Halcyon SSMM: Высоковольтные фильтрующие конденсаторы для медицинских линейных ускорителей

Halcyon SSMM: Высоковольтные фильтрующие конденсаторы для медицинских линейных ускорителей

Резюме

Твердотельный магнетронный модулятор Halcyon вмещает фильтр на 50 кВ в объем 0.3 м³ без воздушного охлаждения. Нагрузку несут три узла фильтра: звено постоянного тока, драйвер магнетрона и вспомогательные шины. В этой статье приводятся уравнения пульсаций, импеданса и энергии, пределы тепловыделения, возникающие при кондуктивном охлаждении, а также набор компонентов, обеспечивающий пульсации шины на уровне 4.4 % и среднее время безотказной работы (MTBF) на уровне 90 000 ч.

1. Введение

Компания Varian Halcyon выпустила на рынок полностью цифровой линейный ускоритель в 2017 году. В настоящее время установлено более 2000 таких устройств, каждое из которых работает на основе твердотельного магнетронного модулятора без водородного тиратрона.

Преимущество по сравнению с линейным модулятором велико. Объём уменьшается с 2 м³ до 0.3 м³, вес — с 400 кг до 80 кг, а дрожание — с 50 нс до менее 2 нс. Срок службы увеличивается с 30 000 ч до 100 000 ч.

Фильтр – вот где усиление становится труднодостижимым. В стойке нет вентилятора, поэтому тепло передается исключительно за счет теплопроводности, а плотность компонентов превышает 10 частиц на дм³.

В данной статье рассматриваются три узла фильтра, уравнения пульсаций и импеданса, пределы тепловыделения, правила компоновки и набор компонентов, которые им соответствуют.

2. Основной механизм

2.1 Пульсирующий ток через дроссель

Дроссель определяет величину колебаний тока во время импульса:

ΔI_pp = V_bus · t_pulse / L_filter

где ΔI_pp — пульсирующий ток в А, V_bus — напряжение шины в кВ, t_pulse — ширина импульса в мкс, а L_filter — значение дроссельного сопротивления в мГн.

При напряжении 50 кВ, длительностью импульса 4 мкс и индуктивности 1.5 мГн пульсирующий ток составляет 133 А. Этот ток протекает в блоке и нагревает его.

2.2 Пульсации напряжения на шине

Значение банковского счета преобразует колебания тока в колебания напряжения:

ΔV_pp = ΔI_pp · t_discharge / C_total

где ΔV_pp — пульсация напряжения в кВ, ΔI_pp — пульсация тока в А, t_discharge — время разряда в мкс, а C_total — емкость батареи в нФ.

При токе 133 А, времени задержки 4 мкс и емкости 18 нФ пульсации напряжения составляют 29.6 кВ, что составляет 59 % от пульсаций на шине. Увеличение емкости блока до 36 нФ и дроссельного сопротивления до 5 мГн снижает их до 4.4 %.

2.3 Согласование импеданса с магнетроном

Контур управления должен соответствовать импедансу магнетрона:

Z_0 = √(L / C) = R_dyn

где Z_0 — импеданс контура в Ом, L — индуктивность контура в мкГн, C — значение импеданса контура в нФ, а R_dyn — импеданс магнетрона в Ом.

Магнетрон потребляет 500 А при напряжении 50 кВ, поэтому сопротивление R_dyn составляет 100 Ом. Для емкости 1 нФ требуется 10 мкГн, а для емкости 2 нФ — 20 мкГн.

2.4 Накопленная энергия в банке

В аккумуляторном блоке должно быть достаточно энергии для одного импульса:

E = ½ · C_total · V_bus²

где E — запасённая энергия в Дж, C_total — значение энергии в нФ, а V_bus — напряжение шины в кВ.

Шесть элементов при емкости 3 нФ и напряжении 50 кВ обеспечивают энергию 22.5 Дж. Этого достаточно для импульса длительностью 4 мкс при мощности 2.5 МВт с запасом.

2.5. Повышение температуры на опорной плите

Без вентилятора компоненты охлаждаются через корпус:

ΔT = P_loss · R_th

где ΔT — повышение температуры в °C, P_loss — потери в Вт, а R_th — тепловое сопротивление в °C/Вт.

При потерях мощности 40 Вт и температуре 0.75 °C/Вт повышение температуры составляет 30 °C. При превышении этого значения температура в горячей точке превышает 105 °C, и деталь быстро изнашивается.

Рис. 1 — Три узла фильтра SSMM и измеренные коэффициенты усиления: пульсации шины от 59% до 4.4%, перерегулирование в хвостовой части от 25% до менее 5% и время нарастания от 200 нс до 100 нс.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Первый проход не достигает целевого уровня пульсаций.

Дроссель 1.5 мГн с конденсатором 18 нФ дает пульсации 59 % на импульсе длительностью 4 мкс. Это колебание передается на управление магнетроном, поэтому выходной импульс уменьшается, и мощность дозы изменяется вместе с ним. Оптимальное решение — использовать конденсаторы на 36 нФ и 5 мГн с обеих сторон.

Проблема 2: Кондуктивное охлаждение не оставляет запаса прочности.

В стойке нет вентилятора. Тепло отводится через алюминиевую пластину толщиной 5 мм и термопасту толщиной 50–100 мкм. Перегрев одной точки выше 105 °C сокращает срок службы детали вдвое, а деталь массой 200 г с плохим контактом нагревается сильнее, чем соседние детали.

Проблемный момент 3: Кольцевые отложения на индуктивности рассеяния

Индуктивность рассеяния трансформатора и паразитное значение образуют петлю, которая колеблется в хвостовой части импульса. Измеренное перерегулирование достигает 25 %, а отраженная мощность находится около −15 дБ. Эта петля приводит к эмиссии катода и добавляет дрожание к выходному импульсу.

Проблема 4: Стеллаж слишком мал для количества деталей.

Плотность размещения компонентов превышает 10 деталей на дм³, поэтому детали с выводами, припаянными к плате, занимают много места и времени на сборку. Монтаж занимает 30 секунд на деталь, что слишком медленно для скорости сборки в 2000 единиц.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Рассчитать параметры канала постоянного тока исходя из целевого значения пульсаций.

Сначала установите целевое значение пульсаций, затем решите уравнения для C и L одновременно. Блок конденсаторов емкостью 36 нФ с дросселем 5 мГн дает пульсации 4.4 % при 50 кВ. Увеличение напряжения только на дросселе до 5 мГн позволяет достичь лишь 17.8 %, поэтому необходимо изменить оба значения.

Стратегия 2: Используйте компоненты с низким уровнем звукового давления и короткими выводами.

Сохраняйте эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) компонентов ниже 5 нГн и обрезайте выводы на длину менее 5 мм. Разместите шунтирующие элементы на расстоянии не более 5 мм от каждого каскада IGBT и проложите высокочастотный путь на слое 3 в виде полосковой линии с импедансом 50 Ом.

Стратегия 3: Обход катода

Установите четыре конденсатора по 470 пФ и напряжением 30 кВ на катоде магнетрона. По ним протекает высокочастотный ток, который в противном случае возвращался бы в фазу за счет индуктивности рассеяния трансформатора. Измеренное перерегулирование в хвостовой части снижается с 25 % до менее 5 %.

Стратегия 4: Заточить основное лезвие

Добавьте два конденсатора емкостью 1 нФ и напряжением 40 кВ на первичную обмотку импульсного трансформатора. Они подают заряд на переднем фронте импульса коротким импульсом, и измеренное время нарастания уменьшается с 200 нс до 100 нс. Поддерживайте заряд фотодиода ниже 5 пКл, чтобы фронт оставался чистым.

Стратегия 5: Подберите сопротивление петли к 100 Ом.

Установите Z_0 = √(L / C) равным значению сопротивления магнетрона 100 Ом. При 1 нФ контур требует 10 мкГн; при 2 нФ — 20 мкГн. Несоответствие отражает мощность обратно в дроссель и поднимает кольцо в хвостовой части.

Стратегия 6: Охладить теплопроводностью и проверить в нагретом состоянии.

Прикрепите детали к алюминиевой пластине толщиной 5 мм с помощью смазки 5 Вт/м·К при толщине слоя 50–100 мкм и установите затяжку шпилек M5 на 3 Н·м. Проведите испытания в течение 8 часов при полной нагрузке, поддерживая повышение температуры ниже 30 °C, при этом температура в отдельных зонах должна быть ниже 105 °C.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Основное значение фильтра (HVDCT-302/60 кВ)	3 нФ, 6 параллельно	Шина 50 кВ, импульс 4 мкс
ESL на фильтрующую часть	ниже 5 нГн	1 МГц
ESR на часть фильтра	ниже 30 мОм	1 МГц
Обход катода (HVCT-471/30 кВ)	470 пФ, 4 части	пиковое напряжение 50 кВ
Заточная часть (HVDCT-102/40 кВ)	1 нФ, 2 части	ПД ниже 5 пКл
Быстровосстанавливающийся диод (HVD-30)	trr ниже 50 нс	30 кВ, 5 А
Повышение температуры при полной нагрузке	ниже 30 ° C	8 ч, только проведение

5. Компоненты HVC для фильтра SSMM

Фильтр состоит из четырех типов компонентов: блока звена постоянного тока, катодного байпаса, основного заточного элемента и выпрямительный диодКомпания HVC производит все четыре устройства на собственном заводе площадью 6000 м² в Дунгуане и объединяет их в один комплект с демпфирующими резисторами.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Основной фильтр имеет емкость 3 нФ и напряжение 60 кВ. Шесть параллельно соединенных частей дают емкость 18 нФ и энергию 22.5 Дж при плотности тока 1.5 дм³ и массе 1.2 кг. Путь утечки выше 20 мм/кВ охватывает шину 50 кВ.
• ESL ниже 5 нГн. Детали дверной ручки HVCT Вместо припаянных выводов используйте резьбовую головку M5, чтобы петля оставалась короткой, а кольцо — низким.
• Катодный шунт при 470 пФ. Четыре участка при 30 кВ удерживают выброс в хвостовой части сигнала ниже 5 % и повышают отраженную мощность с −15 дБ до −25 дБ.
• Улучшение характеристик при 1 нФ и 40 кВ. Два элемента сокращают время нарастания с 200 нс до 100 нс, при этом емкость фотодиода поддерживается на уровне менее 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное.
• Координированные части. быстровосстанавливающийся диод для выпрямительного моста, HVR-HTE демпфирующие резисторы для демпфирующего IGBT-транзистора, и резисторы выборки HVRGHP Датчик положения автобуса можно заказать одним комплектом.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. VishayИспользовались компоненты AVX, Murata и TDK. Один из измеренных показателей позволил снизить себестоимость детали на 38 %, объем производства на 35 % и увеличить среднее время безотказной работы (MTBF) с 35 000 ч до 90 000 ч.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты фильтров — в течение 6–10 недель, тогда как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в проектировании пульсаций, согласовании импеданса и расчете тепловых характеристик.

Отправьте напряжение шины, ширину импульса, частоту повторения и ограничение по пространству. HVC вернет вам лист соответствия с номерами деталей, данными о пульсациях и комплектом из двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какая емкость шины необходима для однофазной сети 50 кВ?

Этого достаточно, чтобы удержать пульсации ниже 5 %. Дроссель 1.5 мГн с емкостью 18 нФ обеспечивает пульсации 59 % на импульсе длительностью 4 мкс. Блок емкостей 36 нФ с дросселем 5 мГн достигает 4.4 %. Блок также должен накапливать энергию импульса: емкость 18 нФ при 50 кВ вмещает 22.5 Дж.

В2: Почему бы не увеличить только значение дроссельного клапана?

Дроссель 5 мГн с блоком конденсаторов 18 нФ по-прежнему дает пульсации в 17.8 %, поскольку напряжение пульсаций делится между двумя значениями. Обе стороны должны перемещаться: 5 мГн с 36 нФ достигает 4.4 %. Дополнительный дроссель также добавляет 1.5 кг и 0.4 дм³ к стойке объемом 0.3 м³.

В3: Для чего нужна часть, отвечающая за обход катода?

Он пропускает высокочастотный ток через катод магнетрона, поэтому индуктивность рассеяния трансформатора не отражается обратно в усилитель. Четыре элемента по 470 пФ, работающие при напряжении 30 кВ, уменьшают выбросы в хвостовой части сигнала с 25 % до менее 5 % и повышают отраженную мощность с −15 дБ до −25 дБ.

Вопрос 4: Можно ли использовать фильтр без вентилятора?

Да, если потери остаются низкими. Теплопроводность через алюминиевую пластину толщиной 5 мм с смазкой 5 Вт/м·К обеспечивает повышение температуры на 30 °C при потерях 40 Вт. При мощности выше 200 Вт требуется принудительное воздушное охлаждение, а при мощности выше 500 Вт — водяное охлаждение.

В5: Как установить значение параметра заточки?

Исходя из импеданса контура: Z_0 = √(L / C) = 100 Ом для магнетрона, потребляющего 500 А при 50 кВ. При использовании конденсатора 1 нФ контуру требуется 10 мкГн. Две конденсатора по 1 нФ на 40 кВ на первичной обмотке сократят время нарастания с 200 нс до 100 нс.

В6: Какой тест проверяет правильность конструкции фильтра перед его изготовлением?

Три. Выполните расчет пульсаций при наихудшей ширине импульса, проведите термическое тестирование в течение 8 часов при полной нагрузке с повышением температуры менее 30 °C и проведите тест на дрожание сигнала на протяжении 1000 импульсов с результатом менее 2 нс. Перегрев выше 105 °C приводит к отказу в проектировании.

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. СИСПР 11, Промышленное, научное и медицинское оборудование. Характеристики радиочастотных помех. Пределы и методы измеренияЖенева: МЭК, 2016.
5. МЭК 60068-2-6, Экологические испытания — Часть 2-6: Испытания — Испытание Fc: Вибрация (синусоидальная)Женева: МЭК, 2007.
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. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
8. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
9. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
10. 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.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com