Выбор конденсаторов для портативного 24-ступенчатого генератора Маркса

Выбор конденсаторов для портативного 24-ступенчатого генератора Маркса

Резюме

Для полевой рентгенографии трубопроводов и фюзеляжей необходим импульсный источник, помещающийся в переносной кейс. 24-ступенчатая схема Маркса заряжает каждую ступень до 583 В и суммирует напряжения ступеней до 14 кВ в импульсе длительностью 500 нс на площади 2760 см³. Три предельных значения емкости конденсатора ступени: объем менее 3 см³, диэлектрическое поле выше 20 кВ/см и потери, достаточно низкие для герметичного корпуса.

1. Введение

Нефтехимические трубопроводы, секции фюзеляжа и распределительные устройства на объекте требуют рентгеновского обследования на месте, и стационарный инспекционный пункт для этого не подходит. Для решения этой проблемы в рабочем процессе существуют портативные рентгеновские аппараты с импульсным излучением.

Компактная конструкция, разработанная Цзяо И и др. (High Power Laser and Particle Beams, 2023), вмещает 24 индуктивно изолированных каскада Маркса в корпус размером 23 × 10 × 12 см. Эта система обеспечивает напряжение от 0 кВ до 14 кВ с длительностью импульса 500 нс.

Проблема одновременно пространственная и электрическая. Корпус вмещает 2760 см³, каждый каскад несет свою долю напряжения в блоке, а зазор между каскадами составляет менее 2 мм.

В этой статье приводятся данные о емкости конденсаторов каскада, о причинах отказов полевой обмотки, наблюдаемых в компактных машинах Маркса, а также правила выбора герметичного источника питания от батареи.

2. Основной механизм

2.1 Индуктивная изоляция заменяет зарядные резисторы.

Изолированный резисторами модуль Маркса пропускает полное напряжение через свои зарядные резисторы, и эти резисторы потребляют энергию при каждом импульсе. Изолирующая сеть также является самой громоздкой частью модуля.

Изолирующий индуктор обладает реактивным сопротивлением, которое возрастает с частотой:

X_L = 2π · f · L

где X_L — реактивное сопротивление в Ом, f — частота в Гц, а L — индуктивность в Гн.

При частоте 2 МГц и индуктивности L = 10 мкГн, X_L = 126 Ом. Индуктор блокирует импульс и пропускает зарядный ток. Схема разделения 12+12 изолирует каждую половину стека на отдельной ветви.

2.2 Напряжение каскада и запасенная энергия

В стеке суммируются напряжения на каскадах:

V_out = n · V₀

где V_out — выходное напряжение в В, n — количество каскадов, а V₀ — напряжение заряда одного каскада в В. При n = 24 и V₀ = 583 В выходное напряжение достигает 14 кВ.

Накопленная энергия подчиняется обычному соотношению для конденсаторов:

E = ½ · C · V_out²

где E — запасенная энергия за один импульс в Дж, C — емкость блока в Ф, а V_out — выходное напряжение в В. Каскад емкостью 2 нФ, состоящий из 24 каскадов, запасает 8.2 мДж за один импульс при напряжении 583 В.

2.3 Диэлектрические потери в герметичном корпусе

В корпусе отсутствует вентилятор и жидкостный контур. Диэлектрические потери преобразуются в тепло внутри блока:

P_DF = 2π · f · C · V² · DF

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

Диэлектрик с коэффициентом диэлектрической проницаемости 1% при частоте 10 кГц и напряжении 14 кВ будет выдавать десятки ватт в корпус без выхлопа. Деталь класса I с коэффициентом диэлектрической проницаемости ниже 0.1% снижает эту величину на порядок.

2.4 Равномерность разряда без резисторов

Резисторы заряда усредняют разницу между каскадами. Индуктивная изоляция устраняет это усреднение, и разброс емкости и эквивалентного последовательного сопротивления затем попадает на фронт импульса.

Напряжение на каскаде определяется зарядом, накопленным в конденсаторе каскада:

V_stage = Q / C_stage

где V_stage — напряжение каскада в В, Q — накопленный заряд в С, а C_stage — емкость каскада в Ф. Изменение емкости на 2% приводит к изменению напряжения каскада на 2%, а суммарного выходного сигнала — на ту же величину.

На протяжении 24 этапов набор допусков определяет, останется ли фронт за 500 нс плоским или разобьется на ступени.

Рис. 1 — Двадцать четыре каскада по 583 В сумме дают 14 кВ внутри герметичного корпуса объемом 2760 см³, где разброс емкости в 2% проявляется в виде ступенек на фронте 500 нс.

3. Проблемы проектирования

Проблемный момент 1: Просачивание через зазор в 1 мм.

Компактная компоновка обеспечивает зазор менее 2 мм между ступенями. Пробои на поверхности начинаются уже в первый влажный день в полевых условиях, и один пробой выводит из строя корпус конденсатора и переключатель одновременно.

Эпоксидная инкапсуляция с тройным покрытием сокращает эффективный путь утечки на 60%, поэтому зазор в 1 мм ведет себя как зазор в 2.5 мм при напряжении 14 кВ.

Проблема 2: Размер конденсатора определяет минимальный объем корпуса.

При одинаковой номинальной мощности пленочный конденсатор занимает в 3-5 раз больший объем, чем керамический. Пакет пленочных конденсаторов никогда не достигнет размеров листа формата А4.

Сложенный керамический диск обеспечивает емкость 2 нФ при напряжении 15 кВ на площади менее 3 см³, что составляет снижение объема на 55%. Головка массой 1.4 кг превращается в головку массой 0.6 кг при той же выходной мощности.

Проблемный момент 3: Энергия батареи расходуется в виде тепла.

Портативный усилитель работает от аккумулятора на 24 В или от одной батареи 18650, поэтому энергия на одном заряде фиксирована. Каждый ватт, потерянный в конденсаторе, — это ватт, не переданный лампе.

Низкие потери и низкое эквивалентное последовательное сопротивление обеспечивают эффективность преобразования до 85%, что позволяет работать около 4 часов на одном заряде вместо 1 часа.

Проблема №4: Накопление тепла в герметичном корпусе.

Отсутствие циркуляции воздуха и зазор в 2 мм не оставляют места для отвода тепла. Диэлектрик с коэффициентом диэлектрической проницаемости от 1 до 3% повышает внутреннюю температуру на 30–50 °C в течение часа при полной частоте повторения импульсов.

Затем емкость изменяется, напряжения на каскадах распространяются, а уровень частичного разряда повышается. Коэффициент детерминации ниже 0.1% обеспечивает устойчивый рост в пределах проектного предела.

Проблема № 5: Потеря заряда на протяжении длительной кампании.

В течение рабочего дня частота колебаний стека колеблется от 1 кГц до 10 кГц. Диэлектрические потери на 24 ступенях накапливаются за 10⁶ импульсов, и накопленная энергия идет на нагрев корпуса, а не на производство фотонов.

Деталь с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) 200 мОм вместо 50 мОм расходует в четыре раза больше энергии импульса на каждом этапе, и потери возрастают по мере нагрева диэлектрика.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите керамический конденсатор первого класса.

Установите номинальные параметры каскада на уровне 15 кВ и 2 нФ, при этом коэффициент диэлектрической проницаемости (DF) должен быть ниже 0.1%, а диэлектрическое поле — выше 20 кВ/см. Диэлектрик класса I N4700 Поддерживает температурный коэффициент теплового расширения ±30 ppm/°C, поэтому напряжение на каскаде остается неизменным от холодного запуска до нагревания корпуса.

Перед оформлением заказа необходимо подтвердить допуск по емкости, поскольку набор допусков из 24 ступеней определяет фронт импульса. Компонент класса ±5% выводит выходной сигнал за пределы окна визуализации.

Стратегия 2: Встроить разрядный контур в ламинированную шину.

Длина выводов не должна превышать 5 мм, чтобы дополнительная индуктивность на каждое соединение не превышала 5 нГн. Конденсаторы каскада следует устанавливать непосредственно на шину, при этом площадь петли уменьшится по мере сборки.

Проверьте индуктивность контура на частоте 100 кГц, поскольку ошибка в 5 нГн на 24 ступенях сдвигает фронт импульса более чем на 10 нс.

Стратегия 3: Управление просачиванием и уклоном грунта с момента создания первого прототипа.

Начинайте зарядку при напряжении 300 В во время ввода в эксплуатацию, чтобы изоляция подвергалась минимальной нагрузке при запуске. Распределите градуировочные резисторы по всей структуре, так что ни один отдельный каскад не передает верхнее напряжение.

Использование эпоксидной инкапсуляции с тройным покрытием позволяет снизить эффективный путь утечки на 60%. После нанесения покрытия зазор между этапами должен составлять 2 мм или более.

Стратегия 4: Разделить сеть изоляции на этапы.

Используйте схему разделения 12+12, чтобы каждая половина стека была изолирована на своей собственной ветви. Убедитесь, что реактивный нагрев изоляционной сети остается в пределах 5% от резистивного значения.

Для подтверждения равномерности разряда необходимо обеспечить соответствие емкости с точностью до ±2% и поддерживать эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ниже 50 мОм по всему комплекту.

Стратегия 5: Замкнуть контур теплоизоляции и продлить срок службы герметичного корпуса.

Проверьте, что P_DF = 2π · f · C · V² · DF в рабочей точке, и удерживайте внутренний рост ниже диэлектрического предела. Обеспечьте герметизацию на устойчивость к длительному воздействию напряжения от аддитивных слоев при напряжении 60 кВ.

Проведите 500-часовое испытание на долговечность при 10 импульсах на первом образце, контролируя частичный разряд при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. быстровосстанавливающийся высоковольтный диод Благодаря продуманной системе зарядки, интервал между перезарядками между снимками остается коротким.

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 24-ступенчатой ​​сборки.

Структура батареи остается однородной, когда каждый каскад содержит одинаковый заряд и одинаковые потери. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для обоих типов батарей 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.

• Коэффициент потерь ниже 0.1% на рабочей частоте. Низкие потери обеспечивают охлаждение герметичного блока на частоте 10 кГц и поддерживают допустимый энергетический уровень для лампы.
• TCC составляет ±30 ppm/°C в диапазоне от −30 °C до +85 °C. Напряжения каскада остаются согласованными по мере нагревания корпуса, поэтому импульс длительностью 500 нс сохраняет свою форму.
• Сопротивление последовательному сопротивлению (ESR) ниже 50 мОм с согласованием емкости между каскадами ±2%. Разрядка стека происходит синхронно, и суммарный выходной сигнал остается неизменным, а не изменяется ступенчато.
• Объем менее 3 см³ для компонента емкостью 2 нФ и напряжением 15 кВ, что на 55% меньше, чем у пленочного аналога с теми же характеристиками.
• Эпоксидная герметизация с тройным покрытием. Зазор в 1 мм ведет себя как 2.5 мм при 14 кВ, что покрывает требуемый ток утечки для компактного стека.
• Скоординированные части для одного и того же цикла: Конденсаторы дверной ручки HVCT8G для высших этапов и резисторы выборки HVRGXP для монитора заряда.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты Marx — в течение 6–10 недель, в то время как для импортных аналогов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете размеров блоков, проектировании путей утечки, тепловом проектировании и выборе подобранных пар.

Укажите количество каскадов, напряжение каскада, ширину импульса и объем корпуса. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист подбора конденсаторов с номерами деталей, данными PF и ESR на рабочей частоте, а также комплект для оценки с двумя образцами. пленочный конденсатор Банк остается доступным там, где это все еще предусмотрено проектом, а также HVC. Перекрестная ссылка В таблице приведены номера деталей Murata, TDK и Vishay.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Насколько малым может быть конденсаторный блок Маркса на 24 ступени?

Схема на 2 нФ, 15 кВ помещается в объеме менее 3 см³, поэтому 24 ступени, разделительная сеть и шина занимают корпус формата А4 объемом 2760 см³. Пленочные схемы с теми же характеристиками занимают в 3-5 раз больший объем на ступень, что позволяет разместить ту же конструкцию в чемодане.

В2: Почему несоответствие каскадов искажает импульс длительностью 500 нс?

Поскольку напряжение на каскаде определяется формулой V_stage = Q / C_stage, а на выходе суммируются напряжения каскадов, то при увеличении емкости на 2% напряжение на каждом каскаде сдвигается на 2%, каскады больше не замыкаются одновременно, и на суммарной диаграмме направленности появляются ступеньки.

Вопрос 3: Могут ли пленочные конденсаторы выполнять ту же работу?

Они обеспечивают заряд, но при этом требуют больших объемов и выделяют тепло. Пленочная деталь занимает в 3-5 раз больший объем, чем керамическая, при напряжении 15 кВ, а ее более высокое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) направляет большую часть энергии батареи в корпус. В герметичном корпусе объемом 2760 см³ важны оба показателя.

Вопрос 4: Какое расстояние утечки необходимо для батареи на 14 кВ?

При напряжении 14 кВ эффективная длина пути утечки между каскадами должна составлять 2.5 мм. Компактная компоновка начинается примерно с 1 мм, а эпоксидная герметизация с тройным покрытием сокращает эффективную длину пути утечки на 60%, что позволяет уменьшить зазор до этого значения без использования более крупного корпуса.

В5: Во сколько лет продлится срок службы герметичного аккумуляторного блока?

Низкие потери и низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) обеспечивают эффективность преобразования энергии на уровне около 85%, что позволяет работать примерно 4 часа на одном заряде от одной батареи 18650. Батарея класса II или пленочная батарея с более высоким ESR сокращают это время примерно до 1 часа, поскольку большая часть накопленной энергии уходит в виде тепла.

В6: Как мне проверить качество комплекта перед первой полевой кампанией?

Проведите 500-часовое испытание на долговечность импульса с 10 импульсами при максимальной частоте повторения, контролируя частичный разряд при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Убедитесь, что дрейф емкости остается в пределах ±2%, а внутреннее увеличение не превышает диэлектрический предел для герметичного объема.

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. И. Чен, Х. Ли, Ф. Лин, Ф. Лю, М. Чжан, З. Ли и др. Исследование самовосстановления и характеристик срока службы металлизированного пленочного конденсатора в условиях высокого электрического поля.IEEE Transactions on Plasma Science, том 40, № 8, стр. 2014-2019, 2012. https://doi.org/10.1109/tps.2012.2200699
8. Калибровка емкостных датчиков напряжения в генераторах импульсов большой мощности на основе диэлектрика с водой.Специальная публикация NBS № 628, Национальное бюро стандартов (NIST), https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/SP/nbsspecialpublication628.pdf.
9. 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.
10. Вопросы применения многослойных керамических конденсаторов BME высокого напряжения.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS International 2012), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2012CARTS-ApplicationConsiderationsHighVoltBME-X7RCeramicCapacitors.pdf .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com