Конденсаторы для накопления энергии в твердотельных модуляторах линейных ускорителей на базе IGBT.

Конденсаторы для накопления энергии в твердотельных модуляторах линейных ускорителей на базе IGBT.

Резюме

В данной работе твердотельный линейный ускоритель заменяет водородный тиратрон 40-ступенчатым стеком IGBT-транзисторов. Скорость заряда увеличивается до 50 кВ/мкс, скорость разряда di/dt — до 5,000 А/мкс, а расчетный срок службы — до 100 000 ч. Линейный конденсатор не может выдержать такую ​​нагрузку. В статье приводятся уравнения для расчета энергии, снижения номинальной мощности и потерь, четыре типа отказов под воздействием нагрузок, схема компоновки блока и этапы резервирования, а также данные по конденсаторам, обеспечивающие среднее время безотказной работы (MTBF) в 12 000 ч.

1. Введение

Модулятор линейного типа используется для питания импульсов медицинских линейных ускорителей с 1970-х годов. Он представляет собой комбинацию импульсного модулятора PFN и водородного тиратрона. Тиратрон демонстрирует дрожание триггера ±50 нс, требует предварительного нагрева от 5 до 15 минут и служит от 10 000 до 30 000 часов до замены.

В твердотельном модуляторе тиратрон заменен стеком IGBT-транзисторов или SiC MOSFET-транзисторов. Компания Varian Halcyon выпустила полностью твердотельную конструкцию в 2017 году, а Elekta Harmony последовала ее примеру в 2020 году. В настоящее время коммутатор использует 40 каскадов IGBT-транзисторов напряжением 1.7 кВ на шине 50 кВ.

Изменение переносит нагрузку на конденсатор, накапливающий энергию. Скорость заряда увеличивается с 1 кВ/мкс до 50 кВ/мкс. Время разряда di/dt увеличивается с 500 А/мкс до 5,000 А/мкс. Частота повторения увеличивается с 200 Гц до 1,000 Гц, а целевой расчетный срок службы увеличивается с 30 000 ч до 100 000 ч.

Линейный конденсатор не может выдержать такую ​​нагрузку. В этой статье приводятся уравнения для расчета энергии и снижения номинальной мощности, четыре типа отказов под воздействием нагрузок, схема расположения конденсаторов и этапы резервирования, а также данные по конденсаторам, которые обеспечивают среднее время безотказной работы твердотельного модулятора на уровне 12 000 ч.

2. Основной механизм

2.1 Накопленная энергия и банковская стоимость

Аккумулятор накапливает энергию для одного импульса и передает ее в импульсный трансформатор. Накопленная энергия пропорциональна квадрату напряжения заряда.

E = ½ · C · V²

где E — энергия импульса, C — емкость блока, а V — напряжение заряда. Для импульса 30 Дж при 50 кВ требуется 24 нФ. При повышении напряжения емкость быстро уменьшается, поэтому блоки линейных ускорителей работают при 50 кВ, а не при 5 кВ.

Один компонент не может вместить 24 нФ при 50 кВ, поэтому группа компонентов подключается параллельно. Двенадцать компонентов по 2 нФ дают 24 нФ, а четыре компонента по 6 нФ — то же значение при меньшем количестве компонентов. Параллельное подключение позволяет сэкономить место на плате и снизить стоимость компонентов.

2.2 Снижение номинального напряжения

Конденсатор, работающий при номинальном напряжении, быстро изнашивается при зарядном воздействии со скоростью 50 кВ/мкс. В промышленности принято снижать рабочее напряжение до 60% от номинального.

V_rated ≥ V_bus / 0.6

где V_rated — номинальное напряжение, а V_bus — напряжение звена постоянного тока. Для шины 50 кВ требуется 83 кВ, поэтому подходит значение для 100 кВ. Для шины 40 кВ требуется 67 кВ, и это значение соответствует значению для 80 кВ.

2.3 Ток заряда и диэлектрические потери

Зарядный ток следует за емкостью и наклоном напряжения, поэтому быстрый нарастающий ток проталкивает большой ток через аккумуляторную батарею и выпрямитель.

i_charge = C · dV/dt

где i_charge — зарядный ток, C — емкость батареи, а dV/dt — скорость нарастания заряда. При 13 кВ/мкс и батарее емкостью 24 нФ пиковый зарядный ток достигает 312 А, и фольга конденсатора должна выдерживать его без локального нагрева.

Диэлектрические потери, следовательно, зависят от частоты повторения импульсов и тангенса угла диэлектрических потерь:

P_loss = 2π · f · C · V² · tan δ

где P_loss — рассеиваемая мощность, f — частота повторения, C — емкость батареи, V — напряжение заряда, а tan δ — коэффициент рассеяния. При частоте 400 Гц, емкости 24 нФ, напряжении 50 кВ и tan δ 0.1% батарея потребляет 151 Вт. Часть батареи при tan δ 0.5% потребляет 755 Вт в том же разъеме, что не может компенсировать ни один керамический элемент.

2.4 Динамическое распределение напряжения

40-ступенчатая схема распределяет напряжение шины между ступенями. Каждая ступень содержит небольшой выравнивающий конденсатор, а распределение емкостей определяет распределение напряжения.

V_i(t) = V_total(t) · C_i / C_total

где V_i(t) — напряжение на i-м каскаде, V_total(t) — напряжение на всей сборке, C_i — емкость каскада, а C_total — сумма значений всех каскадов. Значение C_i должно оставаться в пределах ±5%, иначе каскад с низким значением будет потреблять больше 50 кВ, чем ему положено.

Рис. 1 — Для импульса мощностью 30 Дж при напряжении 50 кВ требуется 24 нФ, поэтому двенадцать элементов по 2 нФ в N+1 модулях поддерживают индуктивность батареи ниже 5 нГн при частоте 1,000 Гц.

3. Проблемы проектирования

Проблемный момент 1: Быстрый нарастающий заряд пробивает диэлектрик.

Нарастание напряжения до 50 кВ/мкс обеспечивает полное напряжение на шине керамического элемента за 1 мкс. Затем в корпусе образуются пустоты и происходит расслоение. Один производитель зафиксировал 4 отказа в полевых условиях на 100 единиц в первый год, все с частичным разрядом выше 20 пКл при номинальном напряжении. В элементах, протестированных при напряжении ниже 3 пКл, частота отказов составила 0.2 на 100 единиц.

Болевой пункт 2: Банк ESL сглаживает край пульса.

Разрядный ток возрастает до 5,000 А/мкс, поэтому индуктивность блока определяет фронт импульса. Блок с индуктивностью 20 нГн добавляет 100 нс ко времени нарастания и снижает пиковое значение. Тот же блок с индуктивностью 5 нГн поддерживает время нарастания на уровне 80 нс, что необходимо для импульса длительностью 3 мкс.

Проблемный момент 3: Диэлектрические потери приводят к нагреву всего блока.

При частоте 1,000 Гц блок с тангенсом угла диэлектрических потерь 0.2% потребляет 755 Вт. Затем корпус нагревается до температуры выше 125 °C, тангенс угла диэлектрических потерь продолжает расти с повышением температуры, и блок переходит в состояние теплового разгона. Деталь с тангенсом угла диэлектрических потерь 0.05% потребляет 189 Вт и удерживает корпус при температуре ниже 85 °C.

Проблемный момент 4: На напряжение шины поступает неравномерно один из каскадов.

Разброс напряжения ±10% на выравнивающих конденсаторах создает напряжение 5.5 кВ на одном из каскадов с напряжением 1.7 кВ. Затем IGBT-транзистор выходит из строя из-за лавинного пробоя и короткого замыкания. Схема выдерживает короткое замыкание одного каскада, но два коротких каскада в одной цепочке отключают модулятор.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Рассчитать размер банка, исходя из энергии импульса, и добавить запас.

Исходя из формулы E = ½ · C · V², найдите значение C. Добавьте 20%, чтобы компенсировать падение напряжения на протяжении импульса и дрейф, вызванный старением. Для импульса 30 Дж при напряжении 50 кВ потребуется 29 нФ, то есть 12 частей 2.5 нФ или 14 частей 2 нФ.

Стратегия 2: Снизить напряжение до 60%.

Выберите значение из формулы V_bus / 0.6 и округлите в большую сторону. Для шины 50 кВ требуется 83 кВ, поэтому подойдет часть, рассчитанная на 100 кВ. Часть, работающая на 50% от своей номинальной мощности, служит гораздо дольше, чем та, которая работает на 90%, а дополнительные затраты незначительны по сравнению с отключением модулятора.

Стратегия 3: Поддерживайте уровень ESL ниже 1.5 нГн на деталь.

Используйте корпус с низкой индуктивностью и короткими выводами, и монтируйте компоненты так, чтобы площадь контура оставалась небольшой. Установите широкую шину и расположите модули друг за другом. Поддерживайте индуктивность всей батареи ниже 5 нГн, чтобы фронт импульса длительностью 3 мкс оставался чистым.

Стратегия 4: Разделить банк на N+1 модулей.

Запускайте 12 модулей там, где достаточно 10, и изолируйте неисправный модуль с помощью обходного реле. Контролируйте напряжение и температуру корпуса на каждом модуле. В этом случае отказ одного модуля приведет к поломке одного модуля, а не всего дня обработки.

Стратегия 5: Согласовать выравнивающие конденсаторы с точностью до ±5%.

Приобретайте конденсаторы для каждого каскада в виде подобранного комплекта или измерьте их на частоте 1 МГц и сгруппируйте. Запросите у поставщика отчет о значении Cpk выше 1.33 для каждой партии. Подобранный комплект обеспечивает напряжение на каждом каскаде ниже 1.9 кВ на шине 50 кВ.

Стратегия 6: Установите демпфер RC на каждом этапе.

Демпфирующий контур сглаживает пик в момент выключения и распределяет нарастающий импульс по всей схеме. Размеры резистора и конденсатора определяются исходя из паразитной индуктивности и емкости устройства:

R_snub = √(L_stray / C_IGBT) C_snub = 0.05 · C_IGBT to 0.1 · C_IGBT

где R_snub — сопротивление демпфирующей цепи, L_stray — индуктивность контура, C_IGBT — выходная емкость устройства, а C_snub — емкость демпфирующей цепи. Для каскада с паразитной индуктивностью 20 нГн и емкостью устройства 2 нФ требуется резистор 3.2 Ом и конденсатор 100 пФ.

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 твердотельного модулятора

Аккумуляторная батарея должна выдерживать емкость 24 нФ при напряжении 50 кВ, заряжаться со скоростью 50 кВ/мкс и служить 100 000 часов. Четыре параметра емкости конденсатора определяют, будет ли она соответствовать этим требованиям. Компания HVC производит компоненты для всех четырех параметров 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.

• ESL ниже 1.5 нГн. HVCT8G Конструкция с низкой индуктивностью удерживает напряжение в банке ниже 5 нГн, поэтому импульс длительностью 3 мкс сохраняет фронт длительностью 80 нс.
• Частичные разряды ниже 3 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Низкий уровень частичных разрядов предотвращает проколы корпуса при скорости нарастания напряжения 50 кВ/мкс в течение первого года.
• Тангенс угла потерь ниже 0.1% на частоте 1 МГц. Низкие потери удерживают температуру батареи ниже 85 °C на частоте 1,000 Гц и блокируют путь теплового разгона.
• TCC ±30 ppm/°C. A Диэлектрик класса I поддерживает стабильное значение емкости аккумулятора в диапазоне от −40 °C до +125 °C, поэтому энергия импульса не изменяется при нагревании корпуса.
• Импульсный ток превышает 10 кА в пике. Фольга и вывод пропускают зарядный ток 312 А и разрядный ток 5,000 А/мкс без локального нагрева.
• Координированные компоненты. HVR-BSP градуировочные резисторы, HVR-HTE балансировочные резисторы и быстровосстанавливающиеся диоды Поставляется в одном комплекте с конденсаторами каскада.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4-8 недель, а 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 расчете мощности блока, анализе снижения номинальной мощности, согласовании выравнивания и проектировании демпфирующих элементов. Прилагается таблица перекрестных ссылок. TDK Запчасти UHV и Murata DHS доступны по запросу.

Отправьте напряжение шины, энергию импульса, частоту повторения и целевое время нарастания. HVC вернет схему блока с номерами компонентов, данными ESL и tan δ, а также набор данных для оценки с двумя выборками в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему линейный конденсатор не может использоваться в качестве твердотельного модулятора?

Поскольку режим работы изменился сразу в четырех направлениях. Скорость заряда увеличилась с 1 кВ/мкс до 50 кВ/мкс, время разряда di/dt — с 500 А/мкс до 5,000 А/мкс, частота повторения импульсов — с 200 Гц до 1,000 Гц, а целевой срок службы — с 30 000 ч до 100 000 ч. Деталь, рассчитанная на медленный линейный режим работы, выходит из строя уже на первом этапе, который она не может выдержать.

В2: Какой запас по напряжению необходим банку?

Рабочее напряжение должно составлять 60% от номинального, поэтому для шины 50 кВ требуется деталь, рассчитанная на 83 кВ. На практике это означает класс 100 кВ. Деталь, работающая на 50% от номинального напряжения, служит гораздо дольше, чем та, которая работает на 90%, а разница в цене невелика по сравнению с отключением модулятора.

В3: Насколько низким должен быть минимальный порог кредитного риска (ESL) в банке?

Индуктивность всей батареи составляет менее 5 нГн, а каждой её части — менее 1.5 нГн. Разрядная скорость достигает 5,000 А/мкс, поэтому индуктивность батареи в 20 нГн добавляет 100 нс к нарастанию и снижает пиковое значение. Для импульса длительностью 3 мкс требуется, чтобы время нарастания составляло менее 80 нс.

Вопрос 4: Какой фактор рассеивания тепла поддерживает низкую температуру в банке?

При частоте 1 МГц потери составляют менее 0.1%. При частоте 1,000 Гц на блоке 50 кВ тангенс угла диэлектрических потерь 0.1% приводит к выделению 151 Вт мощности и удерживает температуру корпуса ниже 85 °C. При 0.2% потери удваиваются, температура тела превышает 125 °C, и тангенс угла диэлектрических потерь затем самостоятельно возрастает с увеличением температуры.

В5: Как сбалансировать 40-ступенчатый стек IGBT-транзисторов?

Установите на каждом каскаде балансировочный резистор 22 МОм и выравнивающий конденсатор 100 пФ, поддерживая разброс емкости конденсаторов в пределах ±5%. Напряжение на каскаде зависит от C_i / C_total, поэтому разброс ±10% приведет к напряжению 5.5 кВ на устройстве с напряжением 1.7 кВ и лавинному пробою на каскаде.

В6: Как увеличить среднее время безотказной работы (MTBF) до более чем 10 000 часов?

Снизьте частоту отказов основного компонента. IGBT-транзисторный блок выдает 200 отказов на устройство, умноженных на 40 каскадов, что составляет 8,000 отказов из 15,000 общих отказов. Добавьте резервирование N+1 в блок и в блок, затем проверьте конденсаторы на наличие частичных разрядов, чтобы блок перестал быть вторым элементом.

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. 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. 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. 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. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com