Высоковольтные конденсаторы TDK с выводами, снятые с производства, для замены в генераторах с трансформаторами тока.

Высоковольтные конденсаторы TDK с выводами, снятые с производства, для замены в генераторах с трансформаторами тока.

Резюме

Компания TDK прекратила выпуск нескольких свинцовых изделий. высокое напряжение керамических конденсаторов В этой серии представлены модели, цены на которые до сих пор в продаже в 4 раза выше, а сроки поставки превышают 52 недели. В статье рассматриваются три проверки, определяющие целесообразность замены: частичный разряд при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, потери в контуре на частоте переключения и повышение температуры. Затем предлагается шестиэтапный план поиска второго источника генераторов трансформаторов тока.

1. Введение

Генератор компьютерной томографии преобразует переменный ток средней частоты в постоянный ток напряжением от 80 до 150 кВ для рентгеновской трубки. Для этого используется цепь Кокрофта-Уолтона, в каждом каскаде которой расположены выпрямитель и накопительный конденсатор. Один генератор содержит от 20 до 40 высоковольтных конденсаторов в масле, работающих на частоте от 20 до 100 кГц.

Компания TDK десятилетиями производила высоковольтные конденсаторы с выводами для этих целей, и Murata и Vishay делали то же самое. Низкие потери, высокое выдерживаемое напряжение и стабильные партии их продукции обеспечивали работу систем трансформаторов тока, установленных по всему миру. С тех пор отрасль перенаправила свои мощности и средства на исследования в сторону чип-конденсаторов и автомобильных компонентов.

Высоковольтные компоненты с содержанием свинца теперь не входят в этот план. Общий рынок невелик, объем заказов высок, а сроки поставки длительны. Компания TDK зарегистрировала несколько серий как непрофильные и закрыла их. В результате сокращается база поставщиков компонента, который по-прежнему необходим для медицинской визуализации.

В этой статье рассматриваются физические причины, по которым эти детали трудно заменить, три типа отказов, которые проявляются после уведомления о прекращении производства, и шесть шагов, которые помогут найти квалифицированного альтернативного поставщика.

2. Основной механизм

2.1 Что требует цепочка множителей

На каждом этапе происходит передача заряда в течение каждого полупериода, после чего фильтруются пульсации переключения. Пульсации на выходе должны оставаться ниже 0.5% от заданного значения кВ. Смещение более чем на 1% приводит к изменению спектра рентгеновского излучения, что проявляется в виде ошибки в значении КТ и артефактов изображения.

ΔV_pp ≈ I_load / (2π · f_sw · C_eff)

где I_load — ток лампы, f_sw — частота переключения, а C_eff — эффективная емкость.

При частоте 20 кГц, токе лампы 1 А и эффективной емкости 10 нФ пульсации составляют около 796 В. На выходе 100 кВ это составляет 0.8%, что уже превышает допустимый предел. Уменьшение емкости вдвое приводит к удвоению пульсаций, поэтому значение должно оставаться в пределах допустимого диапазона во всем диапазоне температур.

2.2 Импеданс контура и омические потери

Конденсатор находится в замкнутом контуре с диодом, проводкой и индуктивностью каскада. Сопротивление контура определяет пиковый ток, протекающий при переключении каскада.

Z_0 = √(L / C)

где L — индуктивность контура в нГн, C — емкость в пФ, а Z_0 — импеданс контура в омах.

При индуктивности 8 нГн и емкости 4700 пФ сопротивление Z_0 составляет 1.3 Ом. В этом случае через сопротивление контура протекает тот же ток.

P_loop = I² · R

где I — среднеквадратичное значение тока в контуре в А, R — сопротивление контура в мОм, а P_loop — омические потери в Вт. При 3 А среднеквадратичного значения и 200 мОм контур потребляет 1.8 Вт. Это тепло отводится диэлектрику, поскольку электрод и проводник передают его в тело.

2.3 Частичный разряд и срок службы

Высоковольтные конденсаторы редко выходят из строя за один цикл. Пустота внутри диэлектрика разряжается при каждом цикле и разрушает окружающий материал.

L_pd = L_0 · (V_PDIV / V_op)^n

где L_pd — срок службы с разрядом, L_0 — базовый срок службы, V_PDIV — напряжение начала разряда, V_op — рабочее напряжение, а n — показатель степени срока службы. Для N4700 показатель степени находится в диапазоне от 7 до 12.

При n = 9 и рабочем напряжении на 5% выше PDIV срок службы падает до 0.64 от базового значения. При увеличении рабочего напряжения на 10% выше PDIV срок службы падает до 0.42. Этот запас определяется содержанием пустот и полем на краю электрода, поэтому он меняется от одной технологической линии к другой.

Проверка: (1/1.1)^9 = e^{-9*0.0953}=e^{-0.858}=0.424 ✓

2.4 Потери, температура и эффективная DF

Потери в данной детали определяются эффективным коэффициентом рассеяния на частоте переключения.

P_loss = 2π · f_sw · C · V_rms² · DF_eff

где C — емкость, V_rms — среднеквадратичное напряжение на компоненте, а DF_eff — эффективный коэффициент рассеяния при f_sw.

Микросхема с емкостью 4700 пФ при напряжении 1 кВ среднеквадратичного значения, частоте 20 кГц и коэффициенте полезного действия 0.2% потребляет 1.2 Вт. Та же микросхема с коэффициентом полезного действия 1.5% потребляет 8.9 Вт.

ΔT = P_loss · R_th

где R_th — термическое сопротивление от сердечника к маслу. При 18 °C/Вт в неподвижном масле, 1.2 Вт дает повышение температуры на 21 °C, а 8.9 Вт — на 160 °C. При температуре выше 125 °C эпоксидная смола размягчается, уплотнение нарушается, и масло проникает в корпус.

Рис. 1 — Повышение температуры в сердцевине соответствует DF_eff: 0.2% дает 21 °C при 18 °C/Вт, а 1.5% — 160 °C, что превышает предел для эпоксидной смолы в 125 °C.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Похожие детали, но с разной степенью потери жидкости и выделения.

После уведомления о прекращении поддержки первым шагом является поиск аналогичных посадочных мест и номинальных параметров. Эти два параметра не определяют конструкцию. Шаг выводов, диаметр диска, толщина эпоксидной смолы, форма кромки электрода и однородность диэлектрика — все это определяет напряжение срабатывания и эквивалентное последовательное сопротивление на высоких частотах.

Один из вариантов показал, что емкость оставалась в пределах ±5% при комнатной температуре. При воздействии импульсов 80 кВ его коэффициент DF_eff был на 40% выше, чем у снятого с производства элемента. Пульсации превысили допустимый предел после 10 минут непрерывного воздействия. Та же партия покинула завод с емкостью 3 пКл и достигла 50 пКл после 1,000 часов старения, что в 10 раз превышает медицинский предел.

Проблема 2: Микросхема не всегда может быть установлена ​​в разъем с выводами.

Номинальное напряжение чип-конденсаторов постоянно увеличивается, и в некоторых обзорах схем теперь предлагается использовать их в цепочке умножителей. Три механических фактора препятствуют такой замене.

Длинный путь утечки повышает напряжение пробоя поверхности более чем на 30%, что имеет значение внутри заполненного маслом резервуара. Винтовой клеммник крепится непосредственно к металлической пластине, которая рассеивает тепло. Компонент с выводами обычно выходит из строя из-за обрыва цепи или дрейфа напряжения, в то время как микросхема выходит из строя из-за короткого замыкания при высоком напряжении, а короткое замыкание в цепи умножителя приводит к тому, что напряжение всего каскада оказывается на следующем компоненте в цепи.

Замена также изменяет паразитные параметры контура. Смещается собственная резонансная частота, и проверка на электромагнитную совместимость, которая до изменения прошла успешно, после него может завершиться неудачей.

Проблема 3: единственный поставщик, остаточные запасы и резкие скачки цен.

Одна марка и один артикул означают, что один конденсатор может остановить производство. Цены на затронутые дефекты TDK на спотовом рынке удвоились, а дефицитные значения превысили 52 недели. Завершение производства также приводит к появлению на рынке остатков продукции, не имеющих истории происхождения. Окисленное покрытие и треснувшая пломба не видны снаружи.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Построить матрицу параметров с индексом поля.

Оцените каждого кандидата по параметрам C_n, V_r, соотношению напряжений V_r/V_op, DF_eff при f_sw, PD при 1.5·V_r, TCC, ESR, IR, глубине утечки, шагу выводов и способу монтажа. Затем объедините четыре параметра, определяющие срок службы.

Margin_Index = (V_r / V_op) · (PDIV / 1.5 · V_op) · (1 / DF_eff)

где V_r — номинальное напряжение, V_op — рабочее напряжение, PDIV — напряжение начала разряда, а DF_eff — эффективный коэффициент рассеяния. Для работы с трансформаторами тока индекс должен быть равен 2.5 или выше.

Стратегия 2: Разделить A/B-тестирование на три этапа.

Первый этап включает проверку статических параметров: C, DF на частотах 1 кГц и 100 кГц, IR и выдерживаемое напряжение. Второй этап проводится на реальном генераторе: анализ пульсаций, переходных процессов, повышения температуры и сканирование электромагнитных помех. Третий этап включает испытание компонентов на старение при температуре 125 °C и напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, в течение 1,000 часов, а также отслеживание параметров C, DF и PD.

Сравнительный анализ оригинальной и альтернативной марки на одном и том же стенде. Двух партий по 32 единицы в каждой достаточно, чтобы увидеть разброс. Одна пара образцов показывает номинальные значения и скрывает «хвостовую» часть спектра.

Стратегия 3: Аудит технологической цепочки, лежащей в основе изготовления детали.

Спросите, кто производит диэлектрический порошок, как формируется заготовка, в какой печи задается профиль, какая паста образует электрод и используется ли вакуумная пропитка эпоксидной смолы. Запросите сертификат ISO 13485 или IATF 16949 и таблицы SPC для емкости и DF.

Поставщик, который покупает порошок на открытом рынке и заказывает герметизацию у стороннего поставщика, не может обеспечить наличие партии. Один строитель из Коннектикута потратил три месяца на то, чтобы выяснить причину проблемы с порошком, которая, по его мнению, возникла из-за изменения отвердителя у субподрядчика.

Стратегия 4: Разработать резервуар для двух типов упаковки.

Разместите на чертеже высоковольтный бак точки крепления как для дискового клеммника с выводами, так и для винтового клеммника того же номинала. Если одна из линий замыкается, сборка переходит ко второму корпусу без новой формы и без нового исследования изоляции. HVC охватывает обе формы в одном диапазоне номиналов, поэтому два чертежа используют один файл квалификации.

Стратегия 5: Отслеживать распространение и рост числа случаев заболевания на местах.

Для уже установленных систем регистрируйте пульсации на выходе, стабильность воздействия, повышение уровня конденсатора и коэффициент рассеивания масла при каждом сервисном визите. Рост коэффициента рассеивания масла на 50% за два года указывает на необходимость замены деталей до выхода из строя той или иной ступени. HVC строит модели срока службы на основе данных о коэффициенте рассеивания масла и частичном разряде и делится ими с сервисными бригадами.

Стратегия 6: Найти второго поставщика с запасом на 8-12 недель.

Для каждого критического параметра необходимо иметь двух утвержденных поставщиков и поддерживать запасы на 8-12 недель в течение переходного периода. Сначала небольшие пилотные партии по 100-500 единиц, затем по 1,000-5,000. На каждом этапе проверяйте распределение C и DF, а также процент возврата продукции с мест.

HVC-снабжение резисторы выборки HVRGXP, делительные резисторы HVR-BSP и выпрямительные диоды по одному и тому же графику, поэтому вся высоковольтная линия связи перемещается за один проход.

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 высоковольтного контура трансформатора тока.

HVC строит здания класса I диски N4700 а также винтовые клеммные детали для напряжения от 1 кВ до 50 кВ, с емкостью от 1 пФ до 100 нФ, на заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Частичная разрядность ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, и ниже 2 пКл для медицинских изделий. Каждое устройство имеет собственную протокольную запись испытаний, которая архивируется в течение 10 лет.
• Коэффициент потерь ниже 0.2% на частоте 1 кГц. Потери остаются низкими на частоте переключения, поэтому повышение уровня корпуса остается в пределах допустимого уровня для масла, а эпоксидная смола остается герметичной.
• Коэффициент теплопередачи TCC составляет ±30 ppm/°C. Коэффициент деления и коэффициент пульсации сохраняются в диапазоне от −40 °C до +125 °C, что соответствует полному диапазону температур окружающей среды в резервуаре.
• Точное соединение штифтов для снятой с производства серии. Диск, большой диск и Винтовой клеммный разъем HVCT8G пакеты соответствуют TDKЧертежи Murata DHS/DHR и Vishay HVCC позволяют не вносить никаких изменений в печатную плату.
• Собственная технологическая цепочка. Компания HVC производит порошок N4700, отливает ленту, спекает ее на собственном производстве и вакуумно пропитывает эпоксидную смолу. Отклонение диэлектрической проницаемости партии составляет ±2%.
• Данные о сроке службы предоставляются по запросу. 1,000 часов при 125 °C и напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, 1,000 термических циклов от −40 °C до +125 °C и 1,000 часов при 85 °C/85% относительной влажности.

Доставка и поддержка

Изготовление образцов на заказ занимает от 2 до 4 недель, а серийное производство – от 6 до 8 недель, в то время как для брендов, закрывших свои производственные линии, этот срок превышал 20 недель. HVC совместно с вашей командой проводит перекрестную проверку, скрининг PD и A/B-тестирование на старение.

Укажите номер снятой с производства детали, напряжение на этапе производства, частоту переключения и годовой объем производства. Компания HVC предоставит вам справочный лист и два образца в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Могу ли я продолжать использовать номер детали TDK после окончания срока его действия?

Пока есть остатки на складе и только с богатой историей. Запросите код даты изготовления, название завода и данные о хранении. Детали, хранившиеся во влажном складе, впитывают воду через эпоксидную смолу, и сопротивление изоляции падает с 10^12 Ом до менее 10^9 Ом еще до того, как деталь подвергнется воздействию напряжения.

В2: Какова первая проверка кандидата на замену?

Частичный разряд при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, считывается как числовое значение в расчете на единицу площади, рядом с которым указан разброс значений. Он показывает содержание пустот и качество кромки электрода за одно измерение и изменяется раньше, чем DF.

В3: Можно ли использовать чип-конденсатор в качестве дополнительного компонента в цепочке умножителей?

Только на низковольтных каскадах и только при восстановленной изоляции. Микросхема теряет путь утечки, что увеличивает напряжение пробоя более чем на 30%, и происходит короткое замыкание. Короткое замыкание передает полное напряжение каскада на следующую микросхему в цепи.

Вопрос 4: Насколько велика проблема пульсаций, если я сохраню ту же емкость?

Пульсации масштабируются как I_load / (2π · f_sw · C_eff). При частоте 20 кГц, емкости 10 нФ и токе 1 А пульсации составляют около 796 В, или 0.8% от выходного напряжения 100 кВ. Это превышает предел в 0.5%, поэтому эффективная емкость должна увеличиться, или частота переключения должна возрасти.

В5: Какого значения запаса прочности должна достигать деталь, изготовленная методом компьютерной томографии?

Значение 2.5 или выше рассчитывается на основе коэффициента напряжения, начального напряжения, превышающего рабочее напряжение более чем в 1.5 раза, и обратной величины DF_eff. При значениях ниже этого порога у детали нет запаса прочности для предотвращения разброса характеристик в партиях, старения или воздействия высокой температуры в помещении для сканирования.

В6: Как я могу быть уверен, что новый источник сохранит свой CPK-файл?

Запросите индекс технологической пригодности по емкости и DF для пяти партий подряд, а не для одного выборочного отчета. Значение Cpk, равное 1.33, позволяет поддерживать уровень дефектов ниже 0.01%, а для медицинских изделий этот показатель составляет 1.67. Затем перепроверьте индекс через год после начала производства.

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. Д. Ли, Ю. Чжун, С. Чжоу и Г. Чжай, Метод анализа разрушения многослойного керамического конденсатора с помощью фазового поля.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 14, no. 2, pp. 211-220, 2024. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2024.3359598
8. США 7,023,686, Высоковольтный керамический конденсаторTDK Corporation, патент выдан в 2006 году, https://www.freepatentsonline.com/7023686.html.
9. MIL-PRF-55681 Ред. H, Конденсатор, чип, многослойный, фиксированный, с керамическим диэлектриком, с установленной и неустановленной надежностью, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2025.
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com