Диэлектрические конденсаторы N4700 для высоковольтных источников питания с трансформаторами тока.

Диэлектрические конденсаторы N4700 для высоковольтных источников питания с трансформаторами тока.

Резюме

Высоковольтные источники питания с трансформаторами тока работают на частотах 100 кГц и выше, где диэлектрик определяет потери, точность выходного сигнала и срок службы. Керамика классов II Y5T и Y5P обеспечивает высокую плотность емкости, но теряет от 10% до 30% этой емкости под воздействием напряжения и тепла. Керамика класса I N4700 сохраняет свои характеристики и низкие потери. В данной статье сравниваются два семейства по коэффициенту напряжения, коэффициенту рассеяния и термической стабильности, а также приводятся шесть этапов выбора.

1. Введение

При проектировании высоковольтного генератора трансформатора тока исходит один вариант: недорогой керамический трансформатор Y5T или Y5P класса II или трансформатор N4700 (T3M) класса I. Цена за единицу и плотность емкости отдают предпочтение трансформаторам класса II. Электрические характеристики при реальных нагрузках благоприятствуют трансформаторам класса I.

В настоящее время генератор трансформатора тока переключается с частотой около 100 кГц и поддерживает напряжение 140 кВ на трубке. При такой рабочей точке коэффициент напряжения, коэффициент рассеяния и температурный дрейф компонента класса II возрастают на порядок.

Система воспринимает это как дрейф выходного напряжения, дополнительные пульсации, нагрев конденсатора и, в худшем случае, тепловой разгон. Электронная трубка же воспринимает это как нестабильную дозу облучения.

В этой статье сравниваются два семейства диэлектриков по четырем параметрам, а затем приводятся шесть шагов для выбора диэлектрика. В заключение приводятся данные, которые следует запросить у поставщика перед выпуском детали.

2. Основной механизм

2.1 Поляризация в керамике I и II классов

N4700 (T3M) — это керамика I класса, созданная на основе твердых растворов титаната стронция. В ее отклике преобладает электронная поляризация, а ферроэлектрические доменные стенки практически не смещаются. В результате достигаются низкие потери, хорошая линейность и контролируемый температурный коэффициент.

Y5T и Y5P — это керамика II класса, созданная на основе титаната бария. Высокая диэлектрическая проницаемость достигается за счет вращения доменных стенок. Этот механизм также приводит к высоким потерям, значительному дрейфу емкости и сильной нелинейности при воздействии напряжения и тепла.

Разница видна в зависимости диэлектрической проницаемости от поля:

ε(E) = ε(0) · (1 − α · E²)

где ε(E) — диэлектрическая проницаемость при поле E, ε(0) — диэлектрическая проницаемость при нулевом поле, а α — нелинейный коэффициент материала.

Для керамики класса II значение α велико, поэтому ε резко падает при высоких полях. У N4700 значение α очень мало, поэтому ε остается близким к своему значению при нулевом поле.

2.2 Коэффициент напряжения и выходной умножитель

Коэффициент напряжения описывает, какую часть емкости теряет компонент при рабочем напряжении:

VCC = [C(V) − C(V_ref)] / C(V_ref) × 100 %

где C(V) — емкость при рабочем напряжении, C(V_ref) — емкость при опорном напряжении, а VCC — коэффициент напряжения в процентах.

Типичные значения позволяют разделить семейства. N4700 сохраняет свои характеристики в пределах ±1 % при номинальном напряжении. Y5T демонстрирует снижение на 10–20 %, а Y5P — более чем на 30 % при комбинированном воздействии напряжения и температуры.

Множитель Коккрофта-Уолтона преобразует эти потери в падение выходной мощности:

ΔV ≈ (I_load / (f · C)) · (n³/2 − n²/2)

где ΔV — падение выходного напряжения, I_load — ток нагрузки, f — частота переключения, C — емкость каскада, а n — количество каскадов умножителя.

Если C уменьшается на 20 %, ΔV увеличивается на 20 %. При нагрузке трубки 140 кВ / 5 мА это снижение на 2–3 кВ, что изменяет дозу облучения и снижает контрастность изображения.

2.3 Коэффициент диссипации и тепловой разгон

Диэлектрические потери преобразуются в тепло внутри детали:

P_loss = 2πf · C · V_rms² · DF_eff

где P_loss — рассеиваемая мощность, f — рабочая частота, C — емкость, V_rms — среднеквадратичное напряжение на компоненте, а DF_eff — эффективный коэффициент рассеяния при этом напряжении.

N4700 демонстрирует коэффициент DF ниже 0.2 % на частоте 1 кГц и поддерживает DF_eff ниже 0.5 % при высоком напряжении. Y5T достигает 2 %–5 % при высоком напряжении и высокой температуре.

Разница в рабочих параметрах велика. Для микросхемы емкостью 10 нФ при напряжении 50 кВ и частоте 100 кГц транзистор N4700 рассеивает около 7.9 Вт, а Y5T — около 39 Вт. В небольшом модуле с ограниченным теплоотводом происходит повышение температуры на 50 К, и микросхема может выйти из строя из-за теплового пробоя.

2.4 Дрейф емкости в зависимости от температуры

Диэлектрическая проницаемость элементов класса II быстро изменяется вблизи температуры Кюри. В диапазоне температур от -25 °C до +85 °C значение диэлектрической проницаемости деталей из сплавов Y5T или Y5P может изменяться на ±15 % до ±22 %.

Показатель N4700 остается в пределах ±1 % в диапазоне температур от -55 °C до +125 °C. Таким образом, на станции КТ в холодном или жарком регионе проводится одна калибровка вместо одной за сезон.

Рис. 1 — Емкость N4700 остается в пределах ±1% в диапазоне температур от −55 до +125 °C, в то время как у компонента Y5T она колеблется от ±15% до ±22% в более узком диапазоне от −25 до +85 °C.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Потеря емкости под напряжением приводит к смещению дозы.

Производитель источников питания для КТ высокого напряжения выбрал конденсаторы Y5T для снижения затрат. Испытания на стенде при низком напряжении прошли успешно. После износа трубки и повышения рабочего напряжения емкость упала на 15 %. Петля обратной связи по напряжению не смогла компенсировать это, доза превысила 5 %, а качество изображения не соответствовало клиническим требованиям. Устройства были отправлены на доработку.

Проблема 2: Рост DF прекращается из-за термического разрушения.

Диэлектрик Y5P может повысить коэффициент потерь на порядок при высоких температурах. В одном промышленном проекте по производству трансформаторов тока температура в самой горячей точке конденсатора летом превысила 120 °C. В течение трех месяцев устройства выходили из строя партиями, а анализ показал наличие каналов теплового пробоя, вызванных избыточными потерями.

Проблема 3: Разброс емкостей увеличивает стоимость калибровки.

Керамика класса II сильно различается от партии к партии и в зависимости от температуры. Диапазон ±22 % требует проведения калибровки для каждой единицы продукции в процессе производства и более широкого допуска в контуре управления. Детали класса I от одного и того же поставщика имеют одинаковое значение во всем диапазоне.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Внедрить N4700 (T3M) в высоковольтные узлы КТ.

Для высоковольтной фильтрации, цепей умножителей и связи используйте N4700. Параметры оправдывают выбор: DF_eff ниже 0.5 % при номинальном напряжении, емкость в пределах ±1 % при номинальном напряжении и в пределах ±1 % в диапазоне температур от -55 °C до +125 °C. Самонагрев составляет от одной пятой до одной десятой от значения Y5T.

Стратегия 2: Пересчитать множитель маржи с помощью C_eff

Не следует выбирать множитель, исходя из номинальной емкости. Ознакомиться с вольт-амперной характеристикой производителя и использовать эффективную емкость при рабочем напряжении:

ΔV_eff = (I_load / (f · C_eff)) · (n³/2 − n²/2)

где ΔV_eff — реальное падение напряжения, C_eff — емкость при рабочем напряжении, I_load — ток нагрузки, f — частота переключения, а n — количество каскадов. Каскад, прошедший проверку на бумаге, выходит из строя в полевых условиях, когда C_eff резко уменьшается под напряжением.

Стратегия 3: Рассматривать температуру в самой горячей точке как предельный показатель.

Жизнь подчиняется закону Аррениуса, поэтому более низкое значение DF напрямую покупает жизнь:

L_2 = L_1 · exp[(E_a / k) · (1/T_2 − 1/T_1)]

где L_1 и L_2 — время жизни при температурах T_1 и T_2, E_a — энергия активации, а k — постоянная Больцмана. При одинаковом охлаждении деталь из сплава N4700 может прослужить в 4–8 раз дольше, чем деталь из сплава Y5T. Поддерживайте температуру в зоне перегрева ниже 85 °C и сохраняйте запас по напряжению 20 %.

Стратегия 4: Резервировать компоненты класса II для низковольтных узлов.

Керамика класса II находит применение во вспомогательном источнике питания, сигнальной цепи и других низковольтных узлах. На выходе высоковольтного генератора, ламповом фильтре и узле управления сетью диэлектрик должен сохранять свои значения под нагрузкой. Такое разделение спецификации материалов позволяет снизить стоимость без изменения критически важных узлов.

Стратегия 5: Создание базы данных резюме и цифровых файлов и верификации.

Запросите у поставщика кривые CV и DF-V при 25 °C, 85 °C и 125 °C, а также данные TV. Запустите моделирование с кривой наихудшего случая высокого напряжения и высокой температуры, а не с кривой комнатной температуры. HVC предоставляет таблицы VCC, DF_eff и TCC для каждого артикула.

Стратегия 6: Подберите пассивные устройства в соответствии с вашими потребностями.

Для балансировки множителя и цепи обратной связи необходимы резисторы одного класса устойчивости. резисторы выборки HVRGXP Поддерживайте коэффициент делителя в зависимости от температуры в узле обратной связи.

HVR-BSP Толстопленочные резисторы устанавливают уровни выравнивания и утечки на выходе умножителя.

Выпрямительные диоды Они выполняют функцию блокировки, а их поведение при восстановлении определяет остаточную пульсацию. Одно слабое звено в этой цепочке определяет точность всего генератора.

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. Высоковольтные конденсаторы HVC для узлов высоковольтных трансформаторов тока.

Компания HVC производит свои высоковольтные керамические конденсаторы на основе керамики класса I N4700 (T3M) по одной причине: она обеспечивает стабильную емкость и потери в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ. Компоненты поставляются с собственного завода площадью 6,000 м² в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент потерь DF_eff ниже 0.5 % при номинальном напряжении. Низкие потери снижают самонагрев, что продлевает срок службы как конденсатора, так и всей системы.
• Коэффициент напряжения в пределах ±1 %. Емкость сохраняется при напряжении связи, поэтому точность измерения напряжения и доза облучения остаются стабильными.
• Стабильность температуры в пределах ±1 % в диапазоне от -55 °C до +125 °C. Одна калибровка охватывает каждый участок КТ.
• Частичный разряд при 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное. Низкий уровень частичного разряда ограничивает эрозию диэлектрика и связанный с ней риск миграции серебра.
• Скоординированные пассивные конструкции. HVCT8G Конденсаторы типа "дверная ручка", высоковольтные резисторы HVRGFP и HVRGXP, а также высоковольтные диоды HVR-BSP и BOP выпускаются одним комплектом для быстрой интеграции в спецификацию материалов.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Murata DHS/DHR, Vishay HVCC и TDK UHV, а также запущены в серийное производство для OEM-производителей медицинского оборудования, входящих в список Fortune 500.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — 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 выборе диэлектрика, расчете запаса по коэффициенту усиления и моделировании CV в наихудшем случае.

Укажите рабочее напряжение, емкость, частоту переключения и ток нагрузки. HVC предоставит вам кривые CV и DF-V, таблицу TCC и комплект для оценки с двумя образцами в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему в высоковольтных узлах трансформаторов тока выходят из строя конденсаторы Y5T и Y5P?

Потому что их диэлектрическая проницаемость следует за полем. Нелинейный коэффициент α в ε(E) = ε(0) · (1 − α · E²) велик для керамики класса II, поэтому емкость падает на 10–30 % ниже рабочего напряжения. В результате множитель снижается, петля кВ не может компенсировать это, и доза дрейфует.

В2: Какой коэффициент напряжения имеет N4700?

В пределах ±1 % при номинальном напряжении. Этот показатель сохраняется в диапазоне от 1 кВ до более 50 кВ и во всем диапазоне температур, поэтому умножитель N4700 обеспечивает падение емкости, предсказанное конструкцией. Компонент класса II в том же разъеме может потерять пятую часть своей емкости.

В3: Насколько сильно DF влияет на срок службы конденсатора?

Напрямую, поскольку потери преобразуются в тепло, а тепло сокращает срок службы согласно соотношению Аррениуса. При 50 кВ и 100 кГц микросхема N4700 емкостью 10 нФ рассеивает около 7.9 Вт, в то время как микросхема Y5T с коэффициентом эффективности DF_eff 2.5 % рассеивает около 39 Вт. При одинаковом охлаждении микросхема N4700 служит в 4–8 раз дольше.

В4: Какого допустимого изменения емкости в зависимости от температуры можно ожидать?

Для стали N4700 диапазон температур от -55 °C до +125 °C составляет ±1 %. Для стали Y5T или Y5P разброс составляет от ±15 % до ±22 % в диапазоне температур от -25 °C до +85 °C, при этом наибольший разброс наблюдается вблизи температуры Кюри. Этот диапазон требует проведения калибровки для каждого элемента и более широкого допуска контура управления.

Вопрос 5: Можно ли заменить конденсатор N4700 в умножителе пленочным конденсатором?

Редко встречается в высоковольтных системах из-за большого объема производства. пленочный конденсатор Обладает очень низким коэффициентом напряжения и низкими потерями, но при напряжении 50 кВ и емкости 10 нФ занимает в несколько раз больше места, чем керамический диск, и стоит намного дороже. Пленочный фильтр подходит для фильтрации постоянного тока; керамические диски — для умножения.

В6: Как проверить диэлектрик перед разрядкой?

Прочитайте кривую CV при рабочем напряжении, кривую DF-V при температуре в точке перегрева и таблицу TCC в диапазоне от -55 °C до +125 °C. Запустите моделирование множителя с параметром C_eff и проверьте снижение чувствительности по сравнению с целевым показателем точности дозы. Затем подтвердите PD при 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, на выпущенной партии.

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. К. Ориа, А. Ортис, Д. Ферреньо, И. Карраскаль и И. Фернандес, Современный обзор характеристик целлюлозных диэлектрических материалов в силовых трансформаторах: механический отклик и старение.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 26, no. 3, pp. 939-954, 2019. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.007896
8. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
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, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com