Термическое старение и снижение номинальных характеристик конденсаторов PFN для модуляторов линейных ускорителей

Термическое старение и снижение номинальных характеристик конденсаторов PFN для модуляторов линейных ускорителей

Резюме

В режимах FLASH и UHDR импульсный генератор медицинского линейного ускорителя работает с частотой от 100 до 500 Гц, и каждый импульс выделяет тепло. В этой статье рассматриваются три параметра, определяющие тепловыделение корпуса: потери на импульс, путь распространения тепла и частота повторения. Приводится модель ресурса Аррениуса, правило снижения мощности 60/70/30, а также измеренные данные о ресурсе для компонентов класса I и класса II, что позволяет рассчитать параметры импульсного генератора для заданного срока службы.

1. Введение

В лучевой терапии постоянно растут мощность дозы и плотность импульсов. Стандартная IMRT работает с частотой от 100 до 300 Гц при дозах от 3 до 6 Гр/мин. SBRT работает с частотой от 200 до 400 Гц при дозах выше 10 Гр/мин. FLASH и UHDR работают с частотой более 500 Гц при дозах более 40 Гр/с.

Более высокая частота означает больше выстрелов в секунду, и каждый выстрел выделяет тепло внутри деталей PFN. Тепло отводится по пути, который не меняется с увеличением частоты, поэтому корпус нагревается сильнее по мере роста частоты.

Данные, полученные в полевых условиях, подтверждают стоимость. Один из производителей линейных ускорителей сообщил о среднем сроке службы детали X7R PFN в 200 Гц от 2 до 3 лет, что значительно меньше запланированного десятилетнего срока. Среди отказов линейных ускорителей, зафиксированных сторонними сервисными группами, около 30% связаны с термическим старением деталей PFN.

2. Основной механизм

2.1 Убытки растут с увеличением частоты

Тангенс угла диэлектрических потерь керамической детали не является постоянной величиной. Он возрастает с увеличением частоты, причем этот рост более крутой для диэлектриков класса II.

tan δ(f) = tan δ_0 + k · f^α

где tan δ_0 — потери на низких частотах, ka — постоянная, f — частота в МГц, а α — показатель преломления, близкий к 0.6 для компонента класса I и к 0.8 для компонента класса II.

На частоте 100 МГц разница существенная: у компонентов класса I она составляет около 0.5%, у компонентов X7R — около 3%, а у компонентов Y5V — около 8%. Последний бесполезен на высоких частотах.

2.2 Потери на импульс

Каждый разряд оставляет в детали небольшой пакет тепла. Размер пакета зависит от величины, квадрата напряжения, скорости разряда и тангенса угла диэлектрических потерь.

E_loss = π · C · V² · f · tan δ

где E_loss — мощность потерь в Вт, C — значение в нФ, V — напряжение заряда в кВ, f — частота повторения в Гц, а tan δ — тангенс угла потерь.

Введём цифры. При 2 нФ, 30 кВ, 300 Гц и тангенсе угла диэлектрических потерь 0.1% потери составляют 1.7 Вт. Эта цифра справедлива для детали с хорошим теплоотводом. Деталь с плохим теплоотводом работает при температуре выше 85 °C внутри и быстрее изнашивается после достижения этой температуры.

2.3 Повышение температуры корпуса

Повышение температуры детали происходит по прямой линии вслед за потерями тепла и тепловым путем.

ΔT = P_loss · R_th

где ΔT — повышение температуры в °C, P_loss — потери тепла в Вт, а R_th — путь передачи тепла от ядра к воздуху в °C/Вт.

Температура дверной ручки повышается на 15–25 °C/Вт. Температура свинцового нагревательного элемента класса II повышается на 20–40 °C/Вт. При мощности 1.7 Вт и температуре нагревательного элемента 20 °C/Вт повышение температуры составляет 34 °C. В помещении с температурой 30 °C температура сердцевины составляет 64 °C, что близко к максимальному значению 85 °C для элемента класса I.

2.4 Жизнь следует за теплом

Скорость старения диэлектрика подчиняется соотношению Аррениуса.

L = L_0 · exp[ E_a / k · (1/T_op − 1/T_ref) ]

где L — время жизни при рабочей температуре, L_0 — время жизни при эталонной температуре, E_a — энергия активации в эВ, k — постоянная Больцмана, а T_op и T_ref — рабочая и эталонная температуры в Кельвинах.

Для детали из сплава N4700 энергия активации составляет 0.85 эВ. При базовой температуре 25 °C, нагревание сердечника до 85 °C сокращает срок службы в 8 раз, а при 125 °C — в 30 раз. Примерное правило для проектирования: срок службы уменьшается вдвое на каждые 10 °C дополнительного тепла.

Частота нагрева действует как дополнительный источник тепла. Измеренные эквивалентные повышения температуры составляют 8 °C при 50 Гц, 15 °C при 100 Гц, 25 °C при 200 Гц и 45 °C при 400 Гц. В помещении с температурой 30 °C деталь, работающая на частоте 200 Гц, находится при температуре 55 °C и теряет примерно в 2.3 раза больше ресурса, чем деталь, работающая при 25 °C. При частоте 400 Гц она находится при температуре 75 °C и теряет в 5.8 раза больше ресурса.

Рис. 1 — Нагрев корпуса повышается с 30 °C в состоянии покоя до 75 °C при частоте 400 Гц, при этом срок службы детали N4700 сокращается в 5.8 раза по сравнению с устройством, нагревающимся до 25 °C.

3. Проблемы проектирования

Проблемная точка 1: Деталь, которая проходит проверку на частоте 100 Гц и выходит из строя на частоте 300 Гц.

Конструкция проверяется при низкой скорости нагрева, при которой корпус остается холодным, а потери невелики. При увеличении скорости нагрева той же детали температура корпуса поднимается выше 85 °C, и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) возрастает вместе с ней. Затем потери увеличиваются сами по себе, поскольку у горячей детали тангенс угла диэлектрических потерь выше, чем у холодной.

Проблема 2: Образ выдающейся личности, взятый не из того теста.

Показатель ресурса, указанный в технической документации, часто определяется по результатам испытаний при температуре 25 °C и низком напряжении. При частоте 200 Гц и 70% от номинального напряжения реальный срок службы может быть в 10-20 раз короче. Разница проявляется поздно, в виде медленной потери значения и медленного роста эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) после двух-трех лет эксплуатации.

Проблемный момент 3: Параллельные части, которые нагревают друг друга.

Параллельно расположенные компоненты распределяют ток, поэтому каждый из них имеет меньшие потери. При установке без зазора они также распределяют тепло. Два компонента, расположенные на расстоянии 5 мм друг от друга, работают при более низкой температуре, чем те же два компонента, расположенные на расстоянии 1 мм, и выбор зависит от компоновки.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Снижение громкости, температуры и продолжительности жизни одновременно.

Одновременно действуют три ограничения. Рабочее напряжение должно составлять не более 60% от номинального. Нагрев корпуса должен составлять не менее 70% от номинального значения. Расчетный срок службы должен составлять не менее 30% от измеренного значения, так что пятнадцатилетний срок службы оправдывает 4.5-летний план обслуживания с запасом.

Стратегия 2: Определите значение ожидаемого вами дрейфа.

Значение параметра уменьшается по мере старения детали, поэтому номинальная мощность детали должна изначально превышать потребности схемы.

C_rated = C_required / [ (1 − |ΔC/C_T|) · (1 − |ΔC/C_age|) · (1 − |ΔC/C_V|) ]

где C_required — требуемое значение для схемы, ΔC/C_T — температурный дрейф во всем диапазоне, ΔC/C_age — дрейф старения за расчетный срок службы, а ΔC/C_V — дрейф при рабочем напряжении.

Для компонента N4700 эти три параметра составляют 0.5%, 1% за десять лет и 1%. Номинальное значение должно быть на 2.5% выше требуемого в схеме значения. Выберите 5.0 нФ там, где в схеме требуется 4.7 нФ.

Стратегия 3: Установите путь теплопередачи, исходя из предела потерь.

Исходя из допустимого количества тепла, рассчитывайте исходя из этого. Максимальная теплопотеря одной детали определяется разницей между температурой верхней части корпуса и температурой помещения, деленной на длину пути теплопередачи. Деталь в помещении с температурой 30 °C, верхней частью корпуса с температурой 95 °C и длиной пути теплопередачи 20 °C/Вт потребляет максимум 3.2 Вт.

Стратегия 4: Преодоление пути теплопередачи за счет компоновки и вентиляции.

Установите детали на охлаждающую пластину или алюминиевое основание, чтобы снизить температуру на выходе до 5–8 °C/Вт. Добавьте принудительную подачу воздуха со скоростью 2 м/с или более, что снизит температуру на выходе до 8–12 °C/Вт. Расстояние между параллельными деталями должно составлять 5 мм или более. При частоте выше 200 Гц требуется принудительное воздушное или жидкостное охлаждение.

Стратегия 5: Наблюдайте за работой оборудования.

Измеряйте нагрев корпуса с помощью контактного датчика и ежегодно проверяйте его значение и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Используйте датчик с низкой индуктивностью. HVRGXP Датчик в цепи разряда позволяет считывать импульсный ток без увеличения потерь в контуре. Тенденция изменения ESR является ранним признаком теплового старения и проявляется задолго до изменения значения.

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. Детали HVC для горячей ступени PFN

Нагрев корпуса компонента определяет срок его службы, а низкие теплопотери обеспечивают охлаждение корпуса. Системы HVC дверная ручка конденсаторы с измеренным коэффициентом демпфирования около 0.08% на частоте 1 МГц и низкой индуктивностью. N4700 диэлектрик, сохраняющий свои значения при нагревании детали.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Тангенс угла потерь составляет менее 0.1% на частоте 1 МГц. Низкие потери обеспечивают охлаждение ядра, поэтому эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) не возрастает, и потери не увеличиваются.
• Тепловой поток составляет от 15 °C/Вт до 20 °C/Вт на плите с дверной ручкой. Короткий внутренний канал удерживает тепло в сердцевине на частоте 200 Гц без дополнительного притока воздуха.
• Старение составляет менее 0.1% за десятилетие. Десять лет эксплуатации снижают стоимость менее чем на 1%, поэтому сохраняется запас прочности в 2.5%.
• Показатель PD ниже 2 пКл. Низкий уровень исключает фактор медленного повреждения из расчета десятилетнего плана обслуживания.
• Номинальное напряжение до 50 кВ. Высокий номинальный уровень позволяет компоненту работать на 60% от номинального напряжения, что уменьшает дрейф напряжения.
• Парные наборы. HVR-BSP толстопленочные детали и быстровосстанавливающийся диод Можно выбрать все компоненты в одной партии вместе с деталями PFN для демпфирующего контура и выпрямительного каскада.

A пленочный конденсатор охватывает путь измерения и синхронизации, где значение, изменяющееся при нагреве, недопустимо. Компоненты HVC также соответствуют ключевым параметрам. Vishay Запчасти HVCC и TDK FHV.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4-8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6-10 недель. Инженер-технолог по применению HVC занимается расчетом потерь, анализом тепловых путей и определением запаса прочности.

Отправьте данные о скорости разряда, напряжении заряда, значении и температуре в помещении. HVC в течение пяти рабочих дней выдаст вам соответствующий лист с данными о потерях на импульс, температуре корпуса и приблизительном сроке службы, а также двухэтапный оценочный комплект.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какую частоту повторения может выдержать деталь PFN?

Это зависит от потерь и пути теплопередачи, а не только от скорости нагрева. Деталь с коэффициентом теплопередачи менее 0.1% и скоростью теплопередачи 18 °C/Вт удерживает температуру корпуса ниже 95 °C при частоте 300 Гц. При частоте выше 200 Гц используйте принудительную подачу воздуха со скоростью 2 м/с. При частоте выше 400 Гц следует планировать использование охлаждающей пластины или жидкостного охлаждения, поскольку потери увеличиваются с увеличением скорости нагрева.

В2: Почему убытки со временем увеличиваются сами по себе?

Потому что нагрев увеличивает тангенс угла потерь и уменьшает путь распространения тепла в неправильном направлении. У горячей детали потери выше, чем у холодной, поэтому один и тот же импульс оставляет больше тепла, что еще больше увеличивает теплопроводность корпуса. Деталь с низкими потерями и коротким путем распространения тепла разрывает этот цикл. Деталь с плохим путем распространения тепла — нет.

В3: Как читать правило 60/70/30?

Три предельных значения, применяемые одновременно. Рабочее напряжение составляет 60% от номинального или менее. Нагрев корпуса при работе составляет 70% от номинального значения. Расчетный срок службы составляет 30% от измеренного значения. Деталь, работающая при напряжении 30 кВ, работает при напряжении 18 кВ. Деталь, работающая при температуре 125 °C, работает при температуре 95 °C. Десятилетние результаты испытаний подтверждают трехлетний план технического обслуживания с большим запасом.

Вопрос 4: Во сколько обходится снижение номинальной мощности?

Однократное снижение номинального напряжения увеличивает стоимость детали примерно на 50%. Это продлевает срок службы в 3-5 раз и сокращает большинство обращений в сервисную службу. За десять лет общая стоимость одного комплекта PFN снижается с 79 000 юаней до 30 250 юаней, а время простоя сокращается с 8 обращений в год до 0.5.

В5: Каков безопасный уровень нагрева сердцевины для детали класса I?

Поддерживайте температуру сердцевины ниже 95 °C, используя деталь, рассчитанную на 125 °C. Срок службы сокращается вдвое на каждые 10 °C дополнительного тепла, поэтому срок службы сердцевины при 105 °C вдвое меньше, чем у сердцевины при 95 °C. Корпус, работающий при температуре от 55 °C до 70 °C плюс повышение температуры на 25 °C до 40 °C, находится близко к этой отметке, поэтому путь теплопередачи имеет большее значение, чем скорость тепловыделения.

В6: Какой тест на выносливость мне следует запросить?

Попросите провести испытание при реальной нагрузке и реальном напряжении: 125 °C, напряжение в 1.5 раза превышающее номинальное, 1000 часов, при нагрузке, соответствующей рабочему циклу. В ходе этого испытания характеристики компонентов HVC N4700 изменились на +0.4%, в то время как характеристики компонентов X7R изменились на −5.8%, а характеристики компонентов Y5V — на −15.3%. Испытание при 25 °C даст очень мало информации.

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 ускорителей в диапазоне от 1 МэВ до 50 МэВЖенева: 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. MIL-PRF-49470 Ред. D, Конденсатор, фиксированный, с керамическим диэлектриком, импульсный источник питания (общего назначения и термостабильный), стандартная и высокая надежность, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2017.
10. Q. Чен, Y. Ван, X. Чжоу, QM Чжан и S. Чжан, Туннелирование в сильном магнитном поле как ограничивающий фактор максимальной плотности энергии в диэлектрических конденсаторах для хранения энергии.Applied Physics Letters, том 92, № 14, статья № 142909, 2008. https://doi.org/10.1063/1.2903115
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com