SPT и быстровосстанавливающиеся диоды для повышения частоты нарастания PFN

SPT и быстровосстанавливающиеся диоды для повышения частоты нарастания PFN

Резюме

Водородный тиратрон уже 60 лет использует импульсный разряд PFN с временем нарастания от 5 до 15 нс и пиковым током более 10 кА. Длительность импульсов составляет от 10⁸ до 10⁹, а предварительный нагрев занимает от 5 до 15 минут. Полностью твердотельный PFN с насыщенным импульсным трансформатором и быстровосстанавливающимся диодом достигает 19 нс при 20 кВ и 200 А и работает с длительностью импульсов более 10¹⁰. В этой статье описывается механизм повышения остроты разряда, пределы диода и конденсатора, а также этапы проектирования.

1. Введение

Водородный тиратрон хорошо справляется с импульсами разряда PFN. Он обеспечивает время нарастания от 5 нс до 15 нс, пиковый ток 10 кА и частоту повторения 10 кГц. За это приходится платить сроком службы: 10⁸–10⁹ импульсов, предварительный нагрев от 5 до 15 минут и дрожание триггера, которое увеличивается с возрастом катода.

В полностью твердотельном импульсном трансформаторе (PFN) трубка заменена насыщенным импульсным трансформатором (SPT), диодом и IGBT. В этом случае переключатель работает с частотой импульсов более 10¹⁰, запускается при комнатной температуре и принимает любое время срабатывания. Аппараты с твердотельным переключателем достигают 99.5% времени клинической работы.

Открытым остается вопрос о времени нарастания. Один IGBT-транзистор обеспечивает от 80 до 200 нс, а MOSFET-транзистор — от 30 до 50 нс. Ни один из них не сравнится с транзистором. Эта разница устраняется с помощью диодного каскада, улучшающего характеристики.

В данной статье рассматривается механизм повышения резкости диода с помощью SPT и быстрого восстановления, параметры, определяющие граничные условия, четыре проблемы, связанные с полем, и этапы проектирования PFN с напряжением 20 кВ, током 200 А и частотой 20 кГц.

2. Основной механизм

2.1 Действие переключения SPT

В импульсном трансформаторе с насыщением в качестве переключателя используется насыщение сердечника. До насыщения сердечник блокирует изменение магнитного потока, поэтому выходной сигнал на вторичной обмотке остается небольшим. В момент насыщения магнитная проницаемость падает почти до нуля, магнитный поток больше не может увеличиваться, и вторичная обмотка получает полный импульс. В этом случае фронт выходного сигнала находится в наносекундном диапазоне.

Результат определяется четырьмя параметрами: плотностью потока насыщения Bs, которая работает при 0.6 Тл для аморфной ленты на основе кобальта; остаточной плотностью потока Br при 0.4 Тл, которая задает схему сброса; временем насыщения t_sat менее 20 нс; и изменением соотношения N с 1:5 на 1:20.

2.2 Три этапа каскада

Первый этап — это импульсный генератор с постоянными магнитами (SPT), управляемый от шины 5 кВ через конденсатор C1 емкостью 2 мкФ и индуктивность L1 200 мкГн. Коэффициент трансформации 1:10 поднимает импульс до 15 кВ и срезает его фронт со 100 нс до 40 нс.

Второй этап представляет собой трехсекционный импульсный генератор Гийемина с конденсаторами C2-C4 по 1 нФ каждый и L2-L7 по 5 мкГн. Он устанавливает ширину импульса на уровне 3 мкс и амплитуду на уровне 15 кВ.

Третий этап — это этап заострения сигнала. Конденсатор C5 емкостью 940 пФ расположен между узлами B и C, индуктивность L8 — 50 нГн, а диод находится в обратном пути. На этом этапе фронт сигнала срезается с 40 нс до 19 нс.

2.3 Эффект короткого замыкания диода

Основной импульс нарастает с постоянной времени 40 нс:

V_B(t) = V_0 · (1 − exp(−t / τ_rise))

где V_B — напряжение в узле B, V_0 — амплитуда импульса, t — время от начала импульса, а τ_rise — постоянная времени нарастания, равная 40 нс.

Конденсатор C5 заряжается через диод, пока фронт напряжения поднимается, и диод находится в режиме обратного смещения. Когда фронт достигает пика, диод начинает проводить ток в прямом направлении, и накопленные в нем носители заряда покидают переход за несколько наносекунд.

Этот размах несущей частоты представляет собой обратное восстановление. Ток диода быстро падает, и петлевой индуктор преобразует это изменение тока в ступенчатое изменение напряжения:

V_FR(t) = −L_8 · di_FR / dt

где V_FR — пик восстановления, L_8 — индуктивность заострения, а di_FR/dt — наклон тока диода. Пик добавляется к основному фронту, поэтому сумма достигает полной амплитуды раньше.

2.4 Постоянная времени петли

Петля для заточки задает базовый уровень остроты лезвия:

τ_2 = √(L_8 · C_5)

где τ_2 — сглаженная постоянная времени, L_8 — индуктивность петли, а C_5 — сглаживающая емкость. При 50 нГн и 940 пФ значение составляет 6.9 нс. Измеренный фронт находится на отметке 19 нс, поскольку скорость восстановления диода конечна.

Рис. 1 — Насыщенный импульсный трансформатор и трехсекционная линия, установленная на 3 мкс при 15 кВ, а восстановление диода через L8 срезает фронт до 19 нс.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Восстановление диода происходит недостаточно быстро.

Обычный диод на 20 кВ восстанавливается за 50–100 нс. Затем импульс приходит после основного фронта и практически ничего не добавляет. Для этого узла требуется время восстановления менее 30 нс при 20 кВ, и лишь немногие поставщики в мире производят такие компоненты.

Проблемный момент 2: индуктивность петли ограничивает край.

Каждые 10 нГн индуктивности контура добавляют примерно 3 нс к фронту сигнала. Диод с выводами и длиной выводов 40 мм сам по себе пропускает 30 нГн, и фронт сигнала обрывается на отметке 30 нс. Чтобы индуктивность контура не превышала 50 нГн, используйте диод с болтовым креплением и короткий обратный путь.

Проблемный момент 3: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) накопительного конденсатора сглаживает пик.

Ток заострения достигает 100 А за несколько наносекунд. Затем эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) 200 мОм вызывает падение напряжения на 20 В на детали и сглаживает пик. Необходимо поддерживать ESR ниже 50 мОм при частоте 1 МГц, а также обеспечивать возможность измерения dV/dt выше 15 кВ/мкс.

Проблемный момент 4: Смещение параметров влияет на временные параметры.

Диэлектрик класса II теряет до 30% своей емкости под действием напряжения смещения, и постоянная времени петли изменяется вместе с ним. Компонент класса I, такой как N4700 Погрешность составляет ±30 ppm/°C и менее ±2% в диапазоне напряжений, поэтому кромка остается на месте на протяжении всего срока службы.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Установите конденсатор повышения остроты цепи на целевом элементе контура.

Начнем с целевого значения на краю цепи и индуктивности контура. Компонент емкостью 940 пФ с индуктивностью 50 нГн обеспечивает постоянную времени 6.9 нс, что оставляет запас для восстановления диода. Два компонента емкостью 470 пФ и напряжением 20 кВ, соединенные параллельно, достигают этого значения с меньшим эквивалентным последовательным сопротивлением, чем один большой компонент.

Стратегия 2: Сначала отсортируйте таблицу диодов по значению trr.

Примите ТРР перед VRRM. А быстровосстанавливающийся диод При 30 нс, 20 кВ и прямом токе 2 А этот узел подходит. Проверьте также Qrr: 220 нКл удерживает пик, а 800 нКл размывает его край.

Стратегия 3: Удерживать плоскую вершину в пределах 2%.

Секции PFN определяют плоскую вершину, а допуск конденсатора — просадку. Удерживайте каждую секцию в пределах ±5% и проверяйте просадку в течение 200 нс. Разброс в 3% по всей группе элементов приводит к потере примерно 1.5% плоскостности.

Стратегия 4: Перезагрузка ядра SPT при каждом цикле.

Насыщенному сердечнику необходим путь сброса перед следующим импульсом. Обмотка сброса с резистором 5 Ом и окном 1 мкс возвращает Br в состояние −0.4 Т. Если этот шаг пропустить, сердечник будет все глубже переходить в состояние насыщения, поэтому ширина импульса будет уменьшаться с каждым циклом.

Стратегия 5: Переключение на оптоволокно.

Передайте управляющий сигнал по оптоволокну от FPGA при напряжении 3.3 В к SiC MOSFET при напряжении 1200 В. Соединение обеспечивает изоляцию 25 кВ и джиттер триггера менее 50 пс. Установите толстопленочный резистор На резисторе 5 Ом в контуре управления затвором устанавливается фронт переключения.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Конденсатор для повышения остроты кривизны (HVCT8G-471/20 кВ)	470 пФ × 2 = 940 пФ	20 кВ постоянного тока, 1 МГц, 1 В среднеквадратичного значения
Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
Характеристики конденсатора по показателю dV/dt	выше 15 кВ/мкс	при 20 кВ постоянного тока
Диод с обратным восстановлением (HVD-20H)	30 нс типично	20 кВ, 2 А, 25 °C
заряд восстановления диода	220 нКл	20 кВ, 2 А
Индуктивность петли заострения	50 нГн	Катушка с воздушным сердечником, нагрузка 80 Ом
Время нарастания выхода	19 ns	от 10% до 90%, нагрузка 80 Ом
Импульсный плоский верх	200 нс, снижение менее чем на 2%.	Частота повторения 20 кГц, ток 200 А
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

5. Детали HVC для этапа заточки PFN.

Для этапа повышения точности необходимы три компонента, согласованные по времени: диод с временем восстановления 30 нс, конденсатор с низкими потерями и маломощный индуктор. Компания HVC производит конденсатор и диод в виде единого согласованного комплекта на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Время задержки диода составляет 30 нс при 20 кВ. HVD-20H поддерживает VRRM на уровне 20 кВ, Qrr на уровне 220 нКл и допуск di/dt 1 кА/мкс, поэтому импульс приходит с основным фронтом и остается узким.
• Сопротивление конденсатора менее 50 мОм на частоте 1 МГц. Низкие потери позволяют сохранить амплитуду импульса в узле, и HVCT8G Серия дверных ручек выдерживает нагрузку от 1 нФ до 4700 пФ при напряжении 20 кВ.
• ESL ниже 6 нГн. Короткие выводы и коаксиальный корпус удерживают индуктивность петли на низком уровне, поэтому постоянная петли 6.9 нс остается в пределах 19 нс фронта.
• Частичный разряд составляет менее 5 пКл при напряжении в 1.5–2 раза превышающем номинальное. Низкий уровень частичного разряда ограничивает повреждение диэлектрика при импульсной последовательности частотой 20 кГц, поэтому временные характеристики не смещаются после 10⁹ импульсов.
• Координированные компоненты. резисторы выборки HVRGXPКомпоненты демпфирующей цепи HVR-BSP и диоды HVD можно заказать в одном комплекте для цепи заряда, датчика тока и стадии заточки.
• Данные перекрестной проверки. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и данным о надежности. VishayВ комплектацию входят детали IXYS и TDK, а сравнительный отчет прилагается к коммерческому предложению.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4-8 недель, а комплекты для доработки — 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 выборе диодов, определении размеров конденсаторов, проектировании схемы сброса SPT и компоновке контура.

Отправьте напряжение шины, целевое значение фронта сигнала, ширину плоской поверхности и сопротивление нагрузки. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит полный список комплектующих с номерами деталей, данными для восстановления и двумя образцами для оценки.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему этап повышения резкости диода имеет значение?

Один только SPT срезает фронт сигнала со 100 нс до 40 нс. Затем восстановление диода создает скачок напряжения, который суммируется с основным фронтом через L8, и сумма достигает полной амплитуды за 19 нс. Без диода фронт сигнала останавливается на отметке 40 нс, что слишком медленно для импульса длительностью 3 мкс на частоте 20 кГц.

В2: Какое значение trr требуется для диода?

При напряжении менее 30 нс и 20 кВ. В участке длительностью от 50 до 100 нс возникает пик, который появляется после основного фронта, поэтому фронт остается широким. Менее 5 поставщиков в мире производят диоды на 20 кВ с длительностью импульса 30 нс, и HVD-20H — один из них.

В3: Как выбрать конденсатор для повышения остроты звучания?

Установите значение, исходя из индуктивности контура и целевого значения на краю. При 50 нГн компонент на 940 пФ обеспечивает постоянную времени 6.9 нс, что оставляет запас для восстановления диода. Два параллельно соединенных компонента на 470 пФ, 20 кВ, обеспечивают емкость 940 пФ с более низким эквивалентным последовательным сопротивлением, чем один большой компонент.

Вопрос 4: Какое значение ESR может иметь накопительный конденсатор?

Сопротивление на частоте 1 МГц для этого узла составляет менее 50 мОм. Ток сглаживания достигает 100 А за несколько наносекунд, а сопротивление 200 мОм вызывает падение напряжения на 20 В на компоненте, что сглаживает пик. Поддерживайте достаточно низкое значение ESR, чтобы пик сохранял свою амплитуду в узле.

В5: Что ограничивает частоту повторения импульсов?

Окно сброса SPT и повышение температуры переключателя. Прототип работает на частоте 20 кГц, а теоретический потолок составляет 50 кГц. При превышении этого значения окно сброса становится меньше 1 мкс, и ядро ​​не возвращается к значению −0.4 Тл, поэтому ширина импульса уменьшается с каждым циклом.

В6: Какие детали сохраняют свой срок службы дольше всего на этом этапе?

Диод с жестким восстановлением плюс конденсатор класса I. HVD-20H удерживает импульс в течение 30 нс при 20 кВ, а HVCT8G поддерживает эквивалентное последовательное сопротивление менее 50 мОм с фотодиодом менее 5 пКл, поэтому каскад работает с импульсами более 10⁹ на частоте 200 Гц. Диэлектрик класса II теряет до 30% своей емкости и обеспечивает постоянство петли.

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. Годет, П. и др., «Улучшение времени нарастания импульсных формировательных сетей с использованием насыщаемых импульсных трансформаторов». IEEE Транс. Плазменная наука.том 48, нет. 6, с. 2218–2225, 2020.
7. X. Чжао, Q. Чжан, J. Лонг, Y. Лей и J. Лю, Генератор высоковольтных двойных прямоугольных импульсов на основе MOSFET с индуктивным сумматором.«Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование», том 793, стр. 12-17, 2015 г. https://doi.org/10.1016/j.nima.2015.04.036
8. У. Б. Рэй, Дж. А. Шрок, К. Лоусон и С. Б. Бейн, Модульный генератор Маркса для тестирования силовых полупроводниковых приборов по зависимости dV/dt., в сборнике трудов Международной конференции IEEE по модуляции мощности и высоковольтным системам (IPMHVC), 2014 г., стр. 691-693, 2014 г. https://doi.org/10.1109/ipmhvc.2014.7287371
9. 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 .
10. Т. Кадзи, Х. Асаи, Т. Нозу, Х. Кодзима и Н. Хаякава, Напряжение начала частичного разряда при импульсном напряжении инвертора с учетом взаимодействия факторов окружающей среды.IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, том 140, № 7, стр. 349-356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com