Высоковольтные конденсаторы для портативных источников неразрушающего контроля Boost Marx 18 кВ

Высоковольтные конденсаторы для портативных источников неразрушающего контроля Boost Marx 18 кВ

Резюме

Портативный прибор неразрушающего контроля работает от батареи напряжением от 24 до 500 В, а трубке требуется 18 кВ. В топологии Boost-Marx в каждом каскаде используется повышающий элемент, поэтому один драйвер SiC MOSFET повышает напряжение батареи в 36 раз. Конденсатор каскада работает на частоте в сотни килогерц, а его потери определяют частоту повторения импульсов, срок службы батареи и резкость краев. В этой статье приведены значения коэффициента усиления и потерь, а также этапы квалификации.

1. Введение

Портативный прибор неразрушающего контроля работает от аккумуляторной батареи напряжением 24 В, 48 В или максимум 500 В. Рентгеновской трубке требуется 18 кВ или более. Этот разрыв между уровнем напряжения в аккумуляторе и напряжением в трубке является основной проблемой импульсного источника, работающего от батареи.

Для работы классического генератора Маркса требуется высоковольтный вход постоянного тока. Входное напряжение вынуждает использовать громоздкий источник питания, что ограничивает всю конструкцию возможностью работы от сети переменного тока с низким энергопотреблением.

Лян и др. (IEEE Trans. Ind. Electron., 2023) разместили повышающий элемент в каждом каскаде. Входное напряжение 500 В преобразуется в выходное напряжение 18 кВ, что соответствует 36-кратному усилению. Управление всей структурой осуществляется одним драйвером SiC MOSFET.

В конденсаторе каскада протекает ток в сотни килогерц и ампер среднеквадратичного значения. В этой статье приводятся соотношения усиления, потери и квалификационные испытания для данного режима работы.

2. Основной механизм

2.1 Коэффициент усиления напряжения в топологии Boost-Marx

Каждый каскад повышает напряжение батареи перед тем, как в стеке появятся новые каскады:

V_out = n · V_stage

где V_out — выходное напряжение в В, n — количество каскадов, а V_stage — напряжение повышающего каскада в В.

Общий прирост обусловлен количеством этапов и коэффициентом усиления на каждом этапе:

G = V_out / V_in = n · (V_stage / V_in)

где G — коэффициент усиления по напряжению, V_out — выходное напряжение в В, V_in — входное напряжение в В, n — количество каскадов, а V_stage — напряжение повышающего каскада в В. При входном напряжении 500 В и выходном напряжении 18 кВ G = 36.

2.2 Энергия и потери в конденсаторе каскада

Накопленная энергия за один выстрел подчиняется обычному соотношению:

E = ½ · C · V_stage²

где E — запасенная энергия в Дж, C — емкость ступени в Ф, а V_stage — напряжение повышающей ступени в В.

На частоте переключения в каскаде присутствуют два источника потерь:

P_ESR = I_rms² · ESR

где P_ESR — омические потери в Вт, I_rms — среднеквадратичный ток конденсатора в А, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в Ом.

P_DF = 2π · f · C · V² · DF

где P_DF — диэлектрические потери в Вт, f — частота переключения в Гц, C — емкость каскада в Ф, V — напряжение каскада в В, а DF — коэффициент рассеяния.

20-ступенчатая схема на частоте 200 кГц, с током 1.5 А среднеквадратичного значения на каждой ступени и эквивалентным последовательным сопротивлением 50 мОм, потребляет в блоке 20 × 1.5² × 0.05 = 2.25 Вт. Эта цифра мала на лабораторном стенде и велика внутри герметичной головки без воздушного потока.

2.3 Потери необходимо измерить на частоте переключения.

Часто указывается значение импульсного конденсатора на частоте 1 кГц. В данном случае каскад работает на частоте 200 кГц, и потери зависят от частоты. Указанное значение коэффициента потерь на частоте 1 кГц мало что говорит о выделении тепла на частоте 200 кГц.

Конденсатор каскада пропускает более 200 В повторяющихся импульсов напряжения при каждом переключении. Ток возрастает с частотой повторения, а потери увеличиваются пропорционально квадрату этого тока.

2.4 Повышение температуры определяет частоту повторения

Повышение температуры корпуса происходит за счет потерь и теплового пути. При 0.4 Вт на ступень в течение 20 ступеней 8 Вт уходит из аккумуляторной батареи в виде тепла, и температура корпуса повышается до тех пор, пока тепловое сопротивление не уравновесит потери.

Деталь с эквивалентным последовательным сопротивлением 100 мОм при токе 2 А среднеквадратичного значения на каскад потребляет в четыре раза больше энергии, чем деталь с сопротивлением 25 мОм. В этом случае кривая снижения номинальной мощности ограничивает частоту повторения импульсов до того, как лампа достигнет своего номинального значения.

Рис. 1 — Двадцать ступеней по 0.4 Вт каждая обеспечивают мощность 8 Вт внутри герметичной головки, что ограничивает частоту повторения до того, как трубка достигнет своего номинального значения.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Самонагрев конденсатора ограничивает частоту повторения.

Усилитель Boost-Marx работает на частотах в сотни килогерц, а среднеквадратичный ток через конденсатор каскада достигает диапазона ампер. Самонагрев является первым ограничением частоты повторения и коэффициента заполнения.

Деталь с сопротивлением 100 мОм и током 2 А среднеквадратичного значения рассеивает 0.4 Вт в корпусе без охлаждающей камеры. На 20 этапах это составляет 8 Вт тепловыделения внутри прибора.

Проблема 2: Энергия батареи определяет минимальный уровень эффективности.

Энергия в аккумуляторной батарее измеряется фиксированным количеством ватт-часов, поэтому для обеспечения работоспособности в течение дня КПД преобразования должен превышать 85%. Потери в конденсаторе должны оставаться ниже 5% от энергии импульса.

Диэлектрик класса II с коэффициентом диэлектрической проницаемости от 1% до 3% не достигает целевого значения на порядок на частоте 200 кГц, а затраты на батарею проявляются в виде более короткого сдвига.

Проблемный момент 3: громкость и номинальное напряжение взаимно противоречат друг другу.

Номинальное напряжение конденсатора каскада должно превышать 200 В, а при снижении номинального напряжения оно достигает 400 В и более. При этом весь портативный прибор имеет довольно ограниченный габарит.

Пленочные компоненты с такими характеристиками занимают в 2-3 раза больший объем, чем керамические аналоги. Электролитические компоненты не способны пропускать пульсирующий ток на частоте 200 кГц. Керамические компоненты с теми же характеристиками занимают примерно 50% объема, что и у конкурентов.

Проблема 4: Индуктивность контура снижает эффективность повышающего преобразователя.

Каждый наногенри индуктивности петли снижает эффективность повышения напряжения и сглаживает фронт разряда. Радиально расположенные выводы добавляют от 10 до 20 нГн на каждое соединение, а накопление индуктивности по всей структуре смягчает выходной импульс.

Для создания плотной петли необходима упаковка с низким уровнем эквивалентной звукового давления (ESL) и ламинированная шина. Подключение с индуктивностью 20 нГн на частоте 200 кГц добавляет импеданс около 25 Ом к пути разряда.

Проблемный момент 5: Дрейф диэлектрика изменяет коэффициент усиления.

Коэффициент усиления G = n · (V_stage / V_in) зависит от повышающего преобразования, поэтому дрейф емкости в компонентах каскада изменяет передаваемую энергию между импульсами.

Деталь класса II, дрейф которой составляет от 10% до 20% в зависимости от температуры, изменяет выходное напряжение 18 кВ на сотни вольт в течение рабочего дня. Детектор считывает этот дрейф как изменение настройки напряжения трубки.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Укажите конденсатор первого класса.

Установите коэффициент потерь (DF) ниже 0.1% и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ниже 10 мОм на частоте 100 кГц, чтобы значения P_ESR и P_DF оставались низкими на частотах в сотни килогерц. Проверьте потери относительно предела в 5% в наихудшем режиме работы.

An Диэлектрик класса I N4700 Поддерживает температурный коэффициент теплового расширения ±30 ppm/°C, что обеспечивает стабильность усиления без активной компенсации. Проверьте емкость при постоянном напряжении смещения, поскольку каскад постоянно находится под напряжением 200 В или более.

Стратегия 2: Интегрировать конденсаторы каскада в ламинированную шину.

Установите компоненты схемы непосредственно на ламинированную шину печатной платы, соблюдая длину выводов менее 5 мм, чтобы дополнительная индуктивность оставалась менее 5 нГн на каждое соединение. Обратный путь расположите под плоскостью высокого напряжения.

Рассматривайте контур повышения напряжения и контур разряда как две отдельные цепи, поскольку в обоих случаях протекает высокое значение dV/dt, и оба увеличивают потери. Снижение напряжения в контуре разряда на 30 нГн уменьшает пик на фронте напряжения в тот же коэффициент, что и отношение импедансов.

Стратегия 3: Контроль английского как второго языка и сопоставление на уровне отдельных компонентов.

Укажите значение ESL ниже 30 нГн на каскад и используйте вариант винтовых клемм 15 нГн на верхних каскадах. Заказ Конденсаторы дверной ручки HVCT8G в виде подобранных пар с допуском ±2%, поэтому каждый этап обеспечивает одинаковое усиление.

Задокументируйте измеренные значения C и ESR для каждого каскада. Эти данные необходимы как для калибровки усиления, так и для полевой диагностики, поскольку даже один смещенный каскад приводит к изменению суммарного выходного сигнала.

Стратегия 4: Управление тепловым потоком с помощью принудительной вентиляции.

Используйте принудительную подачу воздуха, чтобы поддерживать повышение температуры корпуса ниже 20 °C при максимальной частоте повторения. Сравните измеренное повышение температуры с расчетным значением в пределах ±5 °C, поскольку герметичная головка не оставляет запаса для нагревательного элемента.

Использовать быстровосстанавливающийся высоковольтный диод в каждой повышающей ячейке время восстановления составляет менее 100 нс, поэтому выпрямитель не добавляет потерь на частоте 200 кГц.

Стратегия 5: Обеспечить достаточное время работы в импульсном режиме для непрерывной работы от батареи.

Убедитесь, что запас по импульсам, рассчитанный на гамма-излучение, превышает 3× при рабочем напряжении, и снизьте напряжение каскада до 60–70% от номинального значения. Подтвердите стабильную емкость в диапазоне температур от −30 °C до +85 °C, чтобы выходной сигнал не колебался между калибровкой и сбором данных.

Проведите ускоренное испытание на долговечность с 10⁶ выстрелами при максимальной частоте повторения на первом образце. Портативный прибор не имеет возможности замены конденсатора в середине срока службы, поэтому квалификация должна охватывать срок службы в полевых условиях.

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. Конденсаторы HVC N4700 для повышающе-марксовских каскадов.

Усиление в 36 раз сохраняется, когда каждый каскад переносит одинаковый заряд с одинаковыми потерями. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для этих условий эксплуатации на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Сопротивление последовательному сопротивлению (ESR) ниже 10 мОм при 100 кГц, а коэффициент потерь (DF) ниже 0.1%. Оба параметра потерь остаются в пределах 5%, поэтому повышение температуры корпуса не превышает 15 °C при номинальной частоте повторения.
• Отсутствие электролита и высыхания. Керамический диэлектрик не содержит жидкости, которая могла бы испаряться, поэтому в приборе с батареей, работающем ежедневно, отсутствует механизм износа.
• Запас по импульсам, рассчитанный на γ-напряжение, превышает 3×, а частичный разряд — менее 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Платформа выдерживает непрерывные циклы заряда и разряда.
• Стандартная электростатическая индуктивность (ESL) ниже 30 нГн, с возможностью установки винтовых клемм на 15 нГн, что обеспечивает эффективность контуров повышения и разряда на частоте 200 кГц.
• Примерно на 50% меньше по объему, чем у конкурентов, при той же мощности и на 30% меньших габаритах. Карманный прибор и прибор для ношения в рюкзаке отличаются ровно на эту цифру.
• Скоординированные компоненты для одной и той же ячейки: резисторы выборки HVRGXP для текущего монитора и HVR-BSP толстопленочные резисторы для демпфирующей сети привода затвора.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а согласованные комплекты каскадов — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете потерь, компоновке шин, проектировании тепловых характеристик и выборе согласованных пар для каскадов усиления.

Укажите количество каскадов, входное напряжение, частоту переключения и коэффициент заполнения. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам согласующий лист с данными ESR на рабочей частоте, данными PD при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, и комплект из двух образцов. пленочный конденсатор Банк остается доступным там, где в проекте он все еще необходим, а HVC Перекрестная ссылка В таблице приведены номера деталей Murata, TDK и Vishay.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как аккумуляторная батарея на 500 В достигает напряжения 18 кВ?

Каждый каскад содержит повышающий элемент, который увеличивает напряжение батареи, а затем каскады суммируются последовательно. Выходное напряжение определяется формулой V_out = n · V_stage, а коэффициент усиления равен G = n · (V_stage / V_in), поэтому для входного напряжения 500 В и выходного напряжения 18 кВ требуется коэффициент усиления 36 по всем каскадам.

В2: Почему потери в конденсаторах каскада так важны?

Поскольку энергия батареи конечна, потери в конденсаторе должны оставаться ниже 5% от энергии импульса для достижения КПД преобразования выше 85% и полезного сдвига. Каскад с сопротивлением 100 мОм при 2 А среднеквадратичного значения потребляет 0.4 Вт, что составляет 8 Вт на 20 каскадах.

В3: Какое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) необходимо для каскада на 200 кГц?

Сопротивление ниже 10 мОм на рабочей частоте. Проверьте, что P_ESR = I_rms² · ESR и P_DF = 2π · f · C · V² · DF на этой частоте, поскольку значение в техническом описании для 1 кГц не описывает нагрев на частоте 200 кГц. Поддерживайте повышение температуры корпуса ниже 15 °C при номинальной частоте повторения.

Вопрос 4: Какой запас по напряжению необходим для данного каскада?

Запас по импульсному напряжению, рассчитанный на γ-напряжение, превышает 3× при рабочем напряжении, при этом напряжение каскада снижается до 60–70% от номинального значения. Каскад подвергается воздействию повторяющихся импульсов напряжением более 200 В, поэтому для каскада на 200 В обычно выбирают компонент, рассчитанный на 400 В.

Вопрос 5: Насколько точным должно быть совпадение сцен?

Емкость имеет допуск ±2%, а разброс ESR задокументирован для каждого каскада. Выходной сигнал суммирует напряжения каскадов, поэтому один из смещенных элементов сдвигает суммированный импульс и калибровку усиления вместе с ним. Подбор согласованных пар и составление списка значений C и ESR устраняют эту переменную.

В6: Как определить, хватит ли батареи на несколько лет использования?

Проведите ускоренное 10-кратное тестирование с максимальной частотой повторения и убедитесь, что дрейф емкости остается в пределах ±2%, а подъем корпуса не превышает допустимый предел. Проверьте низкотемпературный конец при −30 °C, поскольку портативный прибор запускается в холодном состоянии и работает в нагретом состоянии.

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 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроникиЖенева: МЭК, 2017.
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. Ф. Д. Киферндорф, М. Форстер и Т. А. Липо, Снижение пульсаций тока на конденсаторе шины постоянного тока с помощью преобразователя PAM/PWMIEEE Transactions on Industry Applications, том 40, № 2, стр. 607-614, 2004. https://doi.org/10.1109/tia.2004.824495
8. 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 .
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. IEC 60664-1:2020+AMD1:2025 CSV, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения – Часть 1: Принципы, требования и испытания, Изд. 3.1. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2025.
11. Б. Ван, Дж. Мэн и П. Чжао, Мониторинг состояния старения алюминиевых электролитических конденсаторов в преобразователях частотыIEEE Transactions on Power Electronics, том 37, № 4, стр. 4564-4574, 2022. https://doi.org/10.1109/tpel.2021.3121813
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com