Чередующаяся резонансная топология для мощных рентгеновских генераторов компьютерной томографии

Чередующаяся резонансная топология для мощных рентгеновских генераторов компьютерной томографии

Резюме

Высококачественный трансформатор тока требует мгновенной мощности от 80 до 100 кВт за 0.25 секунды вращения, и один резонансный вывод не может её обеспечить. Чередование параллельных резонансных выводов позволяет разделить мощность и компенсировать пульсации, но при этом требует точного согласования конденсаторов, диодов и резисторов датчика. В данной статье приводятся уравнения распределения мощности, три варианта дисбаланса, а также этапы выбора и компоновки четырёхплечевых генераторов трансформаторов тока.

1. Введение

Высокотехнологичные компьютерные томографы движутся в сторону более быстрого вращения, большего количества рядов детекторов и более высокого разрешения. За 0.25 с система на 256 или 320 срезов должна обеспечивать напряжение от 120 до 140 кВ при токе от 800 до 1000 мА, что приводит к пиковой мощности выше 80 кВт, а в топовых моделях — более 100 кВт.

При такой мощности одному резонансному выводу становится недостаточно места. Одна пара переключателей достигает своего предела по току, один резонансный конденсатор не может поглотить пульсации тока, а один трансформатор не может увеличить свою удельную мощность. Пропуск мощности через один вывод увеличивает объем и делает тепловую схему непрактичной.

Чередующийся параллельный резонанс разделяет общую мощность на N фаз, каждая из которых передает 1/N от нее, при этом фазы возбуждения смещены на 360°/N. Такая схема преодолевает ограничение мощности, характерное для однофазных систем, и одновременно улучшает пульсации, динамический отклик и отказоустойчивость.

Цель состоит в том, чтобы подобрать оптимальное соотношение цены и качества. Когда несколько линий распределяют нагрузку, конденсаторы, диоды, резисторы датчиков и схемы управления каждой линии должны работать согласованно, и небольшие различия превращаются в большие разницы в токе.

2. Основной механизм

2.1 Нагрузка на каждую ногу снижается с увеличением количества ног.

Суммарная мощность P_total распределяется поровну между N плечами, поэтому каждое плечо обрабатывает P_total/N. В конструкции мощностью 100 кВт с четырьмя плечами каждое плечо передает 25 кВт. Пиковый ток переключения снижается примерно с 200 А в одноплечевой конструкции до примерно 50 А.

Пульсации тока резонансного конденсатора уменьшаются вместе с ним, примерно с 20 А до 5 А. Становится возможным использование переключателей и конденсаторов меньшего размера, а тепловыделение на каждую ножку снижается настолько, что управление тепловым режимом перестает быть ограничивающим фактором конструкции.

2.2 Компенсация пульсаций в фазовой области

Выходные пульсации N ответвлений складываются в противофазе, поэтому составная пульсация смещается в сторону более высокой частоты и меньшей амплитуды:

f_ripple = N · f_switch

где f_ripple — частота пульсаций на выходе, N — количество выводов, а f_switch — частота переключения одного вывода. Амплитуда уменьшается пропорционально квадрату количества выводов:

ΔV_interleaved ≈ ΔV_single / N²

где ΔV_single — пульсации выходного сигнала на одном выводе. При ΔV_single = 100 В четырехвыводная схема дает около 6.25 В и требует в 16 раз меньшей емкости выходного фильтра, чем одновыводная схема.

2.3 Почему ток в ноге следует за импедансом ноги

На все ответвления действует одинаковое параллельное напряжение V_p, поэтому ток в каждом ответвлении определяется его собственным импедансом. Резонансная частота ответвления i равна:

f_ri = 1 / (2π · √(L · C_i))

где C_i — резонансная емкость плеча i, а L — резонансная индуктивность. Импеданс плеча равен:

|Z_i| = |jωL + 1/(jωC_i)|

где ω — угловая частота. В фазе с емкостью на 5% большей, чем номинальная, резонансная частота снижается примерно на 2.4%. Выше резонанса, где обычно работает LCC-бак, импеданс этой фазы падает на 5–8%, а ее доля тока возрастает на 8–12%.

2.4 Отказоустойчивость при параллельных ветвях

Когда один из выводов выходит из строя, оставшиеся N-1 выводы продолжают работу с пониженной мощностью, а генератор сохраняет высокое выходное напряжение. Для медицинской системы такое плавное снижение мощности имеет клиническое значение, поскольку позволяет завершить проводимое обследование.

Избыточность доступна только в том случае, если распределение ресурсов уже достаточно велико. Конструкция, которая опирается на одну опору больше, чем ей положено, теряет этот запас прочности задолго до возникновения неисправности.

Рис. 1 — Четыре плеча по 25 кВт, расположенные под углом 90 градусов друг к другу, обеспечивают пульсации на выходе на частоте 400 кГц и снижают пульсации на одном плече (100 В) до 6.25 В.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Допуск конденсатора нарушает теорию распределения ресурсов.

Даже в пределах одной артикула и одной производственной партии допуск по емкости достигает ±5%–±10%. В четырехконтактной конструкции контакт, емкость которого на 5% превышает номинальную, пропускает на 10–15% больше тока, чем остальные три, сильнее нагревается и быстрее изнашивается.

Затем контур самовосстанавливается до тех пор, пока не выйдет из строя соответствующий вывод. Измерения, проведенные в рамках одного проекта по созданию мощного трансформатора тока, показали, что ток распределяется на 22% по четырем выводам без экранирования и сопряжения. Один конденсатор потерял 12% своей емкости после 2,000 часов работы и стал пределом надежности всего генератора.

Болевой пункт 2: Асимметричные паразиты усугубляют дисбаланс.

На реальной печатной плате длина дорожек, ширина медных проводников и количество переходных отверстий от каждого вывода к трансформатору различаются, и, соответственно, паразитная индуктивность и сопротивление также различаются. Эти различия усиливаются на высоких частотах и ​​еще больше нарушают баланс тока.

При частоте выше 100 кГц разница в 10 нГн паразитной индуктивности сдвигает ток в плече на несколько ампер. Различия в задержке распространения управляющих сигналов, вносимые микросхемами драйверов, оптопарами и дорожками, добавляют фазовые ошибки и ослабляют компенсацию пульсаций.

Проблемный момент 3: Точность фазы и синхронизация по времени.

Для чередования сигналов необходимо, чтобы фазовое соотношение управляющих сигналов всех плеч сигнала оставалось в пределах 1°, что составляет примерно 28 нс при частоте 100 кГц. После этого момента компенсация ухудшается, и пульсации на выходе превышают значение для одного плеча.

Задержка и мертвое время также должны совпадать на всех участках цепи, что создает нагрузку на точность тактирования и согласованность цепи управления контроллера. В одном проекте изменение задержки оптопары на 50 нс привело к фазовой ошибке более 1.8° в четырехпроводной системе и увеличило пульсации на выходе на 15%.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Жесткие допуски и стабильность качества партии.

Укажите резонансную емкость каждого вывода с точностью до ±5% или лучше, и используйте компоненты из одной производственной партии. Для четырех и более выводов увеличьте согласование до ±2%. Запишите номер партии и измеренную емкость каждого вывода для обеспечения прослеживаемости в полевых условиях.

Парная проверка и сопоставление емкостей превращает задачу сортировки в спецификацию и устраняет большую часть разброса тока до начала каких-либо управляющих воздействий.

Стратегия 2: Низкое эквивалентное последовательное сопротивление и низкий температурный дрейф

Используйте керамику I класса, например... N4700 с коэффициентом DF ниже 0.1% и TCC в пределах ±30 ppm/°C. Низкое ESR обеспечивает равномерный самонагрев каждой ножки, а низкий температурный дрейф гарантирует синхронное движение всех ножек по мере нагревания корпуса.

Дифференциальный нагрев — это скрытый дисбаланс. Когда одна из ножек нагревается на 10 °C сильнее, чем другие, её ёмкость и ЭПР отделяются от остальных, и ошибка распределения возрастает с каждым сканированием. Конденсаторы дверной ручки HVCT8G для основных резонансных участков с высоким пульсирующим током, а также радиально-выводные компоненты HVCT9G для компактных компоновок.

Стратегия 3: Согласованные диоды и низкоиндуктивные измерительные резисторы.

Используйте одну и ту же модель диода во всех выводах и поддерживайте разброс прямого напряжения в пределах 0.05 В для всей партии, чтобы потери на выпрямление были равномерными. Вывод с большим падением напряжения в прямом направлении работает в другом тепловом режиме, что влияет на температуру его конденсатора.

Почувствуйте течение в ноге с помощью Плоские резисторы с низкой индуктивностью HVRGHPКак правило, сопротивление составляет от 0.01 Ом до 0.1 Ом, а индуктивность ниже 5 нГн, чтобы форма тока оставалась неискаженной на частоте переключения.

Стратегия 4: Симметричная компоновка печатной платы

Совместите силовые дорожки выводов, обеспечив одинаковую длину, ширину и количество переходных отверстий. Для резонансных конденсаторов выберите коротковыводной или бесвыводной монтаж, чтобы паразитная индуктивность соединения не влияла на сравнение.

Также согласуйте длину дорожек управления. Там, где невозможно сделать компоновку симметричной, добавьте подстройку линий задержки к более коротким путям, чтобы фазовая ошибка оставалась в пределах допустимых значений.

Стратегия 5: Цифровое распределение тока и защита каждой ветви цепи.

Считывайте ток каждой ветви в реальном времени и корректируйте ширину импульса управления или фазу любой ветви, которая отклоняется от среднего значения более чем на ±5%. Достаточно медленной коррекции, поскольку дисбаланс развивается с тепловыми постоянными времени.

Добавьте независимую защиту от перегрузки по току для каждой фазы и отключите фазу, ток которой выходит за пределы допустимого диапазона. Отключение одной фазы в нужный момент защитит остальную часть генераторной установки и позволит генератору работать в режиме пониженной мощности.

Стратегия 6: Поддерживайте низкое и согласованное сопротивление контура.

Подберите резонансную петлю таким образом, чтобы характеристическое сопротивление Z = √(L/C) было достаточно низким для необходимого тока, и удерживайте омические потери P = I² · R каждой ветви в пределах теплоемкости корпуса. Согласуйте две ветви на основе измерений, а не только расчетов.

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 для чередующихся резонансных плеч

Чередование характеристик поощряет компоненты, которые ведут себя одинаково во всех фазах цепи. Параметрами, определяющими это, являются допуск на емкость при поставке, потери на частоте переключения и температурная стабильность этих потерь. Компания HVC производит эти компоненты на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Допуск на отгрузку составляет ±5%. Точное спекание и автоматическая сортировка минимизируют внутрипартийный разброс, поэтому отклонения по четырем стержням не превышают 3%, а компенсация пульсаций достигает 90% от теоретического значения. Для крупных заказов возможно формирование пар партий с допуском ±2%.
• Коэффициент детерминации ниже 0.1% при частоте выше 100 кГц. При мощности от 20 до 25 кВт на каждую фазу каждый резонансный конденсатор сохраняет самонагрев ниже 0.5 Вт и повышение температуры в пределах 10 °C, при этом повышение температуры равномерно от фазы к фазе, поэтому ни одна фаза не выходит из равновесия по мере продолжения сканирования.
• TCC ±30 ppm/°C. Все ножки резонанса перемещаются синхронно в рабочем диапазоне температур, что обеспечивает стабильность общей резонансной точки на протяжении длительного непрерывного сканирования.
• Сопротивление последовательного сопротивления (ESR) находится в миллиомном диапазоне. Потери в контуре остаются низкими и одинаковыми на всех участках, поэтому распределение тока не происходит только потому, что один участок расположен ближе к воздушному каналу.
• Скоординированные компоненты. Быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды с разбросом прямого напряжения в пределах 0.05 В в рамках одной партии. HVR-BSP трубчатые демпфирующие резисторыКроме того, планарные измерительные резисторы HVRGHP могут быть выбраны в виде согласованного комплекта для выпрямителя, демпфирующего резистора и датчика тока.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и показателям надежности. Vishay Используются генераторы высокого напряжения HVCC, KEMET с радиальными выводами, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV, а также применяются в крупносерийном производстве генераторов высокого напряжения для OEM-производителей медицинского оборудования, входящих в список Fortune 500.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты демпфирования и согласования, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в подборе конденсаторов с чередованием режимов работы, моделировании распределения тока, выборе диодов и резисторов, а также в формировании партий.

Укажите количество выводов, мощность на каждом выводе, частоту переключения, схему сдвига фазы и допустимый допуск на емкость. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист с номерами компонентов на каждом выводе, измеренными значениями емкости, коэффициента заполнения (DF) и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какую мощность могут передать четыре последовательно соединенных плеча?

Разъемы делят общую мощность поровну, поэтому четыре разъема выдерживают в четыре раза большую нагрузку, чем один. В конструкции мощностью 100 кВт каждый разъем выдерживает 25 кВт, пиковый ток переключения снижается примерно с 200 А до 50 А, а пульсации тока резонансного конденсатора — примерно с 20 А до 5 А.

В2: Насколько жестким должен быть допуск на конденсатор?

Допуск ±5% или лучше для каждой детали и ±2% совпадение по всем ножкам для четырехножных конструкций. Ножка с допуском 5% выше номинального значения потребляет на 8–12% больше тока, поэтому допуск является параметром, определяющим, будут ли ножки вообще использоваться совместно. Парное соединение — это практический способ достижения допуска ±2%.

В3: Что вызывает текущий дисбаланс между ногами?

Три фактора: допуск по емкости между резонансными конденсаторами, асимметричная паразитная индуктивность в дорожках выводов и неравномерная температура выводов. На частотах выше 100 кГц разница в 10 нГн сама по себе приводит к изменению тока на несколько ампер. Соедините конденсаторы парами, зеркально отобразите схему и измерьте ток каждого вывода в контуре управления.

Вопрос 4: Насколько точным должен быть фазовый сдвиг?

В пределах 1°, что составляет примерно 28 нс при 100 кГц. За пределами этого диапазона подавление пульсаций ослабевает. В одной четырехпроводной системе изменение задержки оптопары на 50 нс привело к фазовой ошибке в 1.8° и повысило пульсации на выходе на 15% по сравнению со значением для однопроводной системы, что потребовало перепроектирования схемы управления.

В5: Уменьшает ли чередование пульсации выходного сигнала?

Да, пропорционально квадрату количества выводов. Четыре вывода сдвигают пульсации до 4-кратной частоты переключения и уменьшают их амплитуду до 1/16, так что емкость выходного фильтра может снизиться до 1/16 от значения для одного вывода. Уменьшение сохраняется только до тех пор, пока выводы остаются согласованными по амплитуде и фазе.

В6: Что произойдет, если одна из опор выйдет из строя во время эксплуатации?

Оставшиеся линии продолжают работать с пониженной мощностью, а генератор сохраняет свою выходную мощность, что позволяет завершить проверку. Необходимо отключить неисправную линию с помощью независимой защиты каждой линии, чтобы предотвратить перегрузку остальных линий. Такая избыточность зависит от того, насколько эффективно распределялась мощность до возникновения неисправности.

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 60601-2-54, 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. 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. К. Ориа, А. Ортис, Д. Ферреньо, И. Карраскаль и И. Фернандес, Современный обзор характеристик целлюлозных диэлектрических материалов в силовых трансформаторах: механический отклик и старение.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 26, no. 3, pp. 939-954, 2019. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.007896
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. 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 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com