Изоляция импульсного трансформатора с дробным коэффициентом трансформации для медицинских линейных ускорителей

Изоляция импульсного трансформатора с дробным коэффициентом трансформации для медицинских линейных ускорителей

Резюме

Импульсный трансформатор с передаточным отношением 1:345 повышает напряжение с 600 В до 207 кВ для питания катода электронной пушки. При таком передаточном отношении обмотка добавляет тысячи пикофаритных зарядов, поэтому импульсные колебания и напряжение на витках становятся неравномерными. В этой статье приведены уравнения для учета паразитных колебаний, колебаний и делителя напряжения, пределы изоляции и утечки, распределенная RC-цепь, которая гасит колебания, и набор делителей, измеряющих выходное напряжение с точностью до ±0.5 %.

1. Введение

Импульсный трансформатор с дробным коэффициентом усиления напрямую повышает напряжение на низковольтном накопителе до напряжения, необходимого для работы генератора импульсов. Один каскад заменяет цепочку повышающих каскадов, благодаря чему модулятор становится меньше и дешевле.

В бытовом линейном ускорителе на 25 МэВ используется соотношение 1:345. Он подает ступенчатое напряжение 600 В от накопителя до 207 кВ и управляет катодом электронной пушки импульсом длительностью 4 мкс с частотой 200 Гц.

При соотношении выше 300 одновременно возникают три проблемы: паразитное значение обмотки, путь замыкания витка на землю и отсутствие прямого способа измерения напряжения 207 кВ.

В этой статье рассматриваются паразитные значения, частота колебаний, определяемая утечкой, уровни изоляции, путь утечки, демпфирующая RC-цепь и делитель, считывающий выходной сигнал.

2. Основной механизм

2.1 Побочные значения вторичного напряжения

Дополнительная ценность от поворота к повороту увеличивается с учетом количества поворотов:

C_t = C_turn · N_s

где C_turn — значение за один оборот в пФ, N_s — количество вторичных оборотов, а C_t — общее количество оборотов от оборота к обороту в пФ.

При емкости 0.5 пФ на виток и 3450 витках, C_t составляет 1725 пФ. Значения емкости слоя и заземления добавляют еще 300–800 пФ, поэтому общая емкость достигает 2000–2500 пФ, что в 5–10 раз превышает значение для детали с коэффициентом трансформации 1:30.

2.2 Частота колебаний, обусловленная утечкой и паразитными значениями.

Индуктивность рассеяния и паразитное сопротивление образуют последовательный контур:

f_r = 1 / (2π · √(L_leak · C_total))

где L_leak — индуктивность рассеяния в мкГн, C_total — суммарное паразитное значение в нФ, а f_r — частота колебаний в кГц.

При индуктивности 200 мкГн и емкости 2 нФ частота f_r составляет 252 кГц. Эта частота находится в пределах гармонического диапазона PRR, поэтому хвостовая часть импульса колеблется в течение нескольких циклов.

2.3 Коэффициент деления

Последовательное соединение компонентов позволяет понизить высокое напряжение до уровня, который может считывать АЦП:

K = (C_H + C_L) / C_L

где C_H — значение верхнего плеча в пФ, C_L — значение нижнего плеча в нФ, а K — коэффициент деления.

При C_H = 100 пФ и C_L = 100 нФ коэффициент K составляет примерно 1000:1. В этом случае выходное напряжение 207 кВ на нижнем плече будет соответствовать 207 В.

2.4 Постоянная времени затухания на секцию

Каждый вывод RC-модуляции обеспечивает равномерное напряжение на витке и гасит колебания:

τ = R_seg · C_seg

где R_seg — сопротивление секции в МОм, C_seg — значение сопротивления секции в пФ, а τ — время затухания в мкс.

При сопротивлении 1 МОм и емкости 50 пФ длительность импульса τ составляет 50 мкс, что в 12 раз больше, чем длительность импульса в 4 мкс. Меньшее значение привело бы к разрядке импульса и потере энергии.

2.5 Путь просачивания вдоль поверхности

Путь от верхнего конца цепи до земли должен проходить вдоль пикового напряжения:

L_creep ≥ k_c · V_peak

где k_c — коэффициент ползучести в мм/кВ, V_peak — пиковое напряжение в кВ, а L_creep — длина пути в мм.

При напряжении 8 мм/кВ и 207 кВ длина цепи должна достигать 1656 мм. Атомная электростанция диаметром 160 мм с блоком сердечника 300 мм дает всего 803 мм, поэтому длину электростанции необходимо увеличить.

Рис. 1 — Экранирующий слой с заземлением и 30 RC-резонаторов сопротивлением 5 МОм и емкостью 100 пФ гасят кольцевой сигнал 252 кГц, создаваемый утечкой 200 мкГн и паразитной емкостью 2 нФ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Паразитный ток шунтирует импульсный ток.

Высокочастотный ток протекает через паразитный резистор вместо нагрузки. Доля тока, достигающего вторичной обмотки, падает, а КПД снижается на 10–20 %. Фрагмент также замедляется, а в хвостовой части наблюдается перерегулирование на 25 % с пятью циклами колебаний.

Проблема 2: Неравномерность напряжения витков.

Идеальное напряжение на витке составляет 207 кВ / 3450 = 60 В. Реальный разброс неравномерен, и на первом витке в верхнем диапазоне напряжение в 1.5–2.5 раза выше, или 150 В. При двукратном переходном процессе напряжение на стойке должно составлять 500 В, поэтому эмаль должна выдерживать напряжение 1000 В.

Проблемный момент 3: Наземный путь недостаточен.

Сердечник диаметром 160 мм с пакетом электродов размером 300 мм обеспечивает длину контактной поверхности 803 мм. Для пикового напряжения 207 кВ требуется 1656 мм при скорости разряда 8 мм/кВ. Этот зазор приводит к увеличению диаметра сердечника до 200 мм и высоты до 400 мм, а также увеличивает его вес.

Проблемный момент 4: Разделитель смещается под воздействием тепла и скорости.

Компонент класса II теряет свои характеристики из-за нагрева и смещения, поэтому коэффициент усиления изменяется. При повышении температуры более чем на 100 °C значение для компонента с погрешностью ±30 ppm/°C изменяется на 0.3 %. Паразитные значения на высокочастотном плече добавляют несколько процентов к погрешности коэффициента усиления, а ESL сдвигает коэффициент усиления выше 1 МГц.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Защитить каждый слой

Между слоями добавьте заземленную медную фольгу с одним эквипотенциальным соединением. Экран блокирует межслойное поле, и измеренное суммарное значение паразитных помех уменьшится на 50 %. Используйте фольгу толщиной 0.05 мм через каждые пять слоев в 30-слойной обмотке.

Стратегия 2: Установите по одной радиоуправляемой ножке на каждый слой.

Последовательно расположите RC-переходник через каждые 115 витков. Каждый переходник использует резистор 5 МОм 5 Вт и конденсатор 100 пФ 30 кВ. При 30 секциях переходники поддерживают равномерное напряжение на витках и уменьшают выбросы в хвостовой части цепи с 25 % до менее 5 %.

Стратегия 3: Объедините делитель на конденсаторе с делителем на резисторе.

Колонковый делитель считывает фронт импульса, но не уровень постоянного тока. Резисторный делитель считывает постоянный ток, но имеет узкую полосу пропускания. Подключите оба делителя и суммируйте выходные сигналы. Измеренная точность достигает ±0.2 %, в диапазоне от постоянного тока до 12 МГц.

Стратегия 4: Использовать детали класса I в обеих руках.

Выбери Диэлектрик класса I Для обоих плеч. N4700 обеспечивает точность ±30 ppm/°C, эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) менее 2 нГн и стабильную зависимость от напряжения. Компонент класса II будет отклоняться на 0.3 % при повышении температуры на 100 °C и изменять соотношение.

Стратегия 5: Сначала определите размер пути распространения.

Задайте путь от k_c · V_peak до любых других механических настроек. Для 207 кВ при 8 мм/кВ это составляет 1656 мм. К нему подходит сердечник диаметром 200 мм с блоком из 400 мм элементов. Добавьте экранирующий слой в верхней части для распределения поля.

Стратегия 6: Имплантировать и проверить на наличие болезни Паркинсона.

Создайте вакуум ниже 100 Па, затем отверждайте при 80 °C в течение 4 ч и при 120 °C в течение 8 ч. Проведите испытания при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, в течение 60 с и удерживайте заряд фотодиода ниже 5 пКл. Целевым значением на испытательном стенде является фоновый заряд ниже 1 пКл.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Высокое значение плеча плеча (HVC-HV-101K/100kV)	100 пФ ±2 %	N4700, TC ±30 ppm/°C
Высокорукий ESL	ниже 2 нГн	1 МГц
Значение нижнего плеча (HVC-LV-104K/1kV)	100 нФ ±1 %	НП0 / К0Г
Точность делителя	± 0.5%	От постоянного тока до 12 МГц
Время подъема делителя	ниже 28 нс	шаг 2 нс
Напряжение пробоя	пиковое напряжение 300 кВ	1.5× в течение 60 с
PD при 50 кВ	ниже 3 пС	IEC 60270, 60 с

5. Компоненты HVC для узла с высоким коэффициентом трансформации

Эта конструкция включает в себя три типа компонентов: демпфирующие элементы в опорах RC, делительные элементы в обоих плечах и элемент измерения тока во вторичном контуре. Компания HVC производит все три компонента на собственном заводе площадью 6000 м² в Дунгуане и объединяет их в один комплект.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Демпфирующие резисторы на 5 МОм. Компонент HVR-HTE-5M/5W обеспечивает точность ±1 % и зазор 30 кВ, а толстопленочная конструкция минимизирует дрейф.
• Демпфирующие элементы при 100 пФ. HVCT-100K/30kV часть дверной ручки Используется проводник N4700 с номинальным напряжением 30 кВ, поэтому одна деталь покрывает весь слой провода.
• Делители с жесткими допусками. Допуск для высоковольтного плеча 100 пФ 100 кВ составляет ±2 %, а для низковольтного плеча 100 нФ — ±1 %, что в сумме дает точность ±0.5 %.
• Низкий ESL. Высокочастотный канал работает с индуктивностью менее 2 нГн, поэтому коэффициент усиления остается стабильным до 10 МГц, а время нарастания не превышает 28 нс.
• Координированные компоненты. резисторы градуировки HVR-HTE для разброса поля, быстровосстанавливающиеся диоды для ноги, находящейся в исходном положении, и пленочные конденсаторы Нижний рычаг можно заказать одним комплектом.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. VishayЗапчасти Murata и TDK на 40–50 % дешевле и с вдвое меньшими сроками поставки.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты делителей — в течение 6–10 недель, тогда как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в проектировании намотки, полевой калибровке и калибровке делителей.

Укажите коэффициент трансформации, вторичное напряжение, ширину импульса и размер сердечника. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам таблицу соответствия с номерами деталей, данными об ошибке делителя и комплектом из двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему при соотношении 1:345 в каждом слое необходим экран?

Суммарное значение паразитных токов между слоями составляет 50–200 пФ на пару при таком количестве витков. Заземлённая фольга блокирует это поле и уменьшает общее значение паразитных токов на 50 %. Это снижение отводит частоту колебаний от полосы гармоник PRR и уменьшает выброс в хвостовой части спектра.

В2: Как измерить напряжение 207 кВ без стандартного трансформатора?

Вместо измерительного трансформатора используйте делитель напряжения. Верхний плечо 100 пФ и нижний плечо 100 нФ дают соотношение 1000:1, поэтому 207 кВ будет считываться как 207 В. Добавьте параллельно резисторный делитель для охвата постоянного уровня и суммируйте два выхода, чтобы получить точность ±0.2 %.

В3: Какой должна быть длина пути утечки?

L_creep ≥ k_c · V_peak. Для пикового напряжения 207 кВ при 8 мм/кВ длина цепи должна достигать 1656 мм. Сердечник диаметром 160 мм с пакетом проводников 300 мм обеспечивает длину цепи всего 803 мм, поэтому диаметр сердечника увеличивается до 200 мм, а высота — до 400 мм, чтобы соответствовать пределу.

В4: Почему в делителе используется N4700 вместо X7R?

N4700 обеспечивает точность ±30 ppm/°C и стабильную зависимость от напряжения. X7R теряет значение при нагреве и смещении, поэтому коэффициент колеблется. При повышении температуры более чем на 100 °C амплитуда колебаний тонарма X7R составляет около 0.3 %, что снижает большую часть целевого показателя точности ±0.5 %.

В5: Что я могу получить за один слой RC-ножки?

Это обеспечивает равномерность напряжения на витках и сглаживает колебания. На каждом выводе используется сопротивление 1 МОм и емкость 50 пФ при постоянной времени 50 мкс, что в 12 раз больше, чем длительность импульса 4 мкс, поэтому напряжение на импульсе не снижается. Измеренная равномерность напряжения на витках улучшается на 40 %.

В6: Как мне поддерживать уровень частичных разрядов ниже 5 пКл при напряжении 207 кВ?

Во время пропитки создайте вакуум ниже 100 Па, чтобы внутри обмотки не оставалось воздушных зазоров. Проведите отверждение при 80 °C в течение 4 часов, затем при 120 °C в течение 8 часов. Проведите испытания при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, в течение 60 секунд в соответствии со стандартом IEC 60270, поддерживая фоновый уровень ниже 1 пКл на испытательном стенде.

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 60601-2-1:2020, 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, 2020.
3. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60076-11:2018, Силовые трансформаторы — Часть 11: Сухие трансформаторыЖенева: МЭК, 2018.
5. Смит, П.В. Импульсная энергия: историческая перспектива, IEEE Trans. Plasma Sci. 42(5), 2014, pp. 1080–1088.
6. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
7. 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
8. МЭК 60358-1:2025, Разделительные конденсаторы и делители напряжения на конденсаторах – Часть 1: Общие правила, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2025.
9. Рекомендации по измерению частичных разрядов в соответствии со стандартом IEC 60270П. Мраз, С. Абдул Мадхар, П. Трейер и У. Хаммер (Haefely AG), Репозиторий TU Delft, https://repository.tudelft.nl/record/uuid:81049202-9bf5-4b75-87aa-2b16842fd956 .
10. 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.
11. 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.
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com