الشحن الرنيني للمسرع الخطي: استعادة عكسية لثنائي دي تشينغ

الشحن الرنيني للمسرع الخطي: استعادة عكسية لثنائي دي تشينغ

الملخص

يقطع ثنائي DeQing تيار الشحن الرنيني ويحافظ على جهد PFN بينما ينتظر المُعدِّل بدء التشغيل. ويحدد استرداده العكسي كفاءة الشحن ودقة جهد PFN والضغط على المفتاح. وقد حقق ثنائي عند زمن استرداد عكسي (trr) قدره 350 نانوثانية كفاءة 82%؛ بينما وصل جزء الاسترداد الناعم عند 150 نانوثانية إلى 91% وخفض درجة حرارة الوصلة بمقدار 33 درجة مئوية. تتناول هذه المقالة معادلات الاسترداد وحدود الاختيار وتصميم دائرة التسخين والتخميد.

1. مقدمة

يقوم مسرع خطي بشحن مُشغِّل PFN من ناقل تيار مستمر عبر حلقة رنانة LC. تستغرق الحلقة من 1 إلى 3 مللي ثانية لإتمام عملية الشحن. بعد ذلك، يحجب ثنائي DeQing التيار، ويحتفظ مُشغِّل PFN بجهده، وينتظر المفتاح إشارة التشغيل.

يحمل الصمام الثنائي تيار الشحنة في الاتجاه الأمامي. في النصف العكسي من دورة الرنين، يجب أن ينقطع التيار بسرعة حتى لا يتسرب تيار PFN عائدًا إلى مصدر الطاقة. هذا الانقطاع هو حدث الاستعادة العكسية، وهو ليس فوريًا.

يجب أن تتخلص حاملات الشحنة الأقلية المخزنة من الوصلة قبل أن يحجب الصمام الثنائي التيار. الجزء الذي يتخلص من الشحنة ببطء يمرر نبضة عكسية طويلة، ويدفع الشاحن ثمن ذلك في الكفاءة، ودقة جهد PFN، وحرارة الوصلة.

تقدم هذه المقالة معادلات الاستعادة، وحدود trr وQrr وIRM لكل معدل تكرار، وفشل المجال الثلاثة، وخطوات التسخين والتخميد والفحص التي تحافظ على الشاحن فوق 90٪.

2. الآلية الأساسية

2.1 الشحن الرنيني ووظيفة DeQing

تقوم حلقة LC برفع جهد PFN إلى ضعف جهد ناقل البيانات ثم خفضه، ويقوم الصمام الثنائي بفتح الحلقة عند ذروة الجهد. تعمل مقاومة الحلقة على تخميد هذا التذبذب والحفاظ على ذروة الجهد أقل من القيمة المثالية.

V_PFN = 2 · V_DC · (1 − exp(−π · R / (2 · ω · L)))

حيث V_PFN هو جهد شحن PFN، وV_DC هو جهد ناقل البيانات، وR هي المقاومة الكلية للحلقة، وω هي التردد الزاوي الرنيني، وL هي محاثة الحلقة. عند ناقل بيانات بجهد 25 كيلوفولت وهدف PFN بجهد 50 كيلوفولت، يجب أن ترنّ الحلقة بترددها الكامل 2× وتحافظ عليه.

بمجرد فتح الصمام الثنائي، يتلاشى جهد PFN عبر مسار التسريب المتبقي:

ΔV_PFN = (I_leakage · t_hold) / C_PFN

حيث يمثل ΔV_PFN الجهد المفقود قبل بدء التشغيل، وI_leakage تيار التسريب عبر الصمام الثنائي، وt_hold زمن الانتظار، وC_PFN سعة مكثف PFN. يجب أن يكون زمن الانتظار t_hold أكبر من 10 أضعاف زمن الإرجاع العكسي (trr)، لذا يحتاج جزء مدته 150 نانوثانية إلى زمن انتظار لا يقل عن 1.5 ميكروثانية.

2.2 مراحل التعافي العكسي

تتم عملية الاستعادة العكسية على مرحلتين. في مرحلة التخزين، تبقى الوصلة ذات مقاومة منخفضة، ويرتفع التيار العكسي من الصفر إلى قيمة الذروة IRM. أما في مرحلة الهبوط، فتختفي حاملات الشحنة، وتصبح الوصلة ذات مقاومة عالية، وينخفض ​​التيار عائدًا إلى مستوى التسريب.

S = t_b / t_a

حيث S هو عامل النعومة، و t_a هو الزمن اللازم لانخفاض التيار من قيمة IRM إلى 25% منها، و t_b هو الزمن اللازم لانخفاضه من 25% إلى مستوى التسريب. يؤدي وجود جزء ناعم عند قيمة S أعلى من 1.5 إلى توزيع الانخفاض على مدى زمني، وبالتالي لا يحتوي تيار الحلقة على حافة مفاجئة لإثارة الرنين.

2.3 تيار الاسترداد ومطابقته للحلقة

يجب أن تخرج شحنة الاسترداد من الوصلة قبل أن يحجب الصمام الثنائي التيار، وتخرج من حلقة الرنين. يتناسب تيار الاسترداد الأقصى طرديًا مع تيار الحلقة الأقصى ونسبة زمن الاسترداد العكسي (trr) إلى نصف دورة الرنين.

I_RM = 2 · I_peak · (t_rr / t_resonant)

حيث يُمثل I_RM ذروة تيار الاسترداد العكسي، وI_peak ذروة الشحنة الرنانة، وt_rr زمن الاسترداد العكسي، وt_resonant فترة الرنين. يجب الحفاظ على I_RM أقل من نصف قيمة التيار المقنن للثنائي، وأقل من 20 أمبير في الشاحن الطبي، حتى لا تُثير نبضة الاسترداد محاثة الحلقة.

2.4 فقدان الاسترداد وحرارة الوصلة

تُضيف كل دورة شحن فقدًا في الاستعادة إلى جانب فقد التوصيل الأمامي. ويتناسب حد الاستعادة طرديًا مع زمن الاستعادة العكسية (trr)، ومع معدل التكرار (IRM)، ومع معدل التكرار.

P_loss = I_avg · V_F + ½ · I_RM · t_rr · f_charge

حيث P_loss هي طاقة التبديد للدايود، وI_avg هو متوسط ​​التيار الأمامي، وV_F هو انخفاض الجهد الأمامي، وI_RM هو ذروة تيار الاستعادة، وt_rr هو زمن الاستعادة، وf_charge هو معدل تكرار الشحن. عند 2 أمبير، و2 فولت، و10 أمبير، و100 نانوثانية، و200 هرتز، يكون حد التوصيل 4 واط وحد الاستعادة 0.1 واط، لذا فإن الدايود يستهلك 4.1 واط.

الشكل 1 - الاستعادة الصلبة عند S = 0.8 تسقط في 48 نانوثانية مقابل 150 نانوثانية للجزء الناعم عند S = 2.5، لذلك فإن الاستعادة الناعمة تحافظ على حلقة الحلقة صغيرة.

3. نقاط الضعف الهندسية

المشكلة الأولى: طول زمن الاستجابة يقلل من كفاءة الشحن

يمرر جزءٌ ذو زمن استجابة عكسية (trr) يبلغ 350 نانوثانية نبضة عكسية طويلة في كل دورة شحن. يفقد الشاحن 9% من الطاقة التي يضخها في الدائرة. قاس أحد فرق الصيانة كفاءة شحن بلغت 82% على جهاز Varian 21EX، و91% بعد استبدال أحد الأجزاء، دون أي تغيير آخر في الدائرة.

نقطة الألم الثانية: صعوبة التعافي تُغرق الدائرة برنين مزعج

تنطفئ وحدة الاستعادة السريعة عند S = 0.8 في غضون عشرات النانوثواني. تؤدي هذه الخطوة إلى زيادة محاثة الحلقة وسعة الثنائي، وتنتقل الحلقة الناتجة عبر أسلاك الخزانة. انخفض التداخل الكهرومغناطيسي المقاس بمقدار 20 ديسيبل بعد استبداله بوحدة استعادة سلسة عند S = 2.5.

نقطة الضعف الثالثة: شحنة الاستعادة تسخن الوصلة

يكون زمن الاستعادة صغيرًا عند تردد 200 هرتز، ويزداد مع زيادة معدل التكرار. عند نقل نفس الصمام الثنائي من 200 هرتز إلى 1,000 هرتز، يرتفع فقد الاستعادة خمسة أضعاف. ثم ترتفع درجة حرارة الوصلة من 32 درجة مئوية إلى 65 درجة مئوية على طول الغلاف، ويزداد زمن الاستعادة مع ارتفاع درجة الحرارة.

النقطة الرابعة: التقدم في السن يزيد من معدل ضربات القلب (trr) ومعدل تدفق الدم (Qrr).

يُظهر ثنائيٌّ يعمل منذ ثماني سنوات تدهورًا في وصلة التوصيل. انحرف زمن الاستجابة العكسية (trr) لإحدى الوحدات من 250 نانوثانية إلى 380 نانوثانية، وجهد التفريغ العكسي (Qrr) من 900 نانوكولوم إلى 1,500 نانوكولوم، ودقة جهد شبكة قياس الفوتونات (PFN) من ±0.5% إلى ±2.5%. بعد ذلك، يتعطل الشاحن مرة واحدة أسبوعيًا تقريبًا، ويُفسَّر العطل على أنه مشكلة في مصدر الطاقة إلى أن يتم قياس الثنائي.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية 1: ضبط معدل التكرار (trr) من معدل التكرار

اختر القطعة المناسبة لمعدل الشحن. عند ترددات تتراوح بين 100 و200 هرتز، يكون زمن الاستجابة العكسية (trr) حتى 500 نانوثانية مناسبًا. عند ترددات تتراوح بين 200 و400 هرتز، حافظ على زمن الاستجابة العكسية أقل من 200 نانوثانية. عند ترددات أعلى من 500 هرتز، والتي تغطي نطاق UHDR، حافظ على زمن الاستجابة العكسية أقل من 100 نانوثانية. اختيار قطعة مصممة لأبطأ وضع تشغيل يؤثر سلبًا على كفاءة أسرع وضع.

الاستراتيجية الثانية: خفض معدل استجابة التردد (VRRM) بمقدار الضعف

تُضاف الزيادة العكسية عند إيقاف التشغيل إلى جهد PFN وإلى جهد ناقل البيانات. حدد قيمة التيار المقنن بناءً على مجموع الجهد والزيادة.

V_RRM ≥ V_PFN_max + V_DC + ΔV_overshoot

حيث V_RRM هو معدل الجهد العكسي المتكرر، وV_PFN_max هو ذروة جهد PFN، وV_DC هو جهد ناقل البيانات، وΔV_overshoot هو الارتفاع المفاجئ في الجهد، والذي يتراوح بين 0.1 و0.2 من جهد PFN. وبالتالي، يحتاج PFN بجهد 50 كيلوفولت على ناقل بيانات بجهد 25 كيلوفولت إلى 80 كيلوفولت، لذا فإن الجزء الذي يبلغ 120 كيلوفولت يترك هامش أمان.

الاستراتيجية الثالثة: تحديد جزء الاسترداد المرن

اطلب عامل نعومة أعلى من 1.5، واختبره لكل دفعة. يحافظ الاستعادة الناعمة على انخفاض معدل تغير التيار (di/dt) عند إيقاف التشغيل، مما يُبقي التداخل الكهرومغناطيسي ضمن حدود معيار IEC 60601-1 ويحمي عزل المحول. أما استخدام جزء صلب فلا يوفر أي تكلفة، بل يُضيف مُخمدًا لاحقًا.

الاستراتيجية الرابعة: تحديد حجم المشتت الحراري بناءً على الفقد الحراري

احسب فقد الطاقة عند أعلى معدل تكرار وأعلى جهد ناقل. أضف مقاومة من الوصلة إلى الغلاف ومقاومة من الغلاف إلى المشتت الحراري، واحرص على أن تكون درجة حرارة الوصلة أقل من 125 درجة مئوية. ترتفع درجة حرارة ثنائي بقدرة 4.1 واط على مشتت حراري بمعدل 10 درجات مئوية/واط بمقدار 41 درجة مئوية فوق درجة حرارة المحيط، والتي تغطي خزانة درجة حرارتها 40 درجة مئوية.

الاستراتيجية الخامسة: أضف دائرة تخميد RC عبر الصمام الثنائي

قم بتوصيل مقاومة تتراوح قيمتها بين 10 و100 أوم ومكثف تتراوح سعته بين 100 و470 بيكوفاراد عبر كل ثنائي. تعمل دائرة التخميد على امتصاص ذروة الاستعادة وتخميد رنين الحلقة. استخدم HVR-BSP مقاومة تخميد مصممة لتحمل طاقة الذروة.

الاستراتيجية السادسة: فحص trr و ​​Qrr أثناء الخدمة

قِس زمن الاستعادة مرة واحدة سنويًا، واستبدل الصمام الثنائي عندما يرتفع زمن الاستعادة العكسي (trr) بنسبة 50% عن القيمة الأولية. يُشير الانحراف من 150 نانوثانية إلى 380 نانوثانية إلى عطل شحن أسبوعي. يؤدي الاستبدال المُجدول عند 250 نانوثانية إلى استهلاك صمام ثنائي وتوفير يوم معالجة.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
الجهد المقنن (سلسلة HVCT8G)	10 كيلو فولت العاصمة	جهد عالي 1.5× لمدة 60 ثانية
مواسعة	4700 بيكوفاراد ±20% (472 ميجا)	1 ميجاهرتز، 1 فولت RMS
المقاومة المكافئة التسلسلية عند 1 ميجاهرتز	أقل من 50 ملي أوم	-
محاثة الحلقة (وتر E40)	أقل من 8 نانوهيدروجين	تباعد طرفي 40 مم
مقاومة العزل	أعلى من 10 جيجا أوم عند 500 فولت تيار مستمر	25 درجة مئوية، 60% رطوبة نسبية
نطاق درجة حرارة	40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية	سلسلة IEC 60068-2
قدرة نبض dv/dt	أعلى من 50 كيلو فولت/ميكروثانية	عند الجهد المقدر

5. ثنائيات ومكثفات HVC لحلقة الشحن

تحتاج دائرة الشحن إلى صمام ثنائي ذي استجابة سريعة وسلسة، ومكثف يحافظ على قيمته أثناء تشغيل الدائرة. تقوم شركة HVC بتصنيع كليهما في مصنعها الخاص في دونغقوان، والذي تبلغ مساحته 6,000 متر مربع، ضمن نطاق جهد يتراوح من 1 كيلوفولت إلى 150 كيلوفولت.

ستة معايير مهمة هنا

• يتراوح زمن التكرار العكسي من 75 نانوثانية إلى 250 نانوثانية. تغطي سلسلة HVD نطاق جهد من 20 كيلوفولت إلى 200 كيلوفولت، لذا يمكن اختيار القطعة بناءً على معدل التكرار بدلاً من اختيارها بناءً على الرف.
• عامل النعومة من 2.0 إلى 3.0. يبقى التعافي ناعمًا عبر المجموعة، مما يحافظ على هامش EMI ويقلل من جهد الذروة بنسبة 40٪.
• الربع السنوي أقل من المستوى القياسي بنسبة تتراوح بين 40% و 60% ثنائي سريع الاستعادةانخفاض الشحنة المخزنة يعني اضطرابًا أقل في الدائرة ووقت احتفاظ أقصر.
• معدل تغير التيار (di/dt) أعلى من 500 أمبير/ميكروثانية ومعدل تغير الجهد (dv/dt) أعلى من 15 كيلو فولت/ميكروثانية. كلاهما يغطيان معدل الشحن السريع الذي يتطلبه مُعدِّل الحالة الصلبة.
• مكثفات التخميد والحلقة. HVCT8G و عازل كهربائي من الفئة الأولى الأجزاء التي تحمل قيمة الحلقة، مع ESR أقل من 50 ملي أوم و ESL أقل من 8 نانو هنري.
• استشعار التيار المنسق. مقاومات أخذ العينات HVRGHP قم بقياس تيار الشحنة في نفس الحلقة، وقارن مجموعة الثنائيات كمرجع متقاطع. VISHAY قطع غيار فريد.

التوصيل والدعم

يتم شحن الثنائيات القياسية خلال 4 إلى 8 أسابيع، ومجموعات الشحن المتوافقة خلال 6 إلى 10 أسابيع، مقارنةً بفترة 20 إلى 30 أسبوعًا المعتادة للعلامات التجارية المستوردة. يدعم قسم هندسة تطبيقات HVC اختيار نسبة الانعكاس العكسي (trr)، وتصميم دائرة التخميد، وتبديد الحرارة، وتقدير العمر الافتراضي بناءً على درجة حرارة الوصلة.

أرسل جهد PFN، وجهد ناقل البيانات، ومعدل التكرار، وحث الحلقة. سيوفر لك برنامج HVC اختيارًا للثنائي مع بيانات الاستعادة، ومخططًا للدائرة المخمدة، ومجموعة تقييم مكونة من عينتين خلال خمسة أيام عمل.

6. أسئلة مكررة

س1: ما هو طول trr لثنائي DeQing؟

يعتمد ذلك على معدل تكرار الشحن. عند ترددات تتراوح بين 100 و200 هرتز، يكون زمن التكرار العكسي (trr) حتى 500 نانوثانية مناسبًا. عند ترددات تتراوح بين 200 و400 هرتز، يجب ألا يتجاوز زمن التكرار العكسي 200 نانوثانية. عند ترددات أعلى من 500 هرتز، ولتطبيقات UHDR، يجب ألا يتجاوز زمن التكرار العكسي 100 نانوثانية. وقد حافظت شريحة تعمل بزمن تكرار 350 نانوثانية في شاحن بتردد 200 هرتز على كفاءة 82%، بينما حافظت شريحة تعمل بزمن تكرار 150 نانوثانية على كفاءة 91%.

س2: ما الذي يتغير في عامل النعومة؟

يُحدد هذا الإعداد معدل تغير التيار (di/dt) عند إيقاف التشغيل. يؤدي جزءٌ ناعم عند قيمة S أعلى من 1.5 إلى انخفاض قيمة IRM خلال فترة t_b، مما يجعل الحلقة تشهد حافة بطيئة ويبقى نطاق التردد صغيرًا. أما الجزء الحاد عند S = 0.8 فيؤدي إلى إيقاف التشغيل بسرعة، مما يزيد من حث الحلقة، ويرفع مستوى التداخل الكهرومغناطيسي المقاس بمقدار 20 ديسيبل.

س3: ما مقدار هامش الجهد العكسي المطلوب؟

يُقاس جهد الثنائي بناءً على جهد PFN بالإضافة إلى جهد ناقل البيانات بالإضافة إلى جهد الذروة، حيث يتراوح جهد الذروة بين 0.1 و 0.2 من جهد PFN. وبالتالي، يحتاج PFN بجهد 50 كيلوفولت على ناقل بيانات بجهد 25 كيلوفولت إلى جهد تصنيف 80 كيلوفولت. يُتيح الجزء ذو جهد 120 كيلوفولت هامش أمان لحلقة مُعرَّضة للتقادم.

س4: كيف يمكنني حساب تبديد الطاقة للثنائي؟

أضف حد التوصيل وحد الاستعادة. التوصيل يساوي I_avg مضروبًا في V_F، ما يعطي 4 واط عند 2 أمبير و2 فولت. الاستعادة تساوي ½ × I_RM × t_rr × f_charge، ما يعطي 0.1 واط عند 10 أمبير، 100 نانوثانية، و200 هرتز. يحدد المجموع قيمة المشتت الحراري.

س5: لماذا ينحرف جهد PFN أثناء انتظار المفتاح؟

لأن الصمام الثنائي يُسرّب التيار بعد استعادة حالته. الجهد المفقود هو (I_leakage · t_hold) / C_PFN، لذا فإن زمن التثبيت الطويل أو تيار التسريب الكبير يُغيّر جهد PFN قبل بدء التشغيل. اجعل t_hold أعلى من 10 × trr، أي 1.5 ميكروثانية لجزء مدته 150 نانوثانية.

س6: متى يجب استبدال الصمام الثنائي؟

عندما يرتفع زمن الانعكاس العكسي (trr) بنسبة 50% فوق القيمة الأولية، أو عندما تنخفض كفاءة الشحن عن 85%، ينحرف زمن الانعكاس العكسي للوصلة القديمة من 250 نانوثانية إلى 380 نانوثانية، ثم يتعطل الشاحن مرة واحدة أسبوعيًا تقريبًا. ويتطلب استبدال الوصلة المجدول عند 250 نانوثانية استخدام صمام ثنائي واحد.

7. المراجع

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, المعدات الكهربائية الطبية - الجزء 1: المتطلبات العامة للسلامة الأساسية والأداء الأساسيجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2012.
2. IEC 60601-2-1 ، المعدات الكهربائية الطبية - الجزء 2-1: متطلبات خاصة للسلامة الأساسية والأداء الأساسي لمسرعات الإلكتروناتجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2014.
3. إيك 60384-8، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 8: المكثفات الثابتة ذات العازل الخزفي، الفئة 1جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2015.
4. إيك 60270، تقنيات اختبار الجهد العالي - قياسات التفريغ الجزئيجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2015.
5. إريكسون، آر دبليو، وماكسيموفيتش، د. أساسيات إلكترونيات القدرة، الطبعة الثالثة. تشام: سبرينغر، 2020.
6. موهان، ن.، أنديلاند، ت.م.، وروبنز، و.ب. إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة. هوبوكين، نيوجيرسي: وايلي، 2003.
7. واي. تشو، بي. تشين، سي. تيان، جيه. يوان، واي. تشين، محول خطي متوازي مثبت بالديود لاختبار التحمل وقياس التفريغ الجزئي للمعدات الكهربائيةالجهد العالي، المجلد 8، العدد 1، الصفحات 171-182، 2023. https://doi.org/10.1049/hve2.12312
8. الولايات المتحدة 9,627,134 ، تركيبة عازلة خزفية ومكثف خزفي متعدد الطبقات يحتوي على نفس المادة (النظام شبه الكهروضوئي Ca-Sr-Zr-Ti)، شركة Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd.، مُنحت عام 2017، https://www.freepatentsonline.com/9627134.html .
9. غيغابايت / تي 17702-2021، 电力电子电容器 (المكثفات لإلكترونيات الطاقة). بكين: 国家市场监督管理总局، 2021.
10. IEC 61071:2017، مكثفات لإلكترونيات الطاقة، الطبعة 2.0. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2017.
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com