Выбор резонансных конденсаторов для компенсации паразитных параметров компактного рентгеновского трансформатора

Выбор резонансных конденсаторов для компенсации паразитных параметров компактного рентгеновского трансформатора

Резюме

Компактные источники рентгеновского излучения не оставляют места для большого внешнего резонансного индуктора. Вместо него эту работу могут выполнять индуктивность рассеяния трансформатора и емкость обмотки, но только если они измерены и смоделированы. В этой статье приводятся уравнения эквивалентного колебательного контура, три проблемы измерения и компоновки, а также пять этапов проектирования, позволяющих поддерживать резонансную точку в различных производственных диапазонах.

1. Введение

Мобильные установки цифровой диагностики, системы досмотра на транспортных средствах и портативные С-образные рентгеновские аппараты требуют высоковольтного резонансного преобразования в компактном корпусе. Высокое напряжение и малый объем действуют в противоположных направлениях. Поэтому компактный трансформатор имеет большую индуктивность рассеяния и большую емкость обмоток, чем дискретная лабораторная конструкция, и именно эти два параметра определяют точку резонанса.

Обычно первым шагом является минимизация паразитных составляющих. Внутри компактного высоковольтного трансформатора эта цель недостижима. Вторым шагом является добавление более крупного внешнего резонансного конденсатора для компенсации, что увеличивает объем, приводит к потерям и противоречит цели компактной конструкции.

Третий вариант работает лучше. Рассматриваем индуктивность рассеяния как часть последовательной резонансной индуктивности, а емкость обмотки — как часть параллельной резонансной емкости. В этом случае в колебательном контуре используются уже имеющиеся компоненты. Внешний конденсатор становится меньше, а преобразователь сохраняет эффективность правильно настроенного резонансного каскада.

Такой подход к совместному проектированию предъявляет высокие требования к точности конденсатора: малая емкость, низкие потери и стабильная работа при различных температурах. Он также предъявляет требования к вспомогательным компонентам, поскольку измерительный резистор и выпрямительный диод Необходимо обеспечить одинаковый небольшой объем. В разделах ниже описана модель, практические проблемы и этапы проектирования.

2. Основной механизм

2.1 Эквивалентный резонансный контур

Классическая схема LCC или LLC начинается с идеального трансформатора с нулевым рассеянием и нулевой емкостью обмоток. Затем инженер выбирает внешний резонансный индуктор и два резонансных конденсатора для целевой частоты. Дискретная компоновка допускает такую ​​идеализацию. Компактный высоковольтный трансформатор этого не допускает, поскольку его паразитные параметры сопоставимы по величине с внешними компонентами.

Типичные измеренные значения для компактного высоковольтного трансформатора составляют десятки мкГн индуктивности рассеяния, от десятков до сотен пикофарад емкость обмоток и десятки мОм сопротивление обмоток.

Суммарная последовательная индуктивность включает в себя индуктивность внешнего индуктора и индуктивность рассеяния:

L_s = L_r + L_σ

где L_s — полная последовательная индуктивность, L_r — внешняя последовательная резонансная индуктивность, а L_σ — измеренная индуктивность рассеяния трансформатора.

Суммарная параллельная емкость включает в себя емкость внешнего конденсатора и емкость обмотки:

C_p,total = C_p + C_ext

где C_p,total — общая емкость первичной обмотки трансформатора, C_p — емкость обмотки, а C_ext — внешний параллельный резонансный конденсатор.

Эквивалентная резонансная частота следует из этих двух слагаемых:

f_r = 1 / (2π · √(L_s · C_eq))

где C_eq — последовательное соединение последовательного конденсатора и C_p,total, L_s — общая последовательная индуктивность, а f_r — эквивалентная резонансная частота.

2.2 Пример измеренной расстройки

В ходе испытаний мобильного трансформатора с динамическим диапазоном были измерены индуктивность рассеяния 80 мкГн и емкость обмотки 120 пФ. В первоначальной конструкции использовался внешний индуктор 20 мкГн и последовательный конденсатор 47 нФ. Без учета паразитных составляющих расчетная резонансная частота составила 164 кГц. С учетом рассеяния общая последовательная индуктивность становится 100 мкГн, а резонансная частота падает до 73 кГц. Измеренное значение составило 75 кГц.

Именно из-за этого разрыва невозможно рассчитать размеры компактной конструкции, основываясь только на технических характеристиках. Индуктивность рассеяния высоковольтной обмотки — это не малая поправка, а член первого порядка.

2.3 Паразиты, которые помогают, и паразиты, которые вредят

Индуктивность рассеяния увеличивает индуктивность последовательного резонанса и понижает резонансную частоту. Емкость обмотки увеличивает индуктивность параллельной ветви и повышает её. Оба эффекта заслуживают моделирования, и оба могут быть использованы. Индуктивность рассеяния заменяет часть внешнего индуктора. Емкость обмотки либо поглощается параллельной ветвью, либо компенсируется более крупным внешним конденсатором.

Сопротивление обмотки и эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора не сильно смещают резонансную точку. Однако они снижают добротность контура, что уменьшает амплитуду резонансного тока и снижает запас по напряжению при нулевом переключении. В разделе 4 рассматривается сторона потерь в той же конструкции.

2.4 Почему важны условия измерения

Индуктивность рассеяния и емкость обмотки зависят от частоты измерения, уровня сигнала и температуры обмотки. Скин-эффект увеличивает эффективную индуктивность рассеяния с повышением частоты. Измерение на частоте 1 кГц для одного трансформатора дало 60 мкГн. Для той же обмотки на частоте 100 кГц значение составило 95 мкГн. Схема, рассчитанная на частоту 1 кГц, работала с резонансной точкой, значительно отличающейся от расчетного значения, и окно переключения при нулевом напряжении было практически закрыто.

Рис. 1 — Игнорирование тока утечки трансформатора в 80 мкГн приводит к тому, что частота колебаний компактного контура составляет 164 кГц вместо фактически измеренных 73–75 кГц.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Условия измерения влияют на результат.

Три переменные влияют на измеряемые паразитные параметры: частота, уровень сигнала и температура обмотки. Результаты различаются более чем на 30% в зависимости от условий. Схема, размер которой был определен на основе одного измерения малого сигнала, смещается в реальной рабочей точке, и резонансная частота изменяется вместе с ней. Решение заключается в частотной развертке на уровне, близком к рабочему напряжению, а не в однократном точечном измерении.

Проблема 2: Ограничения по пространству влияют на выбор компонентов.

Объем внутри компактного источника рентгеновского излучения фиксирован. Обычный высоковольтный резонансный конденсатор слишком велик для него. Инженер выбирает меньший компонент, что обычно означает меньшую емкость, меньшее номинальное напряжение или большие потери. Пространство, электрические параметры и надежность образуют треугольник, который трудно удовлетворить одновременно. Проблема касается как измерительного резистора, так и выпрямительного диода.

Проблемная точка 3: Сдвиг резонансной точки в сторону увеличения объемов производства

Два трансформатора, изготовленные по одному и тому же чертежу, могут отличаться по индуктивности рассеяния на ±15–20%, а емкость обмоток варьируется еще больше. Конденсатор, выбранный для типового устройства, подходит для одних устройств и не подходит для других. В одной из программ тестирования мобильных устройств 10% устройств имели настолько сильную индуктивность рассеяния, что снижали резонансную частоту более чем на 5%, что приводило к снижению эффективности более чем на 8%. Производитель добавил экран резонансной точки перед отгрузкой.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Определить характеристики каждого трансформатора на рабочей частоте.

Используйте анализатор импеданса для измерения индуктивности рассеяния, емкости обмотки и индуктивности намагничивания в диапазоне частот от 20 кГц до 200 кГц. На основе этих значений постройте модель с распределенными параметрами в инструменте моделирования. Установите уровень возбуждения близким к реальному рабочему напряжению, равным 1 В среднеквадратичного значения или выше, поскольку при развертке по малому сигналу значение индуктивности рассеяния занижено. Повторите развертку частоты, чтобы определить значения внешнего конденсатора.

Стратегия 2: Использование высокодобротного, термостабильного диэлектрика.

Точность емкости и температурная стабильность определяют, насколько удачной будет конструкция в серийном производстве. Керамика класса I, например, N4700 Это дает коэффициент DF ниже 0.1% и температурный коэффициент ±30 ppm/°C. Деталь X7R в том же положении работает с коэффициентом DF около 2.5% и ±15% в зависимости от температуры, что на три порядка хуже и достаточно, чтобы сместить резонансную точку по всей партии.

Стратегия 3: Подберите упаковку в соответствии с доступным объемом.

Серия дверных ручек HVCT8G Используется винтовой монтаж M6-M12, предназначен для работы с высоким напряжением, диаметр корпуса составляет от 8 до 30 мм. Его размеры фиксированы, поэтому компоновка должна быть спланирована с учетом его размеров. Для токовой цепи компактным вариантом является планарный резистор с низкой индуктивностью. Высоковольтный каскад завершается выпрямительным диодом в корпусе для поверхностного монтажа или MINI-корпусе.

Стратегия 4: Соедините трансформатор и конденсатор в пару, затем отрегулируйте их параметры.

В процессе производства измерьте резонансную частоту каждой пары трансформатор-конденсатор. Если устройство находится вне зоны допустимых значений, подкорректируйте его характеристики с помощью небольшого параллельного конденсатора емкостью от 10 пФ до 100 пФ или отрегулируйте зазор сердечника для смещения тока утечки. Использование конденсаторов, подобранных по партии с допуском ±2%, снижает трудозатраты на подгонку и повышает выход годных изделий.

Стратегия 5: Минимизируйте размеры элементов датчиков и защиты.

Используйте планарный измерительный резистор с индуктивностью менее 5 нГн и сопротивлением от 0.01 Ом до 0.1 Ом, а также АЦП, обеспечивающий достаточно быструю дискретизацию для определения момента перехода тока через ноль. В качестве ограничителя используйте быстровосстанавливающийся высоковольтный диод с коротким периодом обратного восстановления и низким током утечки. толстопленочный резистор Выполняет функцию демпфирующего элемента, занимая при этом небольшую площадь.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для компактного совместного проектирования контура.

Совместное проектирование работает, когда параметры конденсатора соответствуют модели. Соответствие определяется потерями на частоте переключения и стабильностью при изменении температуры. Компания HVC производит компоненты N4700 для обеих моделей на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент потерь ниже 0.1%. Тангенс угла потерь остается ниже 0.1% на частотах выше 100 кГц, поэтому добротность контура остается выше 1000, а внешний конденсатор не добавляет вторичных потерь, которые могли бы исказить модель колебательного контура.
• TCC ±30 ppm/°C. Емкость изменяется менее чем на 0.35% в диапазоне от −30 °C до +85 °C, поэтому резонансная точка остается в заданном моделью состоянии во всем диапазоне рабочих температур.
• Частицы разряда ниже 5 пКл при напряжении в 1.5–2 раза превышающем номинальное. Вакуумная очистка от пузырьков и эпоксидное формование устраняют пустоты, вызывающие диэлектрическую эрозию, поэтому резонансные параметры сохраняются на протяжении всего срока службы.
• Варианты корпусов для ограниченного объема. Серия HVCT9G с радиальными выводами охватывает корпуса диаметром от 8 до 30 мм с гибкими выводами, а серия дверных ручек предназначена для высоковольтной стороны и крепится винтами.
• Координированные компоненты. Низкоиндуктивные резисторы выборки HVRGHPВместе с резонансным конденсатором для контура, цепи измерения и ограничителя могут быть предусмотрены трубчатые толстопленочные демпфирующие резисторы и быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпуса. Vishay Используются генераторы HVCC, KEMET с радиальными выводами, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV, а также применяются в крупносерийном производстве медицинских генераторов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в измерении паразитных параметров трансформатора, моделировании колебательного контура, подборе конденсаторов и выборе резисторов для измерения параметров. Необходимо предоставить чертеж трансформатора, измеренные индуктивность рассеяния и емкость обмоток, а также диапазон частот переключения. HVC предоставит вам лист подбора с номерами компонентов и данными DF для рабочей частоты в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему измеренная резонансная частота отличается от расчетной?

В расчетах обычно игнорируются индуктивность рассеяния трансформатора и емкость обмоток. На одном из измеренных мобильных трансформаторов DR индуктивность рассеяния в 80 мкГн увеличила общую последовательную индуктивность с 20 мкГн до 100 мкГн, а резонансная точка снизилась со 164 кГц до 73 кГц по сравнению с измеренной 75 кГц. Измерьте обе паразитные величины на рабочей частоте и внесите их в модель.

В2: Могу ли я просто минимизировать индуктивность рассеяния?

В компактном высоковольтном трансформаторе — нет. Высоковольтный зазор занимает место в обмотках, и это пространство превращается в индуктивность рассеяния и емкость обмотки. Чередование обмоток или изменение порядка их расположения может заменить один паразитный эффект другим, но не может устранить оба. Практический подход заключается в измерении выходной мощности обмотки и проектировании контура с учетом этих данных.

В3: Насколько точным должен быть резонансный конденсатор?

Достаточно узкий диапазон регулировки, чтобы разброс характеристик трансформатора не вывел резонансную точку за пределы окна переключения при нулевом напряжении (ZVS). Обычно используется партия с ±2%-ным экранированием. Конденсатор с ±5%-ным экранированием на трансформаторе, индуктивность рассеяния которого уже изменяется на ±20%, оставляет широкое резонансное окно, и шаг регулировки на выходе увеличивается.

В4: Какой вклад вносит низкий коэффициент детерминации в эту конструкцию?

Низкий коэффициент DF обеспечивает высокую добротность контура и большую амплитуду резонансного тока. Это также предотвращает превращение внешнего конденсатора во второй источник потерь, искажающий модель. При DF ниже 0.1% конденсатор близок к идеальному на частоте переключения, поэтому измеренные параметры контура остаются действительными в моделировании.

В5: Требуется ли для обмотки дополнительный внешний конденсатор, подключенный параллельно?

Только если значение стабильно и воспроизводимо. Емкость обмотки изменяется в зависимости от геометрии обмотки и толщины изоляции, поэтому конструкция, основанная исключительно на ней, переносит эти изменения в производство. Обычно емкость обмотки подключают параллельно стабильному конденсатору класса I, так что общая емкость определяется компонентом, а не обмоткой.

В6: Как поддерживать резонансную точку на протяжении всего процесса производства?

Измерьте резонансную частоту каждой пары трансформатор-конденсатор и отрегулируйте отклонения с помощью небольшого промежуточного конденсатора емкостью от 10 пФ до 100 пФ. Используйте конденсаторы, подобранные по партии с точностью ±2%, чтобы уменьшить количество устройств, требующих регулировки. Этап проверки перед отгрузкой обходится дешевле, чем возврат товара на месте эксплуатации.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Дж. К. Джарратано, Р. Г. Ваггенер, Дж. М. Хевези и Р. Дж. Шалек, Сравнение методов определения пикового киловольтажа (кВп) диагностических рентгеновских аппаратов с использованием делителя напряжения, модифицированной кассеты Ардрана-Крукса и спектрометра Ge(Li).Медицинская физика, том 3, № 3, стр. 142-147, 1976. https://doi.org/10.1118/1.594280
8. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
9. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
10. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com