Время нарастания импульса линейного ускорителя: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) конденсатора PFN

Время нарастания импульса линейного ускорителя: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) конденсатора PFN

Резюме

В модуляторе линейного ускорителя время нарастания импульса PFN зависит от индуктивности контура и его номинала, а плоская вершина — от эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). В данной статье рассматривается переходная характеристика RLC-цепи и анализируются важные параметры: коэффициент демпфирования, время нарастания, перерегулирование и период колебаний. Измеренные данные показывают уменьшение времени нарастания с 250 нс до 80 нс и уменьшение периода колебаний с ±15% до ±4% после модернизации ESL и ESR.

1. Введение

Время нарастания разрядного импульса определяет время запуска микроволнового излучения и спектральную чистоту магнетрона. Данные по полевому излучению охватывают три диапазона. Нарастание импульса более 300 нс расширяет спектр и снижает мощность дозы в начале импульса. Нарастание импульса менее 50 нс приводит к отражению волны обратно в трубку, вызывая скачкообразную смену мод и образование дуги. Рабочий диапазон составляет от 80 до 200 нс.

Детали, определяющие время нарастания, находятся в петле между комплектом PFN и переключателем. Примерно 35% неисправностей, связанных со скачкообразным изменением режима работы, обусловлены эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) этой петли, при этом сама лампа находится в исправном состоянии.

В данной статье представлена ​​модель переходной характеристики, значения коэффициента демпфирования и времени нарастания, правила компоновки, позволяющие удерживать индуктивность контура ниже 50 нГн, а также результаты измерений при полной модернизации установленного оборудования.

2. Основной механизм

2.1 Петля как сеть второго порядка

Разрядная петля содержит значение PFN, часть ESR, часть ESL и индуктивность петли. Вместе они образуют цепь второго порядка, а форма импульса определяется одним из соотношений.

ζ = (R_ESR + R_load) / (2 · √(L_total / C))

где ζ — коэффициент демпфирования, R_ESR — частичная потеря в мОм, R_load — сопротивление нагрузки в Ом, L_total — общая индуктивность контура в нГн, а C — значение PFN в нФ.

Из этого соотношения вытекают три случая. При значении выше 1 петля имеет передемпфированное состояние: импульс медленно нарастает и теряет амплитуду в верхней точке. При значении 1 она имеет критическое затухание: самый быстрый подъем без перерегулирования. При значении ниже 1 она имеет недодемпфированное состояние: быстрый подъем с кольцевым эффектом на импульсе.

2.2 Время нарастания от индуктивности петли

Для рабочей полосы модулятора время нарастания следует квадратному корню из величины индуктивности петли, умноженной на её значение.

t_r ≈ 3.3 · √(L_total · C)

где t_r — время нарастания в нс, L_total — общая индуктивность контура в нГн, а C — значение PFN в нФ.

При 2 нФ и 33 нГн время нарастания составляет 85 нс. При том же значении и 63 нГн оно составляет 118 нс. Это значение определяется энергией, которую должен нести импульс, поэтому следует ориентироваться на индуктивность петли.

2.3 Провисание плоской вершины от ESR

ESR снимает напряжение с импульса по всей ширине верхней части.

V_drop = I_pulse · ESR

где V_drop — падение напряжения на эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) в В, I_pulse — импульсный ток в А, а ESR — частичная потеря в мОм.

При токе 1000 А и сопротивлении 100 мОм падение напряжения составляет 100 В, что составляет 0.2% от импульса 50 кВ. При сопротивлении 500 мОм тот же ток падает на 1%, и мощность дозы изменяется вместе с ним. Также необходимо затухать колебание импульса, и эквивалентное последовательное сопротивление (ЭСС) — это параметр, который обеспечивает это затухание.

2.4 Собственная резонансная частота

При частоте выше собственной резонансной частоты компонент перестаёт вести себя как нормальное значение, и в этом случае его роль берёт на себя ESL (экстрасистолическое сопротивление).

f_SRF = 1 / (2π · √(ESL · C))

где f_SRF — собственная резонансная частота в МГц, ESL — индуктивность в нГн, а C — значение параметра в нФ.

Низкоиндуктивный элемент HVC с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) менее 3 нГн поддерживает собственную резонансную частоту от 60 МГц до 130 МГц в диапазоне емкостей от 100 пФ до 4.7 нФ. Спектр разряда PFN находится в диапазоне от 1 МГц до 10 МГц, поэтому элемент остается емкостным на протяжении всего импульса.

Рис. 1 — Микросхема N4700 удерживает петлю 2 нФ в диапазоне 80–200 нс, в то время как микросхема ESL с индуктивностью 15 нГн пропускает сигнал в течение 200 нс при той же индуктивности петли.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Переключение режимов передачи данных списывают на метро.

Прибор начинает переключаться между режимами несколько раз в месяц. Лампу заменяют, и неисправность возвращается. Измеренный импульс показывает истинную причину: время нарастания увеличилось до 280 нс, а импульс содержит колебание ±15% с периодом 35 нс. Лампа реагирует на колебание, и это колебание исходит от контура.

Проблема 2: Рост СОЭ при нагревании

Деталь класса II работает при температуре 85 °C, в три раза превышающей ее эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) в 25 °C. Плоская верхняя поверхность ровная на холодном станке и провисает после часа работы, поэтому скорость дозирования меняется в течение дня. Проверка в одной из точек нагрева не выявляет проблему. Деталь класса I сохраняет тот же диапазон с точностью до 1.2–1.5 раз.

Проблемный момент 3: Индуктивность выводов, которая присутствует в комплекте.

Длинный вывод добавляет примерно 1 нГн на каждый сантиметр. Деталь дверной ручки с выводом длиной 20 мм добавляет 2 нГн индуктивности вывода к своему внутреннему значению, а монтажные площадки добавляют еще 2 нГн. Корпус и компоновка определяют время нарастания раньше, чем схема.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Установите коэффициент демпфирования близким к 1.

Исходя из значения сопротивления петли, нагрузки и потерь в отдельных компонентах, добавьте небольшой последовательный компонент сопротивлением от 50 мОм до 200 мОм, когда петля имеет недостаточное затухание, и снова проверьте плоскую вершину. Поддерживайте потери в петле достаточно низкими, чтобы нарастание сигнала оставалось быстрым, и достаточно высокими, чтобы колебания кольца оставались в пределах ±5%.

Стратегия 2: Возьмите время подъема уровня сложности из таблицы ESL.

В приведенных ниже измерениях использовался компонент емкостью 2 нФ и индуктивность петли 30 нГн. В каждой строке показана стоимость еще одного наногенри.

Стратегия 3: Подберите леску в соответствии с нагрузкой.

Характеристическое сопротивление петли определяет, какая часть волны отражается обратно.

Z_0 = √(L_PFN / C_PFN)

где Z_0 — сопротивление контура в Ом, L_PFN — индуктивность PFN в нГн, а C_PFN — значение PFN в нФ.

Настройте индуктивность PFN так, чтобы импеданс контура составлял приблизительно 0.9 от нагрузки. В этот момент отраженная волна будет слабой, и плоская вершина останется ровной.

Стратегия 4: Удерживайте ток в контуре компоновки ниже 50 нГн.

Вместо обычной медной шины используйте ламинированную шину и расположите её на расстоянии не более 10 мм от выключателя. Длина дорожки должна быть короткой, а обратный путь должен проходить под прямым путем. Добавьте HVR-BSP толстопленочный элемент, подключенный параллельно переключателю, используется для гашения восстановительного скачка без добавления индуктивности контура.

Стратегия 5: Докажите наличие пульса статистическими данными, а не одним выстрелом.

Зарегистрируйте 1000 импульсов и сведите их к среднему времени нарастания, разбросу и коэффициенту вариации. В качестве целевого значения примите среднее значение от 80 до 120 нс, разброс менее 8 нс – хорошим, а коэффициент вариации выше 10% – сигналом к ​​ремонту. Прогнозируемое время нарастания более 150 нс означает необходимость замены компонентов.

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. Низкоиндуктивные компоненты HVC для разрядной петли.

Время нарастания и длительность колебаний определяются контуром обратной связи, и компонент вносит свой вклад в каждый из них. HVC-сборки дверная ручка конденсаторы с ESL менее 3 нГн на N4700 благодаря диэлектрику петля остается быстрой, а кольцо — затухающим.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESL менее 3 нГн. Короткий внутренний проводящий тракт удерживает время нарастания менее 100 нс и поднимает собственную резонансную частоту выше 60 МГц.
• ЭПР менее 50 мОм на частоте 1 МГц. Низкие потери обеспечивают плоскую верхнюю границу частотной характеристики и минимизируют самонагрев на частоте 200 Гц.
• Пиковый импульсный ток превышает 5 кА. Разрядный ток превышает номинальный уровень, поэтому значение импульсного тока определяет выбор компонента.
• Точность значения ±2%. Точное значение обеспечивает согласованность между каскадами и поддерживает импеданс контура близким к целевому значению.
• Частичное разрежение менее 2 пКл. Низкий уровень поддерживает стабильное значение, поэтому время нарастания не изменяется в течение срока службы.
• Парные наборы. быстровосстанавливающийся диод для свободного хода и HVRGHP Часть, отвечающая за определение текущего состояния, может быть проверена за один раз.

A пленочный конденсатор Подходит для демпфирующей цепи, где небольшое значение должно сохраняться при нагреве. Детали HVC также соответствуют ключевым параметрам. Murata Запчасти DHS, TDK FHV и Vishay HVCC.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4-8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6-10 недель. Инженеры-технологи HVC занимаются вопросами индуктивности контура, демпфирования и компоновки.

Отправьте ширину импульса, напряжение заряда, сопротивление нагрузки и целевое время нарастания. HVC вернет согласующий лист с данными ESL и ESR на рабочей частоте, а также двухкомпонентный оценочный комплект в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое время нарастания должен иметь линейный ускоритель PFN?

Время нарастания от 80 до 200 нс подходит для большинства магнетронов. При времени нарастания менее 50 нс отраженная волна достаточно сильна, чтобы вызвать скачкообразный переход мод и искрение. При времени нарастания более 300 нс спектр расширяется, время запуска увеличивается, а мощность дозы низка в начале импульса. Точная целевая величина зависит от трубки, поэтому сначала проверьте данные трубки.

В2: Насколько важен английский как второй язык?

Это определяет время нарастания и длительность петли. При использовании компонента с емкостью 2 нФ и индуктивностью петли 30 нГн, значение ESL компонента 1 нГн обеспечило время нарастания 65 нс, а 15 нГн — 220 нс. Аналогичное изменение в петле увеличило период петли с 8 нс до 24 нс. Компонент с ESL менее 3 нГн позволяет удерживать петлю в быстром диапазоне без изменения компоновки.

В3: Почему плоская верхняя часть провисает по мере нагревания машины?

Поскольку эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) в компонентах класса II увеличивается с нагревом, а падение напряжения на ESR зависит от тока, то при значении ESR, в три раза превышающем его значение в холодном состоянии, напряжение падает в три раза сильнее, поэтому начальный уровень напряжения снижается на 1%. Компоненты класса I поддерживают диапазон значений в пределах 1.2–1.5 раз и сохраняют максимальный уровень в течение всего дня.

Вопрос 4: Может ли демпфирующий элемент устранить резонанс импульса?

Это гасит колебания и приводит к некоторым потерям энергии. RC-демпфер со значением сопротивления около 5–20% от значения PFN хорошо сглаживает колебания, но увеличивает потери на 10–15%. Более дешевым вариантом является компонент с низким ESL и малым последовательным сопротивлением, поскольку он устраняет источник колебаний, а не поглощает их.

В5: Как узнать, что детали изнашиваются?

Следите за эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и временем нарастания. В одном приборе, которому 9 лет, значение ESR упало с 2.0 нФ до 1.78 нФ, а ESR увеличилось с 35 мОм до 180 мОм, что привело к увеличению времени нарастания до 280 нс и повышению отклонения до ±15%. После замены детали время нарастания составило 85 нс, а отклонение — ±4%. Регистрируйте оба показателя раз в год.

В6: Что ждет модулятор с широкой запрещенной зоной в будущем?

SiC-переключатель вращается быстрее, чем IGBT, поэтому импульс становится короче, и к характеристикам компонентов предъявляются более высокие требования. Следующая цель — эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) менее 1 нГн, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) менее 10 мОм и собственная резонансная частота выше 200 МГц. Система охлаждения внутри компонента также помогает, поскольку снижает тепловыделение с 5 °C/Вт до 0.5 °C/Вт и позволяет работать на частоте выше 400 Гц.

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 60601-2-1, Медицинское электрооборудование — Часть 2-1: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам электронных ускорителей в диапазоне от 1 МэВ до 50 МэВЖенева: МЭК, 2014.
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. Бенфорд Дж., Свегл Дж.А. и Шамилоглу Э., Микроволны высокой мощности, 3-е изд. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, 2015.
8. Х. Накао, Ю. Ёнезава, Т. Сугавара, Ю. Накашима и Ф. Курокава, Метод онлайн-оценки деградации электролитических конденсаторов для прогнозирования отказов импульсных источников питания с цифровым управлениемIEEE Transactions on Power Electronics, том 33, № 3, стр. 2552-2558, 2018. https://doi.org/10.1109/tpel.2017.2691048
9. 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/.
10. 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 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com