Сравнение водородного тиратрона и последовательно соединенных IGBT-транзисторов для модернизации модуляторов.

Сравнение водородного тиратрона и последовательно соединенных IGBT-транзисторов для модернизации модуляторов.

Резюме

В модулирующем переключателе линейного ускорителя произошел переход от водородного тиратрона к последовательной структуре IGBT. Тиратрон выдерживает ток 10 кА/мкс и пиковый ток 10 кА, но работает от 10 000 до 30 000 часов и срабатывает в пределах ±50 нс. 40-ступенчатая структура IGBT работает более 100 000 часов и срабатывает в пределах ±5 нс, а надежность теперь определяется распределением напряжения. В этой статье представлены сравнительные данные, уравнения распределения напряжения и гибридный путь для уже эксплуатируемых установок.

1. Введение

Модуляторный переключатель линейного ускорителя прошел три поколения. Водородный тиратрон занимал эту нишу с 1960-х по 1990-е годы. Затем появились однокристальные IGBT или IGCT, а с 2010-х годов новые платформы стали использовать последовательные IGBT-транзисторы. Сейчас появляются модульные SiC MOSFET-транзисторы.

Тиратрон хорошо справляется с высокими импульсными токами. Он достигает 10 кА/мкс, пикового значения 10 кА и частоты повторения 10 кГц. За это приходится платить сроком службы и дрожанием сигнала: от 10 000 до 30 000 часов работы, временем предварительного нагрева от 5 до 15 минут и дрожанием сигнала триггера ±50 нс.

В твердотельной топологии пиковый ток приносится в жертву сроку службы и точности. 40-ступенчатая топология из IGBT-транзисторов с напряжением 1.7 кВ выдерживает напряжение 50 кВ, работает более 100 000 часов и срабатывает с точностью ±5 нс. Её слабым местом является распределение напряжения, поскольку напряжение шины делится между 40 устройствами.

В данной статье представлены данные для сравнения надежности, уравнения для расчета совместного использования оборудования, виды отказов, выявленные при возврате оборудования с места эксплуатации, а также гибридный путь модернизации тиратронной машины без полной перестройки.

2. Основной механизм

2.1 Проводимость и предел срока службы тиратрона

Водородный тиратрон представляет собой тетрод с горячим катодом, заполненный водородом под низким давлением. Катод нагревается в течение 5–15 минут, сетка подает газ, а плазменный канал передает импульс. Затем плазма деионизируется в течение примерно 100 мкс.

Причиной выхода из строя является катод. Гексаборид лантана или вольфрам испаряются под воздействием ионной бомбардировки, и катодный ток падает по мере истончения покрытия. Данные эксплуатации 200 списанных ламп показывают распределение отказов: деградация катода 45%, утечка водорода 25%, распыление сетки 15%, повреждение поверхности анода 10%.

Распыление сетки смещает порог срабатывания, и дрожание увеличивается с ±30 нс до ±80 нс по мере износа сетки. Это дрожание напрямую влияет на мощность дозы, где дрожание срабатывания в ±50 нс приводит к ошибке мощности дозы в ±2.5%.

2.2 Последовательное соединение и распределение напряжения

Один IGBT-транзистор выдерживает напряжение 1.7 кВ или 3.3 кВ. Следовательно, для модулятора на 50 кВ требуется множество последовательно соединенных устройств, и напряжение шины должно равномерно распределяться между ними. Две цепи выполняют эту задачу.

R_balance = V_IGBT_max / I_leakage

где R_balance — сопротивление статического баланса, V_IGBT_max — максимальное напряжение, которое может выдерживать один каскад, а I_leakage — ток утечки устройства. При напряжении 1.7 кВ на каскад и токе утечки 0.1 мА сопротивление резистора составляет 17 МОм, поэтому значение 22 МОм остается за пределами допустимого диапазона.

Резистор создает постоянные потери, величина которых пропорциональна квадрату напряжения на каскаде:

P_dissipation = V² / R

где P_dissipation — потери на резисторе, V — напряжение каскада, а R — сопротивление баланса. При 1.7 кВ и 22 МОм потери составляют 0.13 Вт, поэтому компонент мощностью 2 Вт работает значительно ниже своего номинального значения.

2.3 Динамическое распределение ресурсов на коммутационной границе

Статический резистор не может удерживать делитель напряжения во время импульса с амплитудой 10 кВ/мкс. Вместо него переходный процесс переносится динамическим конденсатором на каждом каскаде, значение которого зависит от времени нарастания и фазы линейного изменения напряжения.

C_dynamic = I_dV/dt · t_r / V_IGBT

где C_dynamic — конденсатор динамического баланса, I_dV/dt — зарядный ток, задаваемый линейным изменением напряжения, t_r — время нарастания, а V_IGBT — напряжение каскада. При 10 кВ/мкс, 200 нс и 1.7 кВ значение составляет 1.18 нФ, поэтому две части по 1.0 нФ дают 2 нФ и в 1.7 раза больший запас.

Точность распределения напряжения зависит от разброса напряжения на конденсаторе. Напряжение на каскаде отслеживает C_i / C_total, поэтому разброс ±10% по всей последовательной цепочке приводит к напряжению 5.5 кВ на одном устройстве с напряжением 1.7 кВ, и устройство начинает лавинно пробивать.

2.4 Математические расчеты надежности

Срок службы системы определяется суммой показателей отказов компонентов, при этом каждый этап умножает свой показатель на количество этапов.

MTBF = 1 / λ_total λ_total = Σ (N_k · λ_k)

где MTBF — среднее время между отказами, λ_total — общая частота отказов в FIT, N_k — количество компонентов k, а λ_k — частота их отказов. Доминирует стек: 40 IGBT-транзисторов при 200 FIT дают 8,000 FIT из 15,000 FIT общего времени, поэтому модулятор достигает 66 666 часов.

Рис. 1 — Водородный тиратрон работает от 10 000 до 30 000 часов с дрожанием ±50 нс по сравнению с показателями за предыдущие 100 000 часов и ±5 нс для 40-ступенчатой ​​структуры IGBT 1.7 кВ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Распад катода завершает срок службы тиратрона по расписанию.

Перед окончательным выходом трубки из строя катодный ток падает ниже 80% от первоначального значения. В качестве профилактической меры сервисные бригады заменяют трубку каждые 8,000 часов. В ходе десятилетнего полевого обследования 25 машин было зафиксировано 8.5 замен на единицу и 320 часов простоя.

Проблема 2: Нестабильность срабатывания триггера влияет на скорость дозирования.

Новый тиратрон срабатывает с задержкой ±30 нс, а изношенная сетка увеличивает эту задержку до ±80 нс. Дрожание смещает положение импульса внутри дозового окна, поэтому доставляемая доза перемещается вместе с ним. Ошибка мощности дозы достигла ±2.5%, чего достаточно для того, чтобы не пройти проверку плана IMRT.

Проблемный момент 3: Один этап занимает весь автобус

Распределение напряжения происходит постепенно. Балансировочный конденсатор изнашивается, цепь транзисторов становится неравномерной, и один каскад накапливает больше напряжения, чем ему положено. Примерно 40% отказов каскадов начинаются с пробоя перенапряжения в одном транзисторе, и часто выходит из строя тот каскад, который проверяют последним.

Проблема №4: Период предварительного нагрева отнимает клиническое время.

Тиратрону требуется от 5 до 15 минут предварительного нагрева перед первым импульсом. Установка, запущенная в 07:00, теряет первое место в расписании. Твердотельный стек запускается менее чем за 30 секунд, и затраты на предварительный нагрев в этом случае исчезают из расписания.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите полностью твердотельный путь или гибридный путь.

Полная замена транзисторов на твердотельные включает в себя переключатель, драйвер и блок транзисторов и стоит от 120 000 до 300 000 юаней. Гибридная модернизация сохраняет тиратрон, добавляет модуль предварительного запуска на IGBT, снижает зарядный диод до значения trr менее 150 нс и добавляет мониторинг. Гибридный вариант стоит 85 000 юаней против 120 000 юаней за замену транзисторов на твердотельные.

Стратегия 2: Определить количество этапов по автобусу и уменьшить мощность на два.

Разделите напряжение шины на номинальные параметры устройства, затем удвойте полученное значение для расчета запаса по распределению. Для шины 50 кВ с устройствами 1.7 кВ теоретически требуется 30 ступеней, поэтому в итоге получается 64 ступени с двумя запасными ступенями для обхода.

Стратегия 3: Установите балансировочный резистор, исходя из тока утечки.

Возьмите максимальное напряжение на каскаде и наихудший случай утечки, разделите на эти значения. Подставьте следующее стандартное значение выше полученного результата и проверьте потери в состоянии покоя в зависимости от номинального сопротивления резистора. толстопленочный резистор Сопротивление составляет 22 МОм при напряжении 15 кВ, а температурный коэффициент сопротивления (TCR) не превышает ±100 ppm/°C.

Стратегия 4: Подберите динамическое количество конденсаторов для каждой цепочки.

Приобретайте конденсаторы для каскада одним подобранным комплектом. Требуйте значения Cpk выше 1.33 и разброса менее ±5% по всему комплекту. дверная конденсатор При мощности 100 пФ и электростатическом напряжении менее 3 нГн, струна держит край и остается ровной.

Стратегия 5: Снизить зарядное сопротивление диода до значения менее 150 нс.

Зарядный диод подает питание на PFN между импульсами, а его восстановление определяет эффективность зарядки. быстровосстанавливающийся диод При времени trr 150 нс уровень заряда одного из устройств увеличился с 82% до 91%, а разброс напряжения PFN сократился с ±2.5% до ±0.6%.

Стратегия 6: Мониторинг работы коммутатора и прогнозирование сбоев.

Отслеживайте катодный ток, задержку запуска и форму сигнала PFN. Катодный ток ниже 80% от начального значения предсказывает конец срока службы трубки. Постройте распределение Вейбулла на основе данных эксплуатации: тиратрон при β = 2.1 и η = 18 000 ч дает срок службы B10 8,500 ч и срок службы B1 2,200 ч.

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. Компоненты HVC для перехода от тиратрона к твердотельному устройству.

Для работы блока необходим балансировочный резистор, динамический конденсатор и зарядный диод, и все три компонента определяют точность распределения напряжения. Компания HVC производит этот блок 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.

• Балансировочный резистор от 1 МОм до 100 МОм при напряжении от 5 кВ до 20 кВ. HVR-HTE Толстопленочная деталь поддерживает температурный коэффициент сопротивления (TCR) в пределах ±100 ppm/°C и выдерживает импульсную нагрузку без дрейфа.
• Динамический конденсатор от 100 пФ до 1 нФ при напряжении от 5 кВ до 15 кВ. Диэлектрик класса I Показатель составляет ±30 ppm/°C, поэтому струна остается ровной по мере нагревания корпуса.
• ESL менее 3 нГн. Низкая индуктивность удерживает фронт переключения и предотвращает колебания цепи каскада во время 200-нс перехода.
• Время восстановления диода составляет от 75 нс до 250 нс, а коэффициент мягкости — от 2.0 до 3.0. Восстановление остается мягким, поэтому кольцо зарядовой петли остается небольшим.
• Демпфирующие конденсаторы емкостью от 10 пФ до 100 нФ при напряжении от 1 кВ до 30 кВ. RC-демпфирующий конденсатор на каждом каскаде снимает импульс выключения с устройства.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. TDK HVR-A а также детали Murata HVCT, и соответствующий комплект поставляется с резисторы выборки HVRGXP для зарядного тока.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4-8 недель, а согласованные переходные комплекты — в течение 6-10 недель, в то время как для импортных брендов этот срок обычно составляет 20-30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в определении количества каскадов, размеров резисторов и конденсаторов, выборе демпфирующих резисторов и проектировании модуля предварительного запуска.

Отправьте напряжение шины, номинальные параметры устройства, количество каскадов и время нарастания импульса. HVC вернет полный комплект с номерами компонентов, данными о совместном использовании и двумя оценочными образцами в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как долго работает водородный тиратрон?

Срок службы составляет от 10 000 до 30 000 часов в зависимости от интенсивности импульсного режима. Основной причиной выхода из строя 45% выведенных из эксплуатации ламп является катодный износ, при этом катодный ток падает ниже 80% от первоначального значения, прежде чем лампа окончательно выходит из строя. В качестве профилактической меры сервисные бригады заменяют лампу каждые 8,000 часов.

В2: Сколько каскадов IGBT требуется для модулятора на 50 кВ?

На бумаге предусмотрено 30 ступеней при напряжении 1.7 кВ на устройство. Добавим коэффициент два для запаса по напряжению, и в итоге получим 64 ступени с двумя резервными ступенями для обхода. Запас покрывает разброс напряжения между устройствами и риск лавинного пробоя на одной неравномерной ступени.

В3: Как установить балансировочный резистор и конденсатор?

Разделите максимальное напряжение каскада на наихудший ток утечки, что даст 17 МОм при 1.7 кВ и 0.1 мА, затем установите конденсатор на 22 МОм. Установите емкость конденсатора, исходя из dV/dt, времени нарастания и напряжения каскада: 10 кВ/мкс и 200 нс при 1.7 кВ дают 1.18 нФ, следовательно, две части по 1.0 нФ.

Вопрос 4: Что меняется при модернизации до гибридной системы?

В новой версии тиратрон остаётся основным переключателем, но добавлены четыре элемента: модуль предварительного запуска на IGBT-транзисторах с задержкой ±10 нс, диод заряда с временем релаксации 150 нс, интеллектуальный модуль мониторинга и подобранные балансировочные компоненты. Стоимость составляет 85 000 юаней против 120 000 юаней за замену лампы на прямую.

В5: Какой коммутатор окажется дешевле в течение 15 лет?

Блок IGBT. За 15 лет общая стоимость ремонта тиратрона составляет 4 340 000 юаней, против 430 000 юаней для блока IGBT и 745 000 юаней для SiC. Сам тиратрон обходится в 2 400 000 юаней из-за простоев, требующих плановой замены ламп.

В6: Как предсказать отказ тиратрона?

Отслеживайте катодный ток и задержку срабатывания. Катодный ток ниже 80% от начального значения указывает на конец срока службы, а задержка, увеличивающаяся с ±30 нс до ±80 нс, указывает на эрозию сетки. Аппроксимация распределением Вейбулла при β = 2.1 и η = 18 000 ч дает срок службы B10, равный 8,500 ч.

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 60601-2-1, Медицинское электрооборудование — Часть 2-1: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам электронных ускорителейЖенева: МЭК, 2014.
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. Стандарт IEEE 493, Рекомендации IEEE по проектированию надежных промышленных и коммерческих энергетических системПискатуэй, Нью-Джерси: IEEE, 2007.
7. А. Марискотти и Л. Ваккаро, Катушка Роговского для высоковольтных применений, в сборнике трудов конференции IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference 2008 года, стр. 1069-1073, 2008. https://doi.org/10.1109/imtc.2008.4547197
8. США 6,937,027, Гибридный датчик для обнаружения высокочастотных частичных разрядов, Hanyang Hak Won Co., Ltd., выдано в 2005 г., https://www.freepatentsonline.com/6937027.html.
9. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
10. 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
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com