Управление дрожанием сигнала на затворе IGBT для модуляторов линейных ускорителей UHDR

Управление дрожанием сигнала на затворе IGBT для модуляторов линейных ускорителей UHDR

Резюме

В твердотельном линейном ускорителе-модуляторе дрожание управляющего затвора определяет ошибку амплитуды импульса и скорость дозы. В этой статье рассматриваются источники дрожания в цепи управления, преобразование дрожания в ошибку импульса, характеристики драйвера и резисторов, выдерживающих 300 пс, а также правила отбора для 40-ступенчатой ​​структуры IGBT. Измеренная 40-ступенчатая структура после отбора показала среднеквадратичное отклонение 0.65 нс.

1. Введение

Современная лучевая терапия работает на основе точности мощности дозы в пределах ±0.5 %. Это соответствует погрешности амплитуды импульса в ±0.2 %.

Требования к UHDR FLASH более жесткие. При дозе выше 40 Гр/с энергия одиночного импульса должна оставаться в пределах ±0.1 %, а разброс между импульсами — в пределах ±0.05 %.

Дрожание затвора определяет разброс значений. Одна наносекунда дрожания затвора изменяет высоту импульса примерно на 0.5 %. Целевое значение в 300 пс снижает ошибку до 0.15 %.

В данной статье рассматриваются источники дрожания сигнала, передаточная функция дрожания, выбор драйвера и резистора, изоляция волокна, 40-ступенчатая схема запуска и метод тестирования, подтверждающий результат.

2. Основной механизм

2.1 Отклонение джиттера от импульсной ошибки

Ошибка амплитуды импульса соответствует соотношению дрожания и времени нарастания:

ΔV_pulse / V_pulse = t_jitter / t_rise

где ΔV_pulse — ошибка высоты импульса, V_pulse — целевая высота, t_jitter — дрожание затвора, а t_rise — время нарастания импульса.

Примите время нарастания 200 нс. Джиттер в 2 нс дает погрешность в 1%. Джиттер в 300 пс дает погрешность в 0.15%. Целевое значение в 300 пс — это то, что необходимо для работы с UHDR.

2.2. Извлечение корня из суммы квадратов по всей цепочке.

Каждое звено добавляет дрожание в среднеквадратичном значении. Четыре звена дают:

t_total = √(t_1² + t_2² + t_3² + t_4²)

где t_1 — дрожание триггера, t_2 — дрожание изоляции, t_3 — дрожание микросхемы драйвера, и t_4 — дрожание петли затвора.

Последовательность импульсов 100 пс, 500 пс, 50 ​​пс и 100 пс дает 525 пс. Если уменьшить изолирующее звено до 150 пс, общее время уменьшится до 220 пс.

2.3 Значение резистора затвора

Резистор на затворе демпфирует контур и определяет скорость переключения. Его оптимальное значение следующее:

R_g = √(L_loop / C_ies)

где L_loop — индуктивность контура затвора в нГн, C_ies — входное значение IGBT в нФ, а R_g — сопротивление затвора в Ом.

При L_loop = 50 нГн и C_ies = 20 нФ оптимальное значение составляет 1.6 Ом. Более высокие значения уменьшают колебания и одновременно увеличивают джиттер.

2.4 Рост дрожания на протяжении 40 этапов

Параллельные этапы запускаются из одного источника, поэтому разброс — это промежуток между первым и последним этапом:

Δt_RMS = √N · σ

где N — количество этапов, σ — дрожание на этапе в пикосекундах, а Δt_RMS — разброс стека в наносекундах.

При N = 40 и σ = 200 пс разброс составляет 1.26 нс. При увеличении времени экранирования до σ = 100 пс он уменьшается до 0.63 нс.

Рис. 1 — Джиттер в 300 пс удерживает ошибку импульса на уровне около 0.15%, а 2 нс увеличивают её до более чем 1% при времени нарастания 200 нс.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Оптопара устанавливает минимальный уровень дрожания сигнала.

Оптопара — дешевое и простое устройство. Ее джиттер составляет 200–1000 пс, и со временем она изнашивается. Для канала связи с джиттером 1000 пс не остается места для целевого значения в 300 пс, поэтому в UHDR-проектах используются оптоволоконная или цифровая изоляция.

Проблема 2: Большой резистор на затворе скрывает ошибку синхронизации.

Резистор на затворе сопротивлением 10 Ом уменьшает колебания и замедляет фронт импульса. Время нарастания увеличивается с 30 нс до 150 нс, а дрожание — с 50 пс до 500 пс. Замедленный фронт увеличивает отношение дрожания к времени нарастания, поэтому ошибка амплитуды импульса возрастает.

Болевой пункт 3: 40 стадий умножают распространение.

Каждый этап имеет свою задержку. При задержке 200 пс на этап и отсутствии экранирования разброс стека достигает 1.26 нс СКЗ, или 3.8 нс при 3σ. Это значение превышает целевой показатель мощности дозы ±0.5 %.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите микросхему драйвера с низким уровнем джиттера.

Удерживайте джиттер драйвера менее 100 пс, согласование задержки менее 5 нс и время нарастания менее 10 нс. TI UCC21750 работает при джиттере 50 пс с выходным током 5 А и изоляцией 5.7 кВ. Infineon 1ED3124 обеспечивает ток 14 А при 100 пс.

Стратегия 2: Установите резистор затвора из контура.

Начните с R_g = √(L_loop / C_ies) и подгоните значение на стенде. Значение, близкое к 2.2 Ом, обеспечивает баланс между джиттером и скоростью: джиттер 100 пс с временем нарастания 50 нс. Значения выше 4.7 Ом увеличивают джиттер до более чем 200 пс.

Стратегия 3: Выберите изоляцию для целевого показателя дрожания.

Изоляция по оптоволокну длится 50–200 пс и не учитывает основной импульс 50 кВ. Цифровая изоляция длится 50–150 пс и требует барьера 5 кВ. Индуктивная связь длится 100–300 пс и подходит для устройств среднего класса. Емкостная связь компактна, но имеет ограниченное расстояние до источника питания.

Стратегия 4: Удерживайте небольшой размер петли управления.

Площадь контура должна быть менее 1 см², ширина затворной дорожки — более 2 мм, а драйвер — на расстоянии не более 5 мм от вывода затвора. Добавьте развязывающие конденсаторы емкостью 100 нФ и 1 мкФ на расстоянии не более 3 мм от выводов питания. Измеренные пульсации напряжения питания снижаются со 100 мВ до 5 мВ, а дрожание — с 200 пс до 80 пс.

Стратегия 5: Проверка стека перед сборкой.

Измерьте σ на каждом IGBT-транзисторе после 1000 срабатываний и оставьте только участки со временем срабатывания менее 100 пс. Затем подберите длину волокон с точностью до 1 мм и используйте одну модель драйвера и одно значение резистора затвора для всех 40 каскадов.

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. Детали HVC для цепи привода ворот

Обе группы компонентов отвечают заданным временным параметрам: развязывающие элементы на входе драйвера и резисторы затвора на выходе IGBT-транзистора. Компания HVC производит оба типа компонентов на собственном заводе площадью 6000 м² в Дунгуане и объединяет их в один комплект с разделительными и выпрямительными элементами.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Джиттер менее 100 пс на питании драйвера. Конденсатор 100 нФ 25 В. N4700 Деталь расположена на расстоянии не более 3 мм от вывода драйвера. Пульсации напряжения питания снижаются со 100 мВ до 5 мВ, а доля джиттера — с 200 пс до 80 пс.
• Резисторы затвора с низкой последовательной индуктивностью. толстопленочный резистор Диапазон измерений охватывает значения от 2.0 Ом до 5.0 Ом при мощности 2 Вт, с паразитной индуктивностью менее 20 нГн и допуском ±1 %.
• Снижение концентрации загрязняющих веществ до уровня менее 5 ppm в год. HVR-HTE Детали выдерживают 100 000 часов дрейфа ниже 0.5 %, что добавляет менее 0.05 нс дрожания за 20 лет.
• Частицы тока не превышают 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Это обеспечивает стабильную работу диэлектрика на фронте основного импульса 50 кВ/мкс, благодаря чему изолирующий канал не улавливает дополнительных колебаний.
• Координированные компоненты. резисторы выборки HVRGXP, Детали дверной ручки HVCT8G и быстровосстанавливающиеся диоды Можно заказать в виде единого комплекта для привода затвора, датчика тока и выпрямительного каскада.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. VishayИспользуются компоненты Murata и TDK, применяемые в крупномасштабном производстве модуляторов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты — в течение 6–10 недель, тогда как для указанных выше брендов этот показатель составляет 20–30 недель. Специалисты по проектированию высоковольтных систем поддерживают анализ источников джиттера, выбор драйверов и резисторов, а также проверку предельных значений параметров стека.

Отправьте количество ступеней, целевое время нарастания, модель драйвера и профиль нагрузки. HVC вернет вам соответствующий лист с номерами деталей, данными о джиттере в рабочей точке и комплектом из двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой уровень дрожания затвора может выдержать модулятор линейного ускорителя?

Для стандартных режимов VMAT и IMRT время нарастания составляет менее 2 нс, а для режимов UHDR FLASH при дозе выше 40 Гр/с — менее 500 пс. Предел определяется формулой ΔV_pulse / V_pulse = t_jitter / t_rise. При времени нарастания 200 нс дрожание в 2 нс приводит к ошибке амплитуды импульса в 1 %, что выходит за пределы целевого значения точности ±0.2 % для современных линейных ускорителей.

В2: Почему оптопара плохо подходит для UHDR?

Его дрожание составляет 200–1000 пс, а коэффициент передачи тока снижается с течением времени. Один канал с дрожанием 1000 пс использует весь допустимый диапазон в 300 пс, и при этом не остается запаса для микросхемы драйвера и контура управления. Изоляция по оптоволокну обеспечивает дрожание 50–200 пс и сохраняет это значение на протяжении 20 лет.

Вопрос 3: Какое значение резистора на затворе следует использовать?

Начните с R_g = √(L_loop / C_ies). При индуктивности контура 50 нГн и входном значении 20 нФ результат составляет 1.6 Ом. Значение, близкое к 2.2 Ом, дает джиттер 100 пс с временем нарастания 50 нс, что подходит для большинства 40-каскадных схем. Любое значение выше 4.7 Ом приводит к тому, что джиттер превышает 200 пс.

Вопрос 4: Как развязывающая емкость снижает дрожание сигнала?

Пульсации напряжения питания модулируют пороговое значение драйвера и сдвигают задержку включения. Микросхема емкостью 100 нФ, расположенная на расстоянии 3 мм от вывода питания, плюс микросхема емкостью 1 мкФ, уменьшают измеренные пульсации со 100 мВ до 5 мВ. В результате измеренная доля джиттера в цепи питания снижается с 200 пс до 80 пс.

В5: Как мне отфильтровать 40 IGBT-транзисторов для одного стека?

Измерьте задержку включения по 1000 триггерам для каждого устройства и оставьте только те части, у которых σ меньше 100 пс. Это уменьшит разброс стека с 1.26 нс до 0.63 нс RMS. Затем подберите длину волокон с точностью до 1 мм и используйте одну модель драйвера и один резистор затвора для всего стека.

В6: Как измерить дрожание сигнала на готовом модуляторе?

Используйте осциллограф с полосой пропускания 2 ГГц и частотой дискретизации 10 Гвыб/с, а также щуп с емкостью менее 1 пФ на узле затвор-эмиттер. Запустите 1000 раз, запишите время включения каждого цикла и вычислите стандартное отклонение. Это значение будет однокаскадным джиттером; умножьте на √40 для расчета джиттера.

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 60601-2-1:2020, 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, 2020.
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. Т. Кадзи, Х. Асаи, Т. Нозу, Х. Кодзима и Н. Хаякава, Напряжение начала частичного разряда при импульсном напряжении инвертора с учетом взаимодействия факторов окружающей среды.IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, том 140, № 7, стр. 349-356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349
8. К. Ван, Ю. Конг, П. Фу, Дж. Ван, А. Кумар, К. Олейничак и др., Оценка частичного разряда силового модуля на основе SiC MOSFET с напряжением 3.3 кВ при давлении на высоте полета и переменном напряжении частотой 60 Гц., в сборнике трудов Конгресса и выставки IEEE по преобразованию энергии (ECCE), 2023 г., стр. 5366-5371, 2023 г. https://doi.org/10.1109/ecce53617.2023.10362648
9. Технические заметки по проектированию и надежности конденсаторов (указатель, включая информацию о периоде возникновения дуги, коронном разряде и влиянии компоновки печатной платы на отказы при высоком напряжении), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
10. Рашид, М.Х. (ред.), Справочник по силовой электронике, 4-е изд. Оксфорд: Butterworth-Heinemann, 2017.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com