Коаксиальный конденсатор генератора Маркса ESL для времени нарастания 33 нс

Коаксиальный конденсатор генератора Маркса ESL для времени нарастания 33 нс

Резюме

Компактный генератор Маркса, которому необходимо достичь времени нарастания 33 нс, ограничен индуктивностью контура, а не емкостью. Семиступенчатая коаксиальная конструкция при напряжении 26 кВ на ступень достигает 109 кВ, а общая индуктивность допускает от 15 нГн до 20 нГн на ступень. В этой статье приводится уравнение времени нарастания, распределение индуктивности между конденсатором, переключателем, выводами и структурой, количество затворов ESL на ступень и правила согласования, обеспечивающие одновременный разряд всех семи ступеней.

1. Введение

Компактный генератор Маркса вмещает импульсную рентгеновскую головку, которую может переносить один человек. Количество ступеней определяет выходное напряжение, поэтому 7-ступенчатый блок, заряженный до 26 кВ на каждой ступени, достигает 109 кВ на выходе.

Портативность заставляет использовать малые зазоры и короткие детали. Это сжатие увеличивает индуктивность петли, а индуктивность определяет фронт импульса. Медленный фронт не может обеспечить эффективное производство фотонов в трубке, поэтому толстая стальная заготовка остается нечитаемой.

Одного конденсатора с низкой индуктивностью недостаточно. Переключатель, выводы и обратный путь используют один и тот же небольшой объем индуктивности, и часть, использующая весь этот объем, не оставляет ничего для остальной части контура.

В данной статье рассматривается разделение индуктивности в коаксиальном транзисторе Маркса, измеренное влияние эквивалентной последовательной индуктивности конденсатора на время нарастания, а также правила выбора и согласования, обеспечивающие опережение сигнала на 33 нс в процессе производства.

2. Основной механизм

2.1 Уравнение времени нарастания

Фронт импульса быстродействующего генератора Маркса зависит от индуктивности контура и емкости каскада:

t_r ≈ (π / 2) · √(L_loop · C_stage / n)

Где t_r — время нарастания от 10% до 90% в нс, L_loop — общая индуктивность контура в нГн, C_stage — емкость одного каскада в нФ, а n — количество каскадов. Конденсаторы каскадов разряжаются последовательно, поэтому контур испытывает C_stage/n, и увеличение количества каскадов приводит к повышению напряжения и увеличению крутизны входного фронта.

Эффект имеет вид квадратного корня, а не линейный. Четырехкратное уменьшение индуктивности контура сокращает время нарастания лишь вдвое, поэтому настройку затвора необходимо производить на основе уравнения, а не на основе опыта.

2.2 Разделение индуктивности

Индуктивность контура состоит из четырех составляющих, и каждая из них вносит свой вклад в общую величину:

L_loop = L_ESL + L_switch + L_lead + L_struct

Где L_loop — общая индуктивность контура в нГн, L_ESL — эквивалентная последовательная индуктивность конденсатора в нГн, L_switch — индуктивность переключателя в нГн, L_lead — индуктивность вывода и соединения в нГн, а L_struct — индуктивность обратного пути в нГн.

В 7-ступенчатой ​​схеме на 109 кВ вся электролитическая емкость составляет от 15 до 20 нГн на ступень. Часть с 20 нГн эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) занимает всю емкость, не оставляя ничего для выключателя, соединений и коаксиального вывода. Конденсатор занимает наименьшую долю, поскольку все остальные параметры определяются геометрией.

2.3 Измеренное влияние ESL конденсатора

Измерения, проведенные с помощью коаксиальной программы Маркса, определяют шкалу. Обычные пленочные компоненты с радиальными выводами и уровнем внешней длительности замыкания (ESL) около 50 нГн давали время нарастания более 80 нс в 7-ступенчатом цикле. Керамический компонент с низким уровнем ESL (ниже 15 нГн) давал 33 нс, что близко к расчетному значению.

Улучшение следует из квадратного корня из отношения индуктивностей: √(50/15) ≈ 1.8. Именно поэтому в быстром Марксовском генераторе напряжение на входе ESL удерживается на низком уровне. Большая часть с большей энергией, но с большим значением ESL, передает оба параметра слишком медленно, и дополнительная энергия проявляется в виде более широкого импульса и более мягкого рентгеновского спектра.

2.4 Потери за один выстрел и срок службы импульса

Фрагмент импульса длительностью 33 нс пропускает высокий ток через короткий промежуток времени, поэтому даже при низком ЭПР тепло выделяется при каждом импульсе:

P_loss = I_peak² · ESR · (t_pulse / T_rep)

Где P_loss — средние потери в Вт, I_peak — пиковый ток разряда в А, ESR — последовательное сопротивление конденсатора в мОм, t_pulse — ширина импульса в нс, а T_rep — период повторения в мкс. Значение ESR, равное 10 мОм при 100 кГц, позволяет уменьшить этот член в группе, работающей с частотой 20 Гц.

Жизнь должна идти в ногу со временем. Деталь, экранированная до 5 пКл при напряжении в 1.5 раза превышающем номинальное и рассчитанная на более чем 10⁶ импульсов, обеспечивает более длительный интервал технического обслуживания, чем срок службы рентгеновской трубки.

2.5 Что меняет коаксиальная схема

Конденсаторы расположены по окружности вокруг центрального проводника, поэтому ток течет от выключателя симметрично. В результате возникают три эффекта: выключатель находится в центре, и поле не имеет углов, в которых можно было бы концентрироваться; путь от клеммы к центральному проводнику и оболочке короткий; и внешний проводник одновременно пропускает обратный ток и экранирует контур.

В результате достигается низкая структурная индуктивность и воспроизводимость конструкции. Емкость и геометрия остаются неизменными на всех элементах, поэтому измеренная передняя панель соответствует расчетной.

Рис. 1 — Выбор корпуса с учетом целевого времени нарастания; для конструкции 33 нс, 109 кВ требуется конденсатор с емкостью менее 15 нГн, чтобы в блоке каскада по-прежнему размещались переключатель и выводы.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Большее значение емкости повышает ESL (эквивалентно остаточную мощность).

Более высокая энергия на каждом этапе приводит к увеличению размера элемента, а больший элемент имеет более длинные выводы и больший корпус. Блок 100 нФ/50 кВ при индуктивности около 50 нГн увеличил измеренное время нарастания более чем до 100 нс в 7-ступенчатой ​​петле, чего достаточно для размытия фокусного пятна.

Порядок выбора имеет значение: сначала зафиксируйте уровень ESL, затем выберите наибольшую емкость в пределах этого уровня. Небольшой разрыв в емкости можно устранить добавлением каскада, тогда как разрыв в индуктивности устранить невозможно.

Болевой момент 2: Распространение в ESL нарушает выделение

Когда разница в эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) между семью каскадами конденсаторов превышает 10%, каждый каскад срабатывает в немного разное время. В этом случае напряжения складываются несинхронно, суммарный фронт замедляется, и на плоской вершине появляются пульсации.

В коаксиальной сборке этот эффект усиливается, поскольку один электрически отличающийся каскад нарушает физическую симметрию пути тока. Конденсаторы каскадов нуждаются в подборе и выравнивании по уровню электростатической индуктивности (ESL), а не только в допуске на емкость.

Проблема №3: ​​Поводок занимает большую часть бассейна.

Двадцать миллиметров соединительного провода вносят вклад примерно в 20 нГн, что уже превышает общий вклад каждого каскада в конструкции на 109 кВ. Каждый дополнительный сантиметр приводит к измеримой задержке на фронте импульса.

Шина, покрытая ламинированным слоем печатной платы, или медная шина напрямую удерживают дополнительную индуктивность ниже 5 нГн на каждом соединении. Длина каждого вывода не должна превышать 5 мм, а соединения должны быть короткими и широкими.

Проблемный момент 4: Асимметричная петля возвращает индуктивность.

Коаксиальный корпус со смещенными от центра переключателями или неравномерный обратный путь возвращает индуктивность петли, для устранения которой была выбрана данная топология. Асимметрия в обратном пути на 3 мм добавляет от 5 нГн до 10 нГн и заметно сглаживает угол импульса.

Симметрия относится к электрической схеме, поэтому перед первым измерением напряжения проверьте геометрию с помощью токового пробника на каждом каскаде.

Проблема № 5: Снижение рейтинга ради скорости.

Стремясь к более крутому фронту нарастания напряжения, инженеры иногда запускают заключительные ступени вблизи номинального напряжения. Заключительная ступень подвергается наибольшей нагрузке, и рабочее значение составляет от 60% до 70% от номинального.

В каскаде перенапряжения происходит срабатывание частичных разрядов при внутренних дефектах, что приводит к образованию дерева разрядов, и ресурс импульса сокращается с более чем 10⁶ импульсов до нескольких десятков тысяч. Скорость и ресурс удерживаются вместе за счет запаса по снижению характеристик, а не только за счет показателя ESR.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Задайте входной каскад из набора индуктивностей.

Введите допустимое время нарастания в формулу t_r ≈ (π / 2) · √(L_loop · C_stage / n) и решите уравнение относительно L_loop. Сначала вычтите переключающие и структурные члены, а оставшуюся часть распределите между конденсаторами. Доля конденсаторов должна быть ниже 30% от L_loop, чтобы обеспечить запас прочности конструкции.

Стратегия 2: Выберите уровень владения английским языком как вторым языком (ESL) до определения емкости.

Целевое время нарастания	Упаковка	Конденсатор ESL
Более 100 нс.	Радиальный проводник общего назначения.	От 10 нГн до 20 нГн.
50–100 нс.	Винтовой клеммник с многослойной шиной.	Ниже 30 нГн.
Менее 50 нс.	Низкоиндуктивные винтовые клеммы, подобранный комплект.	Ниже 15 нГн.

A HVCT8G Винтовая клеммная часть закрывает самый быстрый ряд с резьбой M8 или M12 и кабелем длиной всего несколько миллиметров, ведущим к центральному проводнику.

Стратегия 3: Закупка всего комплекта из одной партии.

Извлеките все конденсаторы из одной производственной партии и проверьте их на эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) и емкость. Требуйте, чтобы разброс значений ESL в каждой партии составлял менее 5%, а допуск по емкости — ±2% в пределах партии. Запишите код даты производства и измеренное значение каждого изделия.

Стратегия 4: Расположите петлю с учетом симметрии.

Предпочтительнее коаксиальная схема, чем планарная. Используйте экранированный обратный проводник, не превышайте диаметр выводов 5 мм и сохраняйте геометрическую симметрию коммутатора, точек питания и обратного провода. Добавьте резистор выборки HVRGXP в цепи зарядки, поэтому напряжение на этапе зарядки можно проверить, не открывая корпус.

Стратегия 5: Сохранение теплоизоляции и запаса прочности.

Перед выпуском проекта необходимо протестировать каждый каскад при напряжении от 60% до 70% от номинального и убедиться, что разряд частичных разрядов (PD) не превышает 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. В этом случае диэлектрик класса I способен пропускать более 10⁶ импульсов при рабочей температуре.

Подходит градуировочный резистор на каждом этапе, чтобы поддерживать устойчивое деление и сохранять температуру на этапе в пределах допустимых значений, ниже целевой частоты повторения.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальная мощность (серия HVR)	50 Вт при 70 °C	Алюминиевый корпус, свободный поток воздуха.
Значение сопротивления	10 кОм ±5 %	Референсное значение 25 °C.
Рабочее напряжение	10 кВ переменного/постоянного тока	непрерывный.
Устойчивость к импульсам	30 кВ при 10 мкс	10 импульсов, класс IEC 60110.
Температурный коэффициент (резистивный)	±50 частей на миллион/°C	от −55 °С до +155 °С.
сопротивление изоляции	сопротивление выше 1 ГОм при напряжении 1000 В постоянного тока	Ползучесть не менее 25 мм.
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка.

5. Высоковольтные конденсаторы для компактных коаксиальных генераторов Маркса

Компания HVC производит низкоиндуктивные керамические компоненты, необходимые для быстродействующей петли Маркса, на заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ. Приведенные ниже параметры определяют фронт импульса и интервал обслуживания стека.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESL ниже 15 нГн в N4700 Диапазон винтовых клемм, который удерживает долю конденсатора из пула каскадов от 15 нГн до 20 нГн внутри затвора.
• Сглаживание ESL с разбросом менее 5% внутри одного набора позволяет всем семи каскадам разряжаться синхронно с фронтом в 33 нс.
• Значение ESR ниже 10 мОм на частоте 100 кГц обеспечивает низкие потери за один импульс и отсутствие просадки на частоте 20 Гц.
• Частицы разряда имеют емкость 5 пКл или менее при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, поэтому на заключительных каскадах не произойдет запуска электронов в течение многих лет эксплуатации.
• Диапазон температурной зависимости емкости (TCC) составляет ±30 ppm/°C в пределах от −30 °C до +85 °C, что обеспечивает стабильность емкости и геометрии при повторном нагреве пакета.
• Поддержка согласования с точностью ±2%, включая делитель заряда. HVR-BSP трубчатый толстопленочный резистор и выпрямительный диод отгрузка осуществляется в соответствии с теми же записями о партии.

Доставка и поддержка

Комплекты, подобранные по параметрам, поставляются в течение 4-8 недель, в то время как импортные модели — в течение 20-30 недель. К каждому комплекту прилагается таблица значений ESL и емкости, а также отчет о частичных разрядах при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное.

Отправьте количество каскадов, напряжение заряда, целевое время нарастания и схему контура. HVC вернет таблицу индуктивности по каждому каскаду. Перекрестная ссылка по номерам деталей первого уровня и соответствующий набор образцов для стендовой съемки в течение пяти рабочих дней. пленочный конденсатор Данная опция распространяется на низковольтную зарядную шину в той же партии.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему низкая эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) важнее, чем большая емкость?

Поскольку время нарастания зависит от квадратного корня из индуктивности контура, а емкость определяет только энергию, то для 7-ступенчатого контура с индуктивностью 50 нГн время нарастания превысило 80 нс, тогда как для контура с индуктивностью 15 нГн оно составило 33 нс. Энергетический зазор можно закрыть дополнительным каскадом, а зазор индуктивности закрыть невозможно.

В2: Как настроить ESL-гейт для одного из каскадов?

Решите уравнение t_r ≈ (π / 2) · √(L_loop · C_stage / n) для допустимого значения L_loop, затем вычтите члены, связанные с переключателем и структурой. Укажите емкость конденсатора менее 30% от оставшейся. В 7-каскадной схеме на 109 кВ это оставляет ESL-затвор около 15 нГн на каскад.

В3: Какова величина индуктивности, которую создают провода?

Примерно 1 нГн на каждый миллиметр прямого провода в типичной петле. Двадцать миллиметров провода добавляют примерно 20 нГн, что соответствует всей амплитуде колебаний на каждом этапе в блоке 109 кВ. Ламинированная шина или медная шина напрямую удерживают напряжение в соединении ниже 5 нГн.

Вопрос 4: Какое согласование необходимо для конденсаторов каскада?

Разброс ESL внутри каждого комплекта составляет менее 5%, а допуск по емкости — ±2% внутри партии. Разброс более 10% приводит к тому, что каскады срабатывают в разные моменты времени, поэтому напряжения складываются несинхронно, и на плоской вершине появляются пульсации.

В5: Могу ли я провести финальный этап ближе к его рейтингу?

Нет. На заключительном этапе нагрузка самая высокая, поэтому он работает при напряжении от 60% до 70% от номинального. На этапе защиты от перенапряжения происходит частичные разряды при внутренних дефектах, и ресурс импульса сокращается с более чем 10⁶ импульсов до нескольких десятков тысяч. Вместо этого установите в последних двух этапах компонент с более высоким номинальным напряжением.

В6: Влияет ли геометрия корпуса на время нарастания?

Да. Обратный путь является частью контура. Асимметрия в 3 мм между каскадами добавляет от 5 до 10 нГн и сглаживает кривую импульса, даже при значениях ниже 15 нГн. Держите переключатель на оси, точки питания симметричными, а обратный проводник ровным.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
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. 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 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
9. Куффель, Э., Заенгль, В.С., и Куффель, Дж. Высоковольтная техника: основы, 2-е изд. Оксфорд: Ньюнес, 2000.
10. 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.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com