Потери емкости умножителя тока: керамика класса II при постоянном напряжении смещения.

Потери емкости умножителя тока: керамика класса II при постоянном напряжении смещения.

Резюме

Керамический конденсатор имеет маркировку 1 В среднеквадратичного значения и используется при напряжении 150 кВ. Между этими двумя точками диэлектрическая проницаемость падает, и фактическая емкость цепочки умножителей может составлять одну треть от маркированного значения. В этой статье определен коэффициент напряжения, приведены уравнения пульсаций и установления, использующие эффективную емкость, и перечислены шесть этапов проектирования, позволяющих удерживать 15-ступенчатую цепочку в пределах целевого значения пульсаций в 1%.

1. Введение

Генераторы высокого напряжения на трансформаторах тока формируют напряжение на лампе в цепи умножительного выпрямителя, обычно это схема Кокрофта-Уолтона или Грейнахера. Расчет начинается с выходного напряжения, тока нагрузки и целевого уровня пульсаций, и эти три параметра определяют количество каскадов и емкость каждого каскада.

Один из шагов легко пропустить. Заявленная емкость керамической детали измеряется при низком напряжении, обычно 1 В среднеквадратичного значения или 0.5 В постоянного тока. В цепочке та же деталь пропускает высокий постоянный ток плюс высокочастотный размах. Под действием этого поля эффективная диэлектрическая проницаемость падает, и реальная емкость оказывается значительно ниже заявленного значения.

Этот эффект имеет название: коэффициент ёмкости напряжения, или VCC. Он обусловлен диэлектриком, поэтому указанное значение параметра не описывает его. В одном генераторе трансформаторов тока в цепи умножителя использовался компонент класса II на 1000 пФ, рассчитанный на 10 кВ. Стендовые испытания при низком напряжении прошли успешно; при 150 кВ время установления увеличилось на 40%, пульсации вышли за пределы допустимого диапазона, а КПД упал примерно на 4%.

В ходе испытаний возвращенного устройства фактическая емкость составила 35% от номинальной при номинальном напряжении. В данной статье приводится определение VCC, уравнения пульсаций и установления, использующие эффективную емкость, три варианта отказов в полевых условиях и шесть этапов проектирования цепи на 150 кВ.

2. Основной механизм

2.1 Физическое происхождение коэффициента напряжения

Поляризация керамики состоит из четырех составляющих: электронной, ионной, ориентационной и пространственно-зарядовой. По мере увеличения поля все меньше доменов могут переключаться, прирост поляризации достигает насыщения, а диэлектрическая проницаемость уменьшается с увеличением поля.

Ферроэлектрическая керамика II класса, такая как X7R и Y5V, демонстрирует это в полной мере. Линейная керамика I класса, такая как N4700 остаются в параэлектрической фазе и демонстрируют очень малые значения VCC.

VCC = (ΔC / C_0) / ΔV · 100%

где C_0 — номинальная емкость при низком напряжении, ΔC — изменение емкости, вызванное изменением напряжения ΔV, а VCC — коэффициент напряжения в процентах на вольт. Полиномиальная форма лучше соответствует измеренным данным.

C(V) / C_0 = 1 + k_1 · V + k_2 · V²

где k_1 и k_2 — коэффициенты напряжения первого и второго порядка, V — приложенное напряжение, а C(V) — эффективная емкость при этом напряжении. Для керамики класса II оба члена отрицательны, а квадратичный член велик.

Типичные компоненты X7R теряют от 30% до 60% номинальной емкости при номинальном напряжении, а компоненты Y5V — до 80%. Компоненты N4700 класса I удерживают напряжение VCC в пределах ±1% в том же диапазоне напряжений.

2.2 Волнообразные колебания и стабилизация в N-ступенчатой ​​цепочке

Волна возрастает с увеличением количества этапов и уменьшается с увеличением эффективной емкости.

ΔV_ripple ≈ I_load / (f_s · C_stage) · N(N+1)/2

где I_load — ток нагрузки, f_s — частота переключения, C_stage — эффективная емкость на каскад, N — количество каскадов, а ΔV_ripple — амплитуда пульсаций выходного сигнала. Если VCC уменьшает C_stage в α раз, то пульсации увеличиваются в 1/α раз.

Время установления зависит от эквивалентной постоянной времени RC цепи, поэтому оно масштабируется в зависимости от эффективной емкости и квадрата количества ступеней.

t_settle ∝ R_eq · C_stage · N²

где R_eq — эквивалентное сопротивление источника цепи, C_stage — эффективная емкость на каждом этапе, N — количество этапов, а t_settle — время достижения заданного значения кВ. Спектральная КТ и кардиоКТ переключаются между 80 кВ, 100 кВ, 120 кВ и 140 кВ в течение десятков миллисекунд, поэтому дефицит емкости проявляется как замедленная реакция на кВ.

2.3 Потеря, дисбаланс и частичная разрядка

Каждый этап заряжается и разряжается на частоте переключения. Диэлектрические потери за цикл зависят от емкости, размаха напряжения на компоненте и тангенса угла диэлектрических потерь.

E_loss = (1/2) · C · ΔV_c² · tanδ

где C — эффективная емкость, ΔV_c — размах переменного напряжения на компоненте, tanδ — коэффициент рассеяния, а E_loss — энергия, теряемая за цикл.

Снижение емкости C уменьшает потери в одной части схемы, но при сохранении того же уровня пульсаций требуется больше каскадов или более высокая частота переключения, а оба варианта приводят к увеличению потерь и электромагнитных помех. Неравномерность емкости C_stage между каскадами нарушает баланс заряда, вызывает перенапряжение в каскадах с низкой емкостью и повышает вероятность частичного разряда в них.

2.4 Пример решения задачи при напряжении 150 кВ и токе 1 мА

Возьмем генератор с трансформатором тока на 150 кВ, 1 мА, 15 ступеней, 1000 пФ на ступень и частотой переключения 50 кГц. Уравнение пульсаций дает примерно 2400 В:

ΔV_ripple ≈ I_load / (f_s · C_stage) · N(N+1)/2 ≈ 2400 V

где I_load равно 1 мА, f_s равно 50 кГц, C_stage равно 1000 пФ, а N равно 15. Это составляет 1.6% от выходного напряжения 150 кВ, что уже близко к пределу.

Значение VCC, уменьшающее эффективную емкость вдвое, удваивает пульсации до 3.2% и не соответствует целевому значению. Решение проблемы влечет за собой увеличение объема и потери: 21 каскад или 100 кГц переключения. При использовании компонентов N4700 с VCC в пределах ±1% 15-каскадная конструкция обеспечивает соответствие пульсаций и времени установления заданным параметрам.

Рис. 1 — Емкость класса II падает примерно до 35% от номинальной при номинальном напряжении, поэтому пульсации умножителя на 150 кВ следуют за C(V) в рабочей точке.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Тест на низкое напряжение пройден успешно, работа при высоком напряжении не удалась.

При отладке на стенде цепь работала от низковольтного источника питания, и пульсации и КПД выглядели нормально. При номинальном напряжении емкость класса II уменьшается, выходной сигнал проседает, а пульсации выходят за пределы допустимого диапазона. Один промышленный трансформатор тока показал колебания выходного сигнала ±5% при полной нагрузке 150 кВ, что ухудшило контрастность изображения, и пришлось заменить все конденсаторы.

Наиболее дорогостоящей причиной такой неисправности является петля обратной связи. Петля, настроенная на низкую емкость, имеет неправильное усиление при номинальном напряжении и требует не просто замены компонентов, а перепроектирования.

Проблема 2: Замедляется быстрая реакция переключения напряжения (кВ).

Спектральная КТ и кардиоКТ переключаются между 80 кВ и 140 кВ за десятки миллисекунд, а скорость переключения следует за временем установления, которое масштабируется с эффективной емкостью. Когда емкость уменьшается с напряжением, коэффициент усиления петли и полоса пропускания также изменяются, и скачок напряжения выходит за пределы допустимого диапазона.

Один из прототипов спектрального КТ-сканера показал перерегулирование ±8 кВ во время переключения напряжения. Причиной была нелинейность контура, вносимая VCC, и она проявлялась только при высоком напряжении.

Проблемная точка 3: Нарушается баланс этапов, и один из этапов выходит из строя первым.

Напряжение VCC влияет на эффективную емкость, которая различается от каскада к каскаду, поскольку каждый каскад работает на разном уровне постоянного тока. Каскад с наименьшей емкостью потребляет наибольшее напряжение и подвержен большему количеству частичных разрядов. Каскад с наибольшей емкостью работает при меньшем напряжении, но при большем токе.

За годы эксплуатации первым выходит из строя перенапряженный каскад, и затем отказы распространяются по всей цепи. Проверка баланса напряжений каскадов при номинальном напряжении (кВ) позволяет обнаружить слабый каскад до того, как он выйдет из строя.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использовать диэлектрик класса I N4700 для цепочки.

N4700 — это линейная параэлектрическая керамика с погрешностью измерения емкости в пределах ±1% до номинального напряжения, поэтому указанное значение близко к рабочему значению. Объемная емкость ниже, чем у компонентов класса II, и в цепи 150 кВ запас по напряжению, низкие потери и плоская кривая CV перевешивают потери в плотности.

В этом диэлектрике диапазон напряжений HVC составляет от 1 кВ до 150 кВ, а емкость — от 1 нФ до 100 нФ, при этом экранирование частичных разрядов составляет 100% при PD ≤ 5 пКл.

Стратегия 2: Разработка на основе измеренной кривой C(V).

При использовании компонента класса II измерьте емкость при фактическом рабочем напряжении и подставьте C(V) в уравнения пульсаций и установления вместо C_0. Цифра в техническом описании 1 кГц, 1 В среднеквадратичного значения не означает, что компонент работает при постоянном напряжении 10 кВ.

HVC предоставляет кривые CV в диапазоне от 1 кГц до 1 МГц и от 0 В до номинального напряжения, поэтому проектирование начинается с измеренных данных, а не с номинального значения.

Стратегия 3: Увеличьте запас по напряжению, когда использование оборудования класса II неизбежно.

Изменение напряжения VCC происходит быстрее всего в низковольтной области кривой. Поддержание рабочего напряжения ниже 50% от номинального напряжения резко снижает относительные колебания емкости. Компромисс заключается в соотношении объема и стоимости: деталь на 20 кВ для каскада на 10 кВ больше, тяжелее и все равно подвержена дрейфу под нагрузкой.

Используйте этот шаг в качестве запасного варианта. В новых медицинских изделиях компонент класса I устраняет проблему на уровне диэлектрика.

Стратегия 4: Добавить компенсацию с обратной связью в замкнутом контуре.

Цифровой генератор может контролировать выходное напряжение и ток, а также регулировать коэффициент заполнения или частоту в соответствии с заданным значением в кВ, что частично компенсирует нелинейность напряжения питания. Контур корректирует только ошибку в установившемся режиме. Он не может восстановить потерянную емкость, поэтому пульсации и время установления остаются такими, какими их задает оборудование.

Настраивайте контур при номинальном напряжении и максимальной заданной величине в кВ, поскольку именно при этих значениях эффективная емкость минимальна, а ошибка усиления максимальна.

Стратегия 5: Разделить каскады и добавить разрядные резисторы.

Разделите каждый каскад на параллельно соединенные конденсаторы с разрядным резистором между ними, и разброс напряжений между отдельными частями будет усредняться, а не суммироваться. Это позволит удерживать напряжения на каскадах ближе друг к другу и снизит частичный разряд в самом слабом каскаде.

Микросхемы HVC N4700 имеют плотное распределение напряжения VCC по всей партии, поэтому параллельный блок сохраняет баланс без ручного подбора. Соедините блок с HVR-BSP градуировочные резисторы рассчитан на ток делителя.

Стратегия 6: Определите параметры делителя с помощью резисторов с низким температурным коэффициентом сопротивления.

Делитель обратной связи имеет собственные температурные и вольт-амперные коэффициенты, которые увеличивают ошибку VCC в контуре. резисторы выборки HVRGHP и HVR-BSP Металлопленочные транзисторы обладают низким температурным коэффициентом сопротивления (TCR) и низким коэффициентом напряжения, поэтому образец отслеживает выходной сигнал, и дрейф резистора не влияет на схему.

Подберите делитель напряжения в соответствии со спецификацией конденсатора. Конденсатор с допуском 1% и делителем на 5% по-прежнему будет показывать 5%, и контур будет корректировать реальную ошибку в киловольтах с помощью неверного сигнала измерения.

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 цепей умножителей напряжения.

Цепь сохраняет свои показатели пульсаций и стабилизации, когда емкость каждой ступени остается близкой к указанному значению при полном напряжении. Компания HVC производит для этого компоненты N4700 на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Напряжение VCC находится в пределах ±1% от номинального напряжения. Цепь учитывает емкость, использованную в конструкции, поэтому 15-ступенчатый умножитель на 150 кВ соответствует допустимому уровню пульсаций в 1.6% без дополнительных ступеней.
• Линейный диэлектрический отклик. Параэлектрическая керамика не имеет переключения доменов, поэтому кривая CV остается плоской и повторяется от изделия к изделию и от партии к партии.
• Диэлектрическая прочность постоянного тока ≥15 кВ/мм. Запас прочности позволяет использовать цепь на 150 кВ с полуторным высоковольтным тестированием каждой детали и 100% экранированием частичных разрядов при заряде ≤5 пКл.
• TCC 0 −4700 ppm/°C ±1000 ppm/°C. Емкость сохраняется в диапазоне от −40 °C до +125 °C, поэтому отклик по кВ не изменяется по мере нагревания бака во время серии сканирований.
• Коэффициент потерь DF_eff ниже 0.5% на частоте 100 кГц. Низкие потери подходят для цифрового генератора, работающего на частоте 50–100 кГц, а также ограничивают самонагрев. HVCT8G и HVCT9G стек.
• Скоординированные компоненты. быстровосстанавливающиеся высоковольтные диодырезисторы выборки HVRGHP и HVR-BSP Резисторы делителя напряжения располагаются в порядке, аналогичном порядку конденсаторов, для выпрямительного каскада, делителя обратной связи и разрядной цепи.

Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпуса. Мурата DHS/DHR, Vishay HVCC и TDK высоковольтные серии, используемые в крупносерийном производстве высоковольтных генераторов для производителей медицинского оборудования из списка Fortune 500.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, подобранные по индивидуальному заказу, — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в моделировании цепочек множителей, измерении CV и подборе делителей.

Отправьте выходное напряжение, ток нагрузки, количество каскадов, частоту переключения и целевой уровень пульсаций. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист подбора конденсаторов с номерами деталей, кривую CV при рабочем напряжении, данные DF_eff при частоте переключения и комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какую емкость теряет компонент класса II при номинальном напряжении?

В компонентах X7R обычно теряется от 30% до 60% заявленной емкости, а в компонентах Y5V — до 80%. Причина: насыщение при переключении доменов под действием сильного поля. В одном из компонентов класса II с емкостью 1000 пФ и напряжением 10 кВ было измерено 35% от номинальной емкости при номинальном напряжении, что привело к увеличению пульсаций генератора с 1.6% до 3.2%.

В2: Почему низковольтные стендовые испытания позволяют отклонить некачественную конструкцию?

Поскольку лабораторный источник питания подает несколько вольт, а при таком напряжении диэлектрик все еще обеспечивает емкость, близкую к номинальной, кривая C(V) искажается только при высоком напряжении. Поэтому лабораторные испытания измеряют номинальное значение, в то время как установленный компонент работает при значительно меньшем его значении. Проводите испытания при рабочем напряжении или используйте кривую C(V).

В3: Как определить размер емкости на каждой ступени?

Исходя из соотношения ΔV_ripple ≈ I_load / (f_s · C_stage) · N(N+1)/2. Для 150 кВ, 1 мА, 15 каскадов и частоты переключения 50 кГц, 1000 пФ на каскад дает пиковое значение 2400 В, или 1.6%. Используйте в этом уравнении эффективную емкость при номинальном напряжении, а не указанное значение.

Вопрос 4: Устраняет ли замкнутая обратная связь ошибку VCC?

Частично. Цифровая петля может корректировать установившуюся ошибку в киловольтах путем регулирования коэффициента заполнения или частоты. Она не может создавать емкость, поэтому пульсации и время установления остаются такими, какими их задает оборудование, а коэффициент усиления петли изменяется в зависимости от эффективной емкости. Выбор конденсаторов и проектирование петли должны осуществляться одновременно.

В5: Почему один из этапов цепи выходит из строя первым?

Поскольку каждый каскад работает на разном уровне постоянного тока, а напряжение VCC приводит к разнице в эффективной емкости между каскадами, каскад с меньшей емкостью принимает более высокое напряжение и подвергается большему частичному разряду, поэтому он изнашивается первым, а затем происходит каскадное разрядное усиление. Параллельное подключение конденсаторов с разрядными резисторами на каждом каскаде позволяет распределить эту разницу.

В6: Какой допуск на емкость следует указать?

±5% — это практическое значение для цепи умножителей, и оно важнее абсолютного значения, поскольку баланс заряда зависит от разброса между ступенями. Плотное распределение VCC по всей партии имеет такое же важное значение. Запрашивайте кривую CV и распределение по партии, а не только линию допуска.

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. Си Джей Хурдакис, Определение практического пикового напряжения (ППВ) диагностической рентгеновской трубки на основе средних значений или средних пиковых значений напряжения.Физика в медицине и биологии, том 56, № 7, стр. 2199-2217, 2011. https://doi.org/10.1088/0031-9155/56/7/019
8. Высоковольтные керамические конденсаторы для силовой электроники, Х. Лавиль (Exxelia), техническая статья EE Power, https://eepower.com/technical-articles/high-voltage-ceramic-capacitors-for-power-electronics/.
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. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общие технические характеристики, Изд. 6.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2021.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com