涡轮在呼气时需要立即降到低速PEEP值的转速，高速到低速的切换时间要求尽量短，否则病人会出现呼气不顺畅，增加人机对抗的风险。因此，性能较好的呼吸机一般会将降速过程控制在100 ms之内。这个过程，涡轮由电动机变为发电机，产生的反电动势与母线电压叠加，导致母线电压抬升。理想二极管替代方案可有效防止母线电压的电源端触发保护。但理想二极管具有单向性，这部分能量不能通过电源电压释放，只能通过涡轮驱动器或涡轮释放，这可能会触发驱动器保护，并且导致涡轮寿命降低，延长制动过程。

本方案在理想二极管后端的母线电压上增加一个比较泄放电路。涡轮刹车时产生的高压可通过泄放电路释放，从而维持母线电压稳定。泄放电压的限值略高于母线电压，避免泄放电路持续工作，防止涡轮正常工作状态下对母线电压的消耗。

本优化方案中，当母线电压高于25.4 V时（正常工作母线电压为24 V），启动泄放电路工作，泄放电流等于母线电压Vm/ (R155//R156) 。比较器的参考电压Vref设定在10 V，本设计中使用LM4040-10精密稳压器，Vref的设定值与母线电压有关，尽量工作在比较器供电电压的中间值附件，本方案的比机器供电电压就是母线电压，正常母线电压24 V，所以参考值选取10 V，这样比较电路可以最优工作，这是从误差计算的角度出发的。设定泄放电压为Vd，则，设 定，固定电阻定R151为10 kΩ，可根据公式计算得电阻R153的值。查询E96与E24系列电阻R153的值，选取最接近R153的电阻值，然后验证Vd值是否满足要求。本研究按照1%的精度选择电阻，并按照最大误差进行计算，使两个极端下Vd值高于正常工作母线电压，同时又使Vd值不高于母线电压太多。

图4 泄放电路Fig.4 Bleed-off circuit

按照上述方案设计电路，当涡轮刹车时，母线电压高于25.4 V时，比较器打开，刹车产生的能量通过功率电阻R155和R156进行泄放。当母线电压低于25.4 V时比较器关闭，D29二极管起到加速关闭的作用，将MOS管Q9关闭，泄放路径关闭。如果担心反电动势继续反弹，使泄放电路频繁启动，可以采用迟滞比较器，将R154选取为一个合适的电阻值，这里不再赘述。

2 结果

2.1 理想二极管方案

二极管消耗峰值功率Pmax和额定功率Pe计算公式为Pmax=Ipeak×Vdrop，Pe=Ie×Ve。对于常规涡轮（电压24 V，功率72 W），加速时峰值电流Ipeak可以达到8～10 A，二极管的典型压降Vdrop为0.5 V，加速过程结束后则由上述公式可知，常规涡轮设计中，Pmax为5 W，Pe为1.5 W。

对于改进方案，消耗的峰值功耗Pmax仅为0.3 W，额定损耗Pe则小于0.09 W，较大程度上降低了Pmax和Pe，保证了涡轮加速过程母线电压稳定性并有效降低了热耗。

2.2 泄放电路

增加泄放电路前后重要参数对比，如表1所示，其中第二项为设备运行24 h后泄放电路器件表面温度。

表1 增设泄放电路后与原设计方案关键技术参数对比Tab.1 Comparison of key technical parameters of the design scheme before and after the addition of relief circuit

增加泄放电路后，涡轮减速过程中母线电压的波动较小，减速过程中产生的能量亦可通过功率电阻消耗，这保护了涡轮以及驱动器。

3 结论

涡轮呼吸机对治疗新冠疫情发挥了重要作用，涡轮是呼吸机的控制执行机构，涡轮控制系统的稳定性决定了呼吸机的功能是否可得到有效发挥。涡轮控制的关键点在于涡轮的加减速，而频繁加减速势必造成母线电压的非正常波动，当波动超出驱动器的能力范围时就会导致故障停机，甚至损坏涡轮或者驱动器，危及患者生命安全，甚至对重大疫情控制工作带来隐患。

本研究通过用理想二极管替代常规二极管和增加泄放电路等优化方案，可有效地降低母线阻抗，大大降低涡轮加速时母线提供瞬时大电流所带来的损耗，同时保证单向性，维持减速过程中的母线电压的稳定。本优化方案最终可使涡轮的加减速发挥最大效能，从而使呼吸机的压力控制和流量控制达到最优，实现呼吸机的快速切换和触发，减少人机对抗风险，便于设备在其他临床应用环境中的扩展应用。