КПД умножителя напряжения для источников питания рентгеновских генераторов

КПД умножителя напряжения для источников питания рентгеновских генераторов

Резюме

Выпрямитель с умножением напряжения достигает постоянного напряжения 150 кВ от низковольтной вторичной обмотки, но каждый добавленный каскад увеличивает выходное сопротивление и переносит потери на конденсаторы и диоды. В этой статье приводятся уравнения просадки, пульсаций и обратного восстановления, три типа отказов, наблюдаемых при цифровой субтракционной ангиографии (DSA) и компьютерной томографии (КТ), а также этапы выбора емкости каскада, диодов, балансировочных резисторов и цифровой компенсации.

1. Введение

Медицинский рентгеновский генератор принимает высокочастотный переменный ток от инверторного моста, повышает его напряжение в высоковольтном трансформаторе и выпрямляет в постоянный ток напряжением от 100 до 150 кВ. Умножитель напряжения подходит для этого выходного каскада, поскольку ни один отдельный выпрямительный блок не блокирует все напряжение.

Умножитель имеет один существенный недостаток. Каждый добавленный каскад увеличивает эквивалентное выходное сопротивление, поэтому источник кажется жестким при малой нагрузке и мягким при большой нагрузке. В 8-каскадном умножителе на 150 кВ общее выходное сопротивление достигает десятков кОм даже при использовании нескольких нФ на каскад.

Вследствие этого возникают две клинические проблемы. При воздействии высокого тока выходной сигнал проседает, а динамический отклик замедляется. Кроме того, заряд распределяется неравномерно между каскадами, поэтому основная нагрузка по току приходится на передние каскады, в то время как на задних каскадах ток нарастает медленно, и пульсации увеличиваются.

Потери не ограничиваются только конденсаторами. Обратное восстановление диодов добавляет потери на каждом фронте переключения, а балансировочные резисторы отводят ток на каждом этапе. В этой статье рассматриваются все три пути потерь и выбор компонентов, которые их ограничивают.

2. Основной механизм

2.1 Выходное сопротивление и количество каскадов

Эквивалентное выходное сопротивление n-каскадного умножителя определяется количеством каскадов, частотой управления и емкостью каскада:

R_out = n / (2π · f · C)

где R_out — эквивалентное выходное сопротивление, n — количество каскадов, f — частота возбуждения, а C — емкость одного каскада. Чем больше каскадов и чем меньше емкость, тем выше внутреннее сопротивление.

Идеальное выходное напряжение получается путем вычитания двух составляющих из вторичной обмотки трансформатора:

V_out = n · 2 · V_peak − ΔV_ripple − ΔV_drop

где V_peak — пиковое напряжение вторичной обмотки, ΔV_ripple — пульсация напряжения, а ΔV_drop — падение напряжения из-за внутреннего сопротивления. Оба параметра зависят от емкости каскада:

ΔV_drop = I_load · n(2n+1) / (6 · f · C)

где I_load — ток нагрузки. Удвоение емкости вдвое уменьшает просадку напряжения, но также удваивает объем и стоимость. Удвоение количества ступеней учетверяет просадку напряжения, и регулирование нагрузки нарушается.

2.2 Неравномерное распределение напряжений на разных этапах

Нагрузка распределяется неравномерно. Передние каскады, расположенные ближе к трансформатору, пропускают наибольший ток заряда-разряда. Задние каскады пропускают наибольшее постоянное напряжение. Равномерная емкость всех каскадов приводит к перегреву передних каскадов и избыточной мощности задних.

Это исправляется за счет распределения ёмкостей в передней части каскада. В передних каскадах используются ёмкости от 10 нФ до 22 нФ, а в задних — от 1 нФ до 4.7 нФ, при этом промежуточные каскады имеют пониженную ёмкость. Моделирование схемы с учётом значений ёмкостей для каждого каскада позволяет найти точку баланса по пульсациям, просадкам и громкости.

2.3 Потери ESR при заряде-разряде

Потери при заряде-разряде через эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) являются основными динамическими потерями в умножителе:

P_ESR = Σ (I_i² · ESR_i)

где I_i — среднеквадратичное значение пульсационного тока i-го каскада, а ESR_i — его эквивалентное последовательное сопротивление. При частоте 100 кГц, пульсационном токе от 1 до 3 А на каскад и ESR 100 мОм восемь каскадов рассеивают от 8 до 72 Вт. Конденсаторы N4700 с ESR от 10 до 50 мОм снижают это значение ниже 1 Вт.

2.4 Потери на обратное восстановление диода и балансировку

A выпрямительный диод Накапливает заряд, проводя ток и высвобождая его при каждом обратном фронте. Накопленный заряд соответствует времени обратного восстановления:

Q_rr ≈ I_F · t_rr / 2

где I_F — прямой ток, t_rr — время обратного восстановления, а Q_rr — заряд обратного восстановления. Потери на одно событие составляют E_rr = Q_rr · V_R, поэтому мощность равна P_rr = Q_rr · f · V_R. При частоте 100 кГц, Q_rr = 100 нКл и обратном напряжении 5 кВ один каскад потребляет 50 Вт.

Балансирующие резисторы добавляют статические потери P_balance = V_out² / R_balance_total. При напряжении 120 кВ и сопротивлении 500 МОм на каскад восемь резисторов, соединенных параллельно, дают 62.5 МОм и около 230 мВт. Мало на полной мощности, много в режиме ожидания.

Рис. 1 — Восемь конденсаторов на каскаде по 100 мОм потребляют 72 Вт, а один диодный каскад добавляет 50 Вт; эквивалентное последовательное сопротивление N4700 от 10 до 50 мОм позволяет удерживать потери на каскаде на уровне 1 Вт.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Внутреннее сопротивление возрастает с увеличением количества этапов, а напряжение падает.

При цифровой субтракционной ангиографии (DSA) и компьютерной томографии (КТ) ток в трубке достигает нескольких сотен миллиампер в течение нескольких секунд. Затем падение внутреннего сопротивления достигает нескольких киловольт, и выходное напряжение может снизиться более чем на 10%, что значительно превышает клинический предел в ±2%.

Обычно решающим фактором является увеличение емкости, что удваивает объем в корпусе, где места уже не осталось. В одном 8-ступенчатом блоке на 150 кВ емкость конденсатора увеличилась с 3.3 нФ до 6.8 нФ на ступень, что теоретически вдвое уменьшило падение напряжения, но увеличило объем конденсатора примерно на 80%.

Проблема 2: Неравномерная зарядка, обратное восстановление и обрыв цепи.

При запуске или при ступенчатом увеличении нагрузки ступени заряжаются с разными постоянными времени, и напряжение делится неравномерно. Передние ступени могут достичь перенапряжения раньше, чем зарядятся задние ступени, и передние ступени изнашиваются первыми.

Ток восстановления диода добавляет высокочастотный импульс на соседние конденсаторы, что повышает локальную плотность тока и еще больше ускоряет старение. Как только один каскад теряет емкость, его доля напряжения переходит к следующему каскаду. В умножителях с восемью и более каскадами один слабый каскад выводит из строя всю схему.

Проблема 3: Цифровая компенсация не может устранить физическую потерю.

Цифровое управление регулирует частоту и коэффициент заполнения привода в реальном времени, компенсируя динамическое падение напряжения. Оно не изменяет потери ESR или потери обратного восстановления, которые потребляют от 5% до 15% входной мощности до начала каких-либо управляющих воздействий.

В одном из проектов был оптимизирован алгоритм управления, при этом конденсаторы и диоды остались на своих местах. Измеренное повышение эффективности составило 0.8% против целевого значения в 3-5%. Контур управления перемещает энергию по пути, который уже приводит к ее потере.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Распределение емкости по положению ступени

Используйте конденсаторы от 10 нФ до 22 нФ на первом и втором каскадах, понижайте емкость средних каскадов геометрически или арифметически, и завершите двумя последними каскадами конденсаторами от 1 нФ до 4.7 нФ. Таким образом, передние каскады будут обладать необходимой пропускной способностью по пульсациям тока, а задние каскады — номинальным напряжением без увеличения объема.

Смоделируйте значения на каждом этапе в зависимости от колебаний, спадов и объема, и выберите точку, где эти три параметра перестают конкурировать.

Стратегия 2: Сочетание конденсаторов со сверхнизким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) с быстровосстанавливающимися диодами.

Используйте керамику I класса, например... N4700 и поддерживать эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ниже 50 мОм при частоте 100 кГц, так что потери заряда-разряда на каждом этапе снижаются до милливаттного диапазона, а общие потери остаются ниже 1 Вт.

Соедините их с быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды Рассчитан на значения t_rr ниже 50 нс, Q_rr ниже 50 нКл и как минимум 1.5-кратный запас по обратному напряжению. Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и низкое значение Q_rr в совокупности снижают как динамические потери, так и пиковые значения при восстановлении.

Стратегия 3: Замкнуть контур с помощью цифровой ШИМ-компенсации.

Измеряйте выходное напряжение в киловольтах в реальном времени и расширяйте импульс управления или корректируйте частоту, когда нагрузка снижает выходное напряжение. Компенсатор повышает пиковое напряжение вторичной обмотки и компенсирует падение напряжения, вызванное внутренним сопротивлением. Установите полосу пропускания отклика на 10 кГц или более, чтобы контур мог справляться с импульсным воздействием.

Создайте разделитель с помощью Низкоиндуктивные резисторы выборки HVRGHP, потому что цепочка выборки устанавливает верхний предел точности контура.

Стратегия 4: Мониторинг и балансировка на каждом этапе.

Установите резистор с высоким сопротивлением от 100 МОм до 500 МОм параллельно каждому каскаду, чтобы зафиксировать статическое деление напряжения. Используйте планарные резисторы HVRGFP с допуском ±1% и температурным коэффициентом сопротивления ±50 ppm/°C и считывайте показания делительной цепи, чтобы контролировать работу каждого каскада.

Если отклонение одного из каскадов превышает ±10%, срабатывает защитная сигнализация до того, как соседние каскады начнут принимать дополнительное напряжение. Для сильноточных устройств необходимо поддерживать суммарную балансировочную мощность ниже 1% от мощности в режиме ожидания.

Стратегия 5: Игнорировать скачки восстановления

Установите RC-демпфер параллельно каждому выпрямительному диоду. Используйте HVR-BSP трубчатые толстопленочные резисторы с импульсной мощностью 10 Вт или более и индуктивностью ниже 10 нГн, а также HVCT9G Радиально-выводной конденсатор емкостью от 100 пФ до 1 нФ, рассчитанный на напряжение, в 2 раза превышающее рабочее напряжение.

Демпфирующий контур поглощает восстановительный импульс на диоде, одновременно защищая диод и конденсаторы соседнего каскада.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Повторяющееся пиковое обратное напряжение	10 кВ VRRM	Серия 2CL, 25 °C
Средний прямой ток	0.8 A IF(AV)	прямоугольная волна, Tc ≤ 85 °C
Прямой импульсный ток	100 А при 8.3 мс	одиночный импульс, IFSM
Время обратного восстановления	ниже 1 мкс трр	мягкий восстановительный класс
Емкость перехода	25 пФ тип.	VR = 4 кВ, 1 МГц
Рабочая Температура	от −55 °C до +125 °C	Tj макс
ток утечки	ниже 5 мА при VRRM	25 °C, полная мощность

5. Компоненты HVC для умножительного каскада

Эффективность умножителя напрямую зависит от трех параметров: эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) конденсаторов каскада, восстановительного заряда диодов и точности балансировочных и измерительных резисторов. Компания HVC поставляет все три параметра со своего собственного завода площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывая диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент декомпрессии ниже 0.1%, а эквивалентное последовательное сопротивление находится в миллиомном диапазоне. В 8-ступенчатом множителе потери заряда-разряда на каждой ступени снижаются с 10 Вт до 20 Вт при использовании обычной керамики класса II до менее 1 Вт, что повышает общую эффективность на 3–8%.
• Равномерная температура на каждой ступени. Низкие потери обеспечивают равномерное повышение температуры на каждой ступени и стабильность емкости, поэтому локальный перегрев, приводящий к обрыву цепи, не возникает.
• Быстровосстанавливающиеся диоды в диапазоне напряжений от 2 кВ до 50 кВ. При времени восстановления t_rr от 30 до 50 нс и добротности Q_rr ниже 50 нКл общие потери при восстановлении 8-ступенчатого умножителя снижаются с сотен ватт до десятков ватт, а электромагнитные помехи и амплитуда импульсов уменьшаются вместе с ними.
• Планарные резисторы HVRGFP и HVRGHP. Диапазон значений охватывает от 1 МОм до 10 ГОм с допуском ±1% и температурным коэффициентом сопротивления ±50 ppm/°C при индуктивности ниже 5 нГн, поэтому одно и то же семейство используется как для балансировочных делителей, так и для высокочастотного измерения тока, необходимого для цифровой петли.
• Координированные демпфирующие элементы. Быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды. HVR-BSP Для выпрямительного каскада и RC-демпфера можно одновременно выбрать трубчатые демпфирующие резисторы BOP и керамические конденсаторы HVCT9G.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и показателям надежности. Vishay Используются генераторы высокого напряжения HVCC, KEMET с радиальными выводами, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV, а также применяются в крупносерийном производстве генераторов высокого напряжения для OEM-производителей медицинского оборудования, входящих в список Fortune 500.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты демпфирования и согласования, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в согласовании конденсаторов-умножителей, выборе диодов, настройке резисторов и моделировании потерь.

Отправьте количество каскадов, выходное напряжение в кВ, профиль тока лампы, частоту управления и чертеж корпуса. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист подбора компонентов с номерами деталей, данными ESR и Q_rr на рабочей частоте, а также комплект для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему выходной сигнал проседает при воздействии высокого тока?

Поскольку эквивалентное выходное сопротивление умножителя равно R_out = n / (2π · f · C), и оно увеличивается с количеством каскадов. В 8-каскадном блоке на 150 кВ внутреннее сопротивление достигает десятков кОм, поэтому ток в лампе в несколько сотен миллиампер снижает выходное напряжение на 10% или более.

В2: Как выбрать емкость на каждой ступени?

Смещение в сторону передних каскадов. Используйте конденсаторы от 10 нФ до 22 нФ на 1-м и 2-м каскадах для обеспечения возможности пропускания пульсаций тока, понизьте емкость средних каскадов и завершите схему конденсаторами от 1 нФ до 4.7 нФ для обеспечения номинального напряжения и громкости. Перед составлением спецификации материалов смоделируйте значения в зависимости от пульсаций, падения напряжения и громкости.

В3: Какой из этих потерь преобладает в множителе?

Это зависит от нагрузки. На высоких частотах важны как потери заряда-разряда ESR, так и потери обратного восстановления диода, и вместе они составляют от 5% до 15% входной мощности. Потери ESR уменьшаются с увеличением качества керамики; потери восстановления уменьшаются с увеличением t_rr и Q_rr. Балансирующие резисторы добавляют небольшие статические потери.

Вопрос 4: Может ли цифровое управление самостоятельно устранить просадку?

Нет. ШИМ-компенсатор с полосой пропускания 10 кГц компенсирует динамическую составляющую просадки напряжения за счет повышения вторичного пикового напряжения, что очень полезно. Потери ESR и потери при восстановлении являются физическими, и в одном проекте, где был изменен только алгоритм, эти потери составили 0.8% вместо ожидаемых 3-5%.

Вопрос 5: Какими должны быть балансировочные резисторы?

Сопротивление на каскад составляет от 100 МОм до 500 МОм при ±1% и температурном коэффициенте сопротивления ±50 ppm/°C. Высокие значения позволяют снизить статические потери, сохраняя при этом фиксированное деление постоянного напряжения; общее сопротивление должно оставаться ниже 1% от потребляемой мощности в режиме ожидания. Считывайте показания каждого узла делителя, чтобы своевременно выявлять дрейф каскада.

В6: Зачем добавлять RC-демпфер к каждому диоду?

Поскольку заряд обратного восстановления Q_rr высвобождается в виде быстрого скачка на каждом фронте, этот скачок создает нагрузку на диод и конденсаторы соседних каскадов. RC-демпфер на диоде поглощает энергию в источнике. Используйте резистор с низкой индуктивностью и керамический конденсатор, рассчитанный на напряжение, в 2 раза превышающее рабочее напряжение.

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. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
9. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. В моём высоковольтном источнике питания происходит искрение: как мне определить причину проблемы?Spellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-25, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-25 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com