Как правильно подобрать 286 конденсаторов для блока PFN-Marx на 516 кВ

Как правильно подобрать 286 конденсаторов для блока PFN-Marx на 516 кВ

Резюме

22-ступенчатая батарея PFN-Marx, состоящая из 286 керамических конденсаторов, выдает напряжение 516 кВ с временем нарастания 11 нс при частоте 20 Гц. Однородность этих 286 элементов определяет фронт импульса, его плоскую вершину и срок службы батареи. В данной статье приводятся соотношения ширины импульса и импеданса, дрожание, создаваемое разбросом емкостей, трехступенчатый метод сортировки и тепловые показатели для 72 000 импульсов в час.

1. Введение

Для промышленной импульсной рентгенографии толстостенной стали и бетона требуются импульсы длительностью от 100 нс до субмикросекунд при напряжении в несколько сотен киловольт. Один модуль Маркса не может сформировать такой импульс, а одна импульсная формировочная сеть не может обеспечить необходимое напряжение.

PFN-Marx сочетает в себе оба подхода. Каждый каскад Маркса содержит небольшую схему формирования импульсов, поэтому каскад одновременно умножает напряжение и формирует импульс. 22-каскадная конструкция, заряженная до 23.5 кВ на каскад, достигает 516 кВ с временем нарастания 11 нс при частоте 20 Гц.

Каждый каскад содержит 13 конденсаторов, поэтому в общей сложности батарея содержит 286 элементов. Каждый из них должен сохранять свой заряд, разряжаться по команде и принимать на себя ту же долю импульсной нагрузки, что и его соседи.

Это проблема однородности, а не проблема напряжения. В этой статье рассматриваются соотношения, которые превращают допуск по емкости в дрожание входного сигнала и последовательный дисбаланс, а также этапы сортировки, подбора и тестирования, благодаря которым 286 блоков работают как единое целое.

2. Основной механизм

2.1 Конденсаторы внутри каскада PFN-Marx

Каждый каскад представляет собой сосредоточенную LC-цепь. Ширина импульса зависит от количества секций, индуктивности каскада и емкости каскада:

τ = 2 · N · √(L · C)

Где τ — ширина импульса в нс, N — количество LC-секций в каскаде, L — индуктивность секции в нГн, а C — емкость секции в нФ. Импеданс сети принимает те же два значения:

Z_0 = √(L / C)

Где Z_0 — импеданс сети в Ом, L — индуктивность участка в нГн, а C — емкость участка в нФ. Импеданс должен соответствовать нагрузке лампы, поэтому значение емкости определяет согласование в той же степени, что и значение индуктивности.

Затем напряжения на каскадах суммируются последовательно, и выходное напряжение представляет собой сумму напряжений на каждом каскаде:

V_out = n_stages · V_charge

Где V_out — выходное напряжение в кВ, n_stages — количество ступеней, а V_charge — напряжение заряда на ступень в кВ. 22-ступенчатая батарея с напряжением 23.5 кВ на ступень дает около 516 кВ.

2.2 Разброс емкости превращается в разброс импеданса

Сеть усиливает разброс емкостей. Равномерность импеданса одного из каскадов обеспечивается следующим образом:

ΔZ / Z = (ΔC / C) · (M / n)

Где ΔZ/Z — относительный разброс импеданса, ΔC/C — относительный разброс емкости, M — количество конденсаторов в каскаде, а n — количество секций. При наличии 13 конденсаторов в каскаде разброс емкости в 2% становится большим разбросом на клеммах каскада, поэтому допуск является доминирующей переменной в блоке.

Вследствие такого же разброса возникает ошибка напряжения на каждом этапе:

ΔV_m ≈ x · V_charge

Где ΔV_m — погрешность напряжения одного каскада в кВ, x — относительная погрешность емкости, а V_charge — напряжение заряда в кВ. Эта погрешность проявляется на фронте импульса в виде локальных колебаний.

2.3 Измерение дрожания в зависимости от допустимой емкости

Программа с использованием 286 конденсаторов измеряла зависимость между допуском и дрожанием. При разбросе емкости в 5% дрожание передней части составляло 1.5 нс, а при разбросе в 2% оно снизилось до 0.5 нс. Трехкратное увеличение синхронизации проявляется на изображении в виде меньшего фокусного пятна и повторяемости экспозиции.

При времени нарастания 11 нс дрожание в 1 нс составляет почти 10% от края изображения. Этого достаточно, чтобы размыть фокусное пятно на снимке цифровой рентгенографии, поэтому порог дрожания должен устанавливаться исходя из требований к изображению и передаваться в параметры допуска детали.

2.4 Потери и нагрев при 20 Гц

Частота 20 Гц означает 1,200 импульсов в минуту, 72 000 в час и 36 миллионов в течение 500 рабочих часов. Два компонента потерь приводят к выделению тепла в каждом конденсаторе:

P_ESR = I_rms² · ESR

Где P_ESR — омические потери в Вт, I_rms — среднеквадратичный импульсный ток в А, а ESR — последовательное сопротивление в мОм. Диэлектрический член зависит от частоты, емкости и коэффициента потерь:

P_DF = 2πf · C · V² · DF

Где P_DF — диэлектрические потери в Вт, f — частота повторения импульсов в Гц, C — емкость в нФ, V — рабочее напряжение в кВ, а DF — коэффициент рассеяния. Диэлектрик класса I с коэффициентом рассеяния ниже 0.1% уменьшает этот параметр примерно в 10 раз по сравнению с диэлектриком класса II.

Рис. 1 — Сортировка 286 устройств по номинальному напряжению, емкости и ESR позволяет снизить дрожание фронта импульса с 1.5 нс до 0.5 нс на фронте импульса длительностью 11 нс.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: совпадение ±1% — это ограничение процесса, а не строка каталога.

Для обеспечения соответствия с точностью ±1% необходимо измерить и классифицировать каждую единицу, при этом для каждой детали должны быть зарегистрированы емкость, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и коэффициент диффузии (DF). Без такой системы срок поставки увеличивается на 4–8 недель, а этап подбора становится ограничивающим фактором для всей программы производства приборов.

Решение заключается в том, чтобы поставщик владел этапом сортировки. Калиброванный контрольный образец с полными протоколами испытаний превращает проблему с допусками в пункт в списке поставок.

Проблема 2: Недостаток последовательного соединения приводит к перенапряжению на заключительных этапах.

В 22-ступенчатой ​​структуре небольшие различия в паразитной емкости и рассеянном поле искажают желаемое равномерное деление. В результате заключительные ступени работают с превышением своей доли, частичный разряд начинается с внутренних дефектов, и дерево растет с каждым разрядом.

Анализ отказов по Марксу в полевых условиях в большинстве случаев указывает на последние стадии. Регулятор напряжения на каждой стадии поддерживает деление в установившемся режиме в пределах ±5% от идеального значения и защищает наиболее интенсивно работающие компоненты.

Проблемная точка 3: Выход из строя одного устройства приводит к отключению всего банка.

При наличии 286 конденсаторов, соединенных последовательно-параллельно, одно короткое замыкание в блоке выводит систему 516 кВ из строя. В полевых условиях неисправный блок трудно обнаружить без данных по каждой ступени.

Ответ кроется в статистических и документальных данных. Длительность импульсного режима более 10⁶ импульсов на единицу снижает частоту отказов массива ниже целевого показателя системы, а наличие записи о партии позволяет отследить неисправную единицу и заменить её из той же партии без повторной квалификации блока.

Проблема №4: Внутри герметичного корпуса накапливается тепло.

При частоте 72 000 импульсов в час небольшие потери за один импульс суммируются. Блок, собранный из компонентов класса II с коэффициентом детерминации от 1% до 3%, может достичь внутреннего повышения температуры на 40–60 °C в течение часа, при этом емкость изменяется в зависимости от температуры.

Затем дрейф смещает согласование импедансов и плоскую форму пика. Диэлектрик класса I с коэффициентом диэлектрической проницаемости ниже 0.1% удерживает установившийся рост в пределах проектных значений на протяжении всей производственной смены.

Проблемный момент 5: дрожание сигнала в диапазоне 11 нс.

Дрожание фронта импульса обусловлено допуском емкости, рассеянием на переключателе и пульсациями напряжения заряда. При фронте импульса в 11 нс разброс в 1 нс обходится почти в 10% фронта импульса, и фокусное пятно увеличивается вместе с ним.

Можно подобрать параметры только для отдельных компонентов: емкость, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и характеристики заряда для всех 286 устройств. Затем переключатель и зарядное устройство подключаются к своим собственным затворам.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Сортировка в три этапа перед сборкой.

Сначала отсортируйте по номинальному напряжению, затем по емкости, а затем по эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR). Эти три шага позволят сформировать подгруппы, совпадающие по всем трем значениям. Поддерживайте погрешность измерения емкости в пределах ±1% и ESR в пределах 5% на каждом этапе отбора из 13 устройств.

Перед интегрированием проверьте равномерность импеданса каскада по формуле ΔZ / Z = (ΔC / C) · (M / n). Каскад, не прошедший проверку на джиттер в этой точке, обходится в один комплект, а каскад, не прошедший проверку после сборки, обходится банку.

Стратегия 2: Вести учет участка в банке.

Записать элемент	Контент	Используйте
Код даты.	Номер партии и дата изготовления каждой единицы.	Проследите причину отказа в полевых условиях до момента его возникновения.
Измерены показатели С и СОЭ.	Значение на единицу при 1 кГц.	Замените один блок из той же партии.
Форма сигнала этапа.	Выписные эпикризы по этапам лечения.	Анализ причин отказов и проверка на дрейф.
Отчет ПД.	Уровень напряжения в 1.5 раза выше номинального.	Открыть ворота для банка.

Стратегия 3: Провести полномасштабное тестирование первого банка для оценки его эффективности.

Проведите 500-часовое ускоренное импульсное испытание первого производственного блока и выполните в нем 10⁶ выстрелов. Измерьте дрожание передней части, просадку на плоской вершине и повышение температуры в установившемся режиме при частоте 20 Гц.

Тест	Состояние	Gate
Дрожание передней части тела.	Согласованный банк ±1%, 20 Гц.	Менее 0.5 нс.
Плоская вершина провисает.	Полное напряжение, согласованная нагрузка.	В пределах спецификации импульса.
Повышение температуры.	72 000 импульсов в час.	В пределах допустимого количества случаев.
Жизнь пульса.	10⁶ выстрелов при номинальном напряжении.	Отсутствует дрейф параметров за пределами затвора.

Стратегия 4: Укажите подходящий банк с отчетами о тестировании.

Запросите у банка протокол испытаний по каждому элементу: емкость, ESR, DF и PD при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Включите калиброванный срок поставки в график проекта, чтобы этап согласования никогда не попадал в критический путь.

Добавьте к каждому каскаду выравнивающий резистор HVRGFP. градуировочный резистор выравнивает установившееся напряжение на всех 22 каскадах, что предотвращает возникновение частичного разряда на последнем каскаде.

Стратегия 5: Совместное управление тепловым режимом и надежностью.

Проверьте P_ESR + P_DF в точке 20 Гц и поддерживайте температуру корпуса ниже предела снижения мощности. Регистрируйте температуру блока и напряжение на каждой ступени во время ввода в эксплуатацию, чтобы дисбаланс проявился до того, как он вызовет образование древовидной структуры.

A резистор выборки HVRGXP В цепи заряда это позволяет считывать напряжение на этапе без повреждения корпуса. Используйте коэффициент ±30 ppm/°C диэлектрика класса I для поддержания амплитуды во время сдвига.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальная мощность (серия HVR)	50 Вт при 70 °C	Алюминиевый корпус, свободный поток воздуха.
Значение сопротивления	10 кОм ±5 %	Референсное значение 25 °C.
Рабочее напряжение	10 кВ переменного/постоянного тока	непрерывный.
Устойчивость к импульсам	30 кВ при 10 мкс	10 импульсов, класс IEC 60110.
Температурный коэффициент (резистивный)	±50 частей на миллион/°C	от −55 °С до +155 °С.
сопротивление изоляции	сопротивление выше 1 ГОм при напряжении 1000 В постоянного тока	Ползучесть не менее 25 мм.
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка.

5. Конденсаторные батареи HVC для систем PFN-Marx 516 кВ

Компания HVC поставляет калиброванные конденсаторные батареи, которые должны работать как единое целое, на заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане. Диэлектрик N4700 охватывает диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ и емкость от 100 пФ до 100 нФ, а на заводе осуществляется сортировка и документирование, необходимые для обеспечения соответствия с точностью ±1%.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• При массовом изготовлении на заказ допуск калибруется от ±0.5% до ±1%, поэтому измеренное дрожание сигнала на 0.5 нс становится техническим требованием.
• Коэффициент диэлектрических потерь ниже 0.1% на частоте 1 кГц. Диэлектрические потери остаются примерно в 10 раз ниже, чем у компонентов класса II, в рабочей точке 20 Гц.
• An N4700 Диэлектрик класса I с минимальным старением под воздействием повторяющихся импульсов. Емкость сохраняется более 10⁶ импульсов, поэтому согласование импедансов не изменяется.
• Частицы разряда имеют емкость 5 пКл или менее при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. На заключительных этапах 22-ступенчатой ​​схемы предотвращается образование древовидных структур.
• Сверхнизкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), благодаря чему пиковое значение P_ESR остается небольшим — 72 000 импульсов в час, и батарея работает полную смену без теплового дрейфа.
• Согласованные комплекты плюс сеть градуировочных резисторов. Компоненты HVRGFP обеспечивают 22-ступенчатое деление в пределах ±5%, а HVCT8G Этот пакет передает разрядный ток на шину ступени.

Доставка и поддержка

Комплектные блоки питания поставляются в течение 4-8 недель с полными протоколами испытаний, в то время как импортные блоки — в течение 20-30 недель. Каждый блок имеет измеренные значения емкости, ESR, DF и PD.

Отправьте количество каскадов, количество конденсаторов на каскад, напряжение заряда, ширину импульса и частоту повторения. HVC вернет план сортировки, диаграмму значений по каждому каскаду и т. д. Перекрестная ссылка по оригинальным артикулам, и соответствующий комплект для одного этапа в течение пяти рабочих дней. быстровосстанавливающийся диод Данная опция включает в себя выпрямитель заряда в той же партии товара.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему допуск по емкости так важен?

Потому что сеть усиливает это. Разброс импеданса каскада следует закону ΔZ / Z = (ΔC / C) · (M / n), поэтому 13 конденсаторов в одном каскаде превращают 2%-ный допуск детали в более широкий разброс на выводах каскада. Измеренные данные показывают, что передний джиттер снижается с 1.5 нс при 5% допуске до 0.5 нс при 2%.

В2: Как отсортировать 286 конденсаторов?

В три этапа: номинальное напряжение, затем емкость, затем ESR. На каждом этапе формируются подгруппы, соответствующие только что измеренному значению. В каждой группе из 13 единиц необходимо обеспечить соответствие емкости с точностью ±1% и ESR с точностью до 5%, а также вести учет всей партии.

В3: Что обеспечивает равномерность 22-ступенчатого деления напряжения?

На каждом каскаде установлен градуировочный резистор. Паразитная емкость и рассеянное поле искажают равномерное деление, и на конечных каскадах накапливается ошибка, которая приближает их к моменту возникновения частичного разряда. Согласованная резисторная сеть поддерживает установившееся деление в пределах ±5% от идеального значения.

Вопрос 4: Сколько тепла выделяет генератор с частотой 20 Гц?

Этого достаточно, чтобы иметь значение в герметичном корпусе. При частоте 20 Гц батарея срабатывает 72 000 раз в час, и как P_ESR = I_rms²·ESR, так и P_DF = 2πf·C·V²·DF выделяют тепло. Батарея класса II с коэффициентом детерминации DF от 1% до 3% может нагреваться на 40–60 °C в течение часа, поэтому деталь класса I с коэффициентом детерминации DF ниже 0.1% является практическим выбором.

В5: Что произойдет, если один из 286 блоков выйдет из строя?

Блок останавливается. Записи осциллограмм для каждого этапа и коды даты для каждого блока позволяют отследить неисправный блок и заменить его из той же партии, без повторной проверки всего блока. Длительность импульсного режима более 10⁶ импульсов на блок обеспечивает низкую вероятность возникновения подобных инцидентов по сравнению с целевым показателем доступности системы.

В6: Какой тест позволяет отдать предпочтение первому банку?

Ускоренное импульсное тестирование, рассчитанное на 500 часов и включающее 10⁶ импульсов, с измерением дрожания передней панели, просадки плоской вершины и температуры корпуса при частоте 20 Гц. Выпускать конструкцию следует только тогда, когда измеренное дрожание останется ниже 0.5 нс при полной нагрузке повторения.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
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. Г. Д'Антона и Л. Перфетто, Локализация частичных разрядов в изолированных распределительных устройствах методом расширения собственных функций.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, том 68, № 5, стр. 1294-1301, 2019. https://doi.org/10.1109/tim.2019.2904806
8. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
9. Куффель, Э., Заенгль, В.С., и Куффель, Дж. Высоковольтная техника: основы, 2-е изд. Оксфорд: Ньюнес, 2000.
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, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com