هالسيون SSMM: مكثفات ترشيح الجهد العالي للمسرعات الخطية الطبية

هالسيون SSMM: مكثفات ترشيح الجهد العالي للمسرعات الخطية الطبية

الملخص

يضم مُعدِّل المغنطرون ذو الحالة الصلبة من هالسيون مرشحًا بجهد 50 كيلوفولت في حجم 0.3 متر مكعب دون تبريد هوائي. وتتحمل ثلاث نقاط توصيل للمرشح الحمل: وصلة التيار المستمر، ومُشغِّل المغنطرون، والسكك المساعدة. تُقدِّم هذه المقالة معادلات التموج والمعاوقة والطاقة، وحدود الحرارة الناتجة عن التبريد بالتوصيل، ومجموعة الأجزاء التي تحافظ على تموج ناقل البيانات عند 4.4% ومتوسط ​​الوقت بين الأعطال عند 90,000 ساعة.

1. مقدمة

طرحت شركة Varian Halcyon جهاز المعجل الخطي الرقمي بالكامل في السوق في عام 2017. تم تركيب أكثر من 2000 وحدة الآن، وكل منها يعمل بمعدِّل مغناطيسي صلب بدون ثايراترون هيدروجيني.

يُعدّ الكسب مقارنةً بالمعدِّل الخطي كبيرًا. ينخفض ​​الحجم من 2 متر مكعب إلى 0.3 متر مكعب، والوزن من 400 كيلوغرام إلى 80 كيلوغرامًا، والارتعاش من 50 نانوثانية إلى أقل من 2 نانوثانية. ويزداد العمر التشغيلي من 30000 ساعة إلى 100000 ساعة.

يصبح تحقيق هذا التحسن صعباً عند استخدام المرشح. لا يحتوي الرف على مروحة، لذا تنتقل الحرارة بالتوصيل فقط، وتتجاوز كثافة الأجزاء 10 أجزاء لكل دسم³.

تتناول هذه المقالة عقد المرشح الثلاثة، ومعادلات التموج والمعاوقة، وحدود الحرارة، وقواعد التخطيط، ومجموعة الأجزاء التي تلبيها.

2. الآلية الأساسية

2.1 تيار التموج عبر الخانق

يحدد الخانق مقدار تقلبات التيار أثناء النبضة:

ΔI_pp = V_bus · t_pulse / L_filter

حيث ΔI_pp هو تيار التموج بالأمبير، وV_bus هو جهد الناقل بالكيلوفولت، وt_pulse هو عرض النبضة بالميكروثانية، وL_filter هي قيمة الخانق بالملي هنري.

عند 50 كيلو فولت، 4 ميكروثانية، و 1.5 ملي هنري، يكون تيار التموج 133 أمبير. يتدفق هذا التيار في البنك ويسخنه.

2.2 جهد التموج على ناقل البيانات

تقوم قيمة البنك بتحويل التأرجح الحالي إلى تأرجح الجهد:

ΔV_pp = ΔI_pp · t_discharge / C_total

حيث ΔV_pp هو جهد التموج بالكيلو فولت، وΔI_pp هو تيار التموج بالأمبير، وt_discharge هو وقت التفريغ بالميكروثانية، وC_total هي قيمة البنك بالنانو فاراد.

مع تيار 133 أمبير، وزمن تأخير 4 ميكروثانية، ومكثف 18 نانوفاراد، يبلغ جهد التموج 29.6 كيلوفولت، أي ما يعادل 59% من جهد ناقل التيار. يؤدي رفع سعة المكثف إلى 36 نانوفاراد وقيمة الملف الخانق إلى 5 ملي هنري إلى خفض هذه النسبة إلى 4.4%.

2.3 مطابقة المعاوقة مع المغنطرون

يجب أن تتطابق دائرة القيادة مع مقاومة المغنطرون:

Z_0 = √(L / C) = R_dyn

حيث Z_0 هي معاوقة الحلقة بالأوم، و L هي محاثة الحلقة بالميكروهنري، و C هي قيمة الحلقة بالنانو فاراد، و R_dyn هي معاوقة المغنطرون بالأوم.

يسحب المغنطرون تيارًا مقداره 500 أمبير عند جهد 50 كيلو فولت، لذا فإن قيمة R_dyn تساوي 100 أوم. وبالتالي، فإن قيمة 1 نانو فاراد تتطلب 10 ميكرو هنري، وقيمة 2 نانو فاراد تتطلب 20 ميكرو هنري.

2.4 الطاقة المخزنة في البنك

يجب أن يحتوي البنك على طاقة كافية لنبضة واحدة:

E = ½ · C_total · V_bus²

حيث E هي الطاقة المخزنة بالجول، و C_total هي قيمة البنك بالنانو فاراد، و V_bus هو جهد الناقل بالكيلو فولت.

ستة أجزاء عند 3 نانو فاراد و 50 كيلو فولت تحمل 22.5 جول. وهذا يغطي نبضة 4 ميكرو ثانية عند 2.5 ميجا واط مع هامش أمان.

2.5 ارتفاع درجة الحرارة على اللوحة الأساسية

في حالة عدم وجود مروحة، تبرد الأجزاء من خلال الهيكل:

ΔT = P_loss · R_th

حيث ΔT هي الزيادة في درجة الحرارة المئوية، و P_loss هي الخسارة في الواط، و R_th هي المقاومة الحرارية في درجة الحرارة المئوية/واط.

عند فقد طاقة مقداره 40 واط ودرجة حرارة 0.75 درجة مئوية/واط، يكون الارتفاع 30 درجة مئوية. وفوق هذه القيمة، تتجاوز درجة حرارة البقعة الساخنة 105 درجة مئوية، ويتسارع تلف الجزء.

الشكل 1 - عقد مرشح SSMM الثلاثة ومكاسبها المقاسة: تموج ناقل من 59٪ إلى 4.4٪، وتجاوز الذيل من 25٪ إلى أقل من 5٪، وارتفاع من 200 نانوثانية إلى 100 نانوثانية.

3. نقاط الضعف الهندسية

نقطة الضعف الأولى: البنك في المحاولة الأولى يفشل في تحقيق الهدف المرجو

يؤدي استخدام خانق بقيمة 1.5 ملي هنري مع مكثف 18 نانو فاراد إلى تموج بنسبة 59% في نبضة مدتها 4 ميكرو ثانية. يعتمد هذا التموج على محرك المغنطرون، مما يؤدي إلى انخفاض نبضة الخرج وتغير معدل الجرعة تبعًا لذلك. الحل هو زيادة قيمة المكثف والمكثف على كلا الجانبين: 36 نانو فاراد و5 ملي هنري.

المشكلة الثانية: التبريد بالتوصيل لا يترك مجالاً للارتفاع

لا يحتوي الحامل على مروحة. يتسرب الحرارة عبر صفيحة ألومنيوم بسمك 5 مم وطبقة من المعجون الحراري بسمك 50-100 ميكرومتر. تؤدي البقعة الساخنة التي تتجاوز درجة حرارتها 105 درجة مئوية إلى تقليل عمر القطعة إلى النصف، كما أن القطعة التي تزن 200 غرام والتي تعاني من ضعف التلامس تصبح أكثر سخونة من القطع المجاورة لها.

نقطة الضعف الثالثة: حلقات الذيل على ملف الحث التسريبي

يشكل معامل الحث التسريبي للمحول والقيمة الطفيلية حلقةً رنينيةً عند ذيل النبضة. يصل التجاوز المقاس إلى 25%، وتستقر القدرة المنعكسة قرب -15 ديسيبل. تُحفز هذه الحلقة انبعاث الكاثود وتُضيف اضطرابًا إلى نبضة الخرج.

المشكلة الرابعة: الرف صغير جدًا بالنسبة لعدد القطع

تتجاوز الكثافة 10 أجزاء لكل دسم³، لذا فإنّ تركيب جزء ذي ثقوب ملحومة يستهلك مساحة ووقتًا أطول في التجميع. يستغرق التركيب 30 ثانية لكل جزء، وهو وقت بطيء جدًا بالنسبة لمعدل إنتاج 2000 وحدة.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية 1: تحديد حجم وصلة التيار المستمر من هدف التموج

حدد قيمة التموج المستهدفة أولاً، ثم احسب قيمتي السعة (C) والحث (L) معاً. ينتج عن مجموعة مكثفات سعتها 36 نانوفاراد مع ملف خانق سعته 5 ملي هنري تموج بنسبة 4.4% عند جهد 50 كيلو فولت. زيادة قيمة ملف الخانق وحده إلى 5 ملي هنري لا تؤدي إلا إلى تموج بنسبة 17.8%، لذا يجب تعديل كلتا القيمتين.

الاستراتيجية الثانية: استخدام أجزاء ذات مستوى منخفض من التداخل الكهرومغناطيسي مع أسلاك توصيل قصيرة

حافظ على قيمة ESL للجزء أقل من 5 نانو هنري واقطع الأسلاك التي يقل طولها عن 5 مم. ضع أجزاء التجاوز على مسافة لا تتجاوز 5 مم من كل مرحلة IGBT، وقم بتشغيل مسار التردد العالي على الطبقة 3 كخط شريطي بمقاومة 50 أوم.

الاستراتيجية الثالثة: تجاوز الكاثود

قم بتركيب أربع مكثفات سعة 470 بيكوفاراد وجهد 30 كيلوفولت عند مهبط المغنطرون. تحمل هذه المكثفات التيار عالي التردد الذي كان سينعكس لولا ذلك بسبب حث التسرب في المحول. انخفض التجاوز الذيل المقاس من 25% إلى أقل من 5%.

الاستراتيجية الرابعة: شحذ الحافة الأساسية

أضف مكثفين بسعة 1 نانوفاراد وجهد 40 كيلوفولت إلى الملف الابتدائي لمحول النبض. يُوصلان شحنة الحافة الأمامية في نبضة قصيرة، وينخفض ​​زمن الصعود المقاس من 200 نانوثانية إلى 100 نانوثانية. حافظ على فرق الجهد الجزئي أقل من 5 بيكو كولوم لضمان نقاء الحافة.

الاستراتيجية الخامسة: مطابقة الحلقة مع 100 أوم

اضبط Z_0 = √(L / C) على قيمة المغنطرون 100 أوم. مع مكثف 1 نانو فاراد، تحتاج الحلقة إلى 10 ميكرو هنري؛ ومع مكثف 2 نانو فاراد، تحتاج إلى 20 ميكرو هنري. يؤدي عدم التوافق إلى عكس الطاقة إلى الملف الخانق ورفع الحلقة عند الطرف.

الاستراتيجية السادسة: التبريد بالتوصيل الحراري واختباره وهو ساخن

ثبّت الأجزاء على صفيحة ألومنيوم بسمك 5 مم باستخدام شحم 5 واط/م·ك بمسافة 50-100 ميكرومتر، واضبط مسامير M5 على عزم 3 نيوتن·متر. شغّل الجهاز لمدة 8 ساعات تحت الحمل الكامل، وحافظ على ارتفاع درجة الحرارة أقل من 30 درجة مئوية، مع الحفاظ على درجة حرارة النقاط الساخنة أقل من 105 درجة مئوية.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
قيمة التصفية الرئيسية (HVDCT-302(60 كيلو فولت)	3 نانو فاراد، 6 موصلة على التوازي	ناقل 50 كيلو فولت، نبضة 4 ميكروثانية
ESL لكل جزء من الفلتر	أقل من 5 نانوهيدروجين	1 ميغاهيرتز
مقاومة الخلايا الكهروستاتيكية لكل جزء من أجزاء الفلتر	أقل من 30 ملي أوم	1 ميغاهيرتز
تجاوز الكاثود (HVCT-471(30 كيلو فولت)	470 بيكوفاراد، 4 أجزاء	ذروة 50 كيلو فولت
جزء الشحذ (HVDCT-102(40 كيلو فولت)	1 نانو فاراد، جزآن	فرق الجهد أقل من 5 بيكو درجة مئوية
صمام ثنائي سريع الاستعادة (HVD-30)	معدل الخطأ النسبي أقل من 50 نانوثانية	30 كيلو فولت، 5 أمبير
ارتفاع درجة الحرارة عند الحمل الكامل	أقل من 30 درجة مئوية	8 ساعات، توصيل فقط

5. أجزاء HVC لمرشح SSMM

تتضمن المرشحات أربعة أنواع من الأجزاء: مجموعة وصلة التيار المستمر، وتجاوز الكاثود، وجزء التحسين الأساسي، و المعدل الصمام الثنائيتقوم شركة HVC ببناء الأربعة جميعها في مصنع مملوك لها مساحته 6000 متر مربع في دونغقوان، وتطابقها كمجموعة واحدة مع مقاومات التخميد.

ستة معايير مهمة هنا

• مرشح رئيسي بسعة 3 نانوفاراد وجهد 60 كيلوفولت. ستة أجزاء موصولة على التوازي تعطي سعة 18 نانوفاراد وجهد 22.5 جول، عند حجم 1.5 دسم³ وكتلة 1.2 كجم. مسار زحف يزيد عن 20 مم/كيلوفولت يغطي ناقل الجهد 50 كيلوفولت.
• ESL أقل من 5 نانو هنري. أجزاء مقابض أبواب نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء استخدم وجه M5 ملولب بدلاً من الأسلاك الملحومة، بحيث تبقى الحلقة قصيرة ويبقى الرنين منخفضًا.
• تجاوز الكاثود عند 470 بيكوفاراد. أربعة أجزاء عند 30 كيلو فولت تحافظ على تجاوز الذيل أقل من 5% وترفع الطاقة المنعكسة من -15 ديسيبل إلى -25 ديسيبل.
• تحسين الدقة عند 1 نانو فاراد و 40 كيلو فولت. يعمل جزآن على تقليل زمن الصعود من 200 نانو ثانية إلى 100 نانو ثانية، مع الحفاظ على PD أقل من 5 بيكو كولوم عند 1.5 ضعف الجهد المقنن.
• أجزاء متناسقة. ثنائي سريع الاستعادة بالنسبة لجسر المقوم، HVR-HTE مقاومات التخميد بالنسبة لمخمد IGBT، و مقاومات أخذ العينات HVRGHP بالنسبة لحساسية الحافلة، يمكن طلبها كمجموعة واحدة.
• راجع العلامات التجارية الرائدة. تتوافق أجزاء نظام التبريد والتكييف عالي الكفاءة مع المعايير الكهربائية لـ VISHAYقطع غيار من شركات AVX وMurata وTDK. وقد أدى بناء واحد تم قياسه إلى خفض تكلفة القطعة بنسبة 38%، والحجم بنسبة 35%، ورفع متوسط ​​الوقت بين الأعطال من 35000 ساعة إلى 90000 ساعة.

التوصيل والدعم

تُشحن القطع القياسية خلال 4-8 أسابيع، ومجموعات الفلاتر المتطابقة خلال 6-10 أسابيع، مقارنةً بالمدة المعتادة التي تتراوح بين 20 و30 أسبوعًا للعلامات التجارية المذكورة أعلاه. يدعم قسم هندسة تطبيقات التبريد والتكييف تصميم التموجات، ومطابقة المعاوقة، والتخطيط الحراري.

أرسل جهد ناقل البيانات، وعرض النبضة، ومعدل التكرار، وحدود المساحة. سترسل لك شركة HVC ورقة مطابقة تتضمن أرقام القطع، وبيانات التموج، ومجموعة عينات ثنائية خلال خمسة أيام عمل.

6. أسئلة مكررة

س1: ما مقدار سعة ناقل البيانات التي يحتاجها جهاز SSMM بجهد 50 كيلو فولت؟

يكفي هذا للحفاظ على التموج أقل من 5%. ينتج عن خانق 1.5 ملي هنري مع مكثف 18 نانو فاراد تموج بنسبة 59% على نبضة مدتها 4 ميكروثانية. بينما تصل نسبة التموج في بنك مكثفات 36 نانو فاراد مع خانق 5 ملي هنري إلى 4.4%. يجب أن يخزن البنك أيضًا طاقة النبضة: 18 نانو فاراد عند 50 كيلو فولت تخزن 22.5 جول.

س2: لماذا لا يتم رفع قيمة الخانق فقط؟

لا يزال خانق بقيمة 5 ملي هنري مع مكثف بقيمة 18 نانو فاراد يُنتج تموجًا بنسبة 17.8%، لأن جهد التموج ينقسم بين القيمتين. يجب تحريك كلا الجانبين: فخانق بقيمة 5 ملي هنري مع مكثف بقيمة 36 نانو فاراد يُنتج تموجًا بنسبة 4.4%. كما يُضيف الخانق الإضافي 1.5 كيلوغرام و0.4 دسم³ إلى رف حجمه 0.3 متر مكعب.

س3: ما وظيفة جزء تجاوز الكاثود؟

يحمل التيار عالي التردد عند مهبط المغنطرون، لذا لا يعود حث التسرب للمحول إلى دائرة القيادة. تعمل أربع مكثفات 470 بيكوفاراد 30 كيلوفولت على خفض تجاوز الذيل من 25% إلى أقل من 5%، ورفع القدرة المنعكسة من -15 ديسيبل إلى -25 ديسيبل.

س4: هل يمكنني تشغيل الفلتر بدون مروحة؟

نعم، إذا بقيت الخسائر منخفضة. التوصيل الحراري عبر صفيحة ألومنيوم بسمك 5 مم مع شحم موصل للحرارة 5 واط/م·ك يحافظ على ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 30 درجة مئوية عند خسائر 40 واط. عند تجاوز 200 واط، يحتاج التصميم إلى تبريد بالهواء القسري، وعند تجاوز 500 واط، يحتاج إلى تبريد بالماء.

س5: كيف يمكنني ضبط قيمة جزء الشحذ؟

ابدأ من معاوقة الحلقة: Z_0 = √(L / C) = 100 أوم للمغنطرون الذي يسحب تيارًا مقداره 500 أمبير عند جهد 50 كيلو فولت. باستخدام مكثف سعته 1 نانو فاراد، تحتاج الحلقة إلى 10 ميكرو هنري. ثمّ استخدام مكثفين سعتهما 1 نانو فاراد وجهدهما 40 كيلو فولت في الملف الابتدائي يقلل زمن الصعود من 200 نانو ثانية إلى 100 نانو ثانية.

س6: ما هو الاختبار الذي يثبت صحة تصميم المرشح قبل بنائه؟

ثالثًا، قم بإجراء حساب التموج عند أسوأ عرض نبضة، ثم قم بإجراء اختبار حراري لمدة 8 ساعات تحت الحمل الكامل مع ارتفاع درجة الحرارة أقل من 30 درجة مئوية، ثم قم بإجراء اختبار الارتعاش على مدى 1000 نبضة مع نتيجة أقل من 2 نانوثانية. تؤدي نقطة ساخنة تتجاوز 105 درجة مئوية إلى فشل التصميم.

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: 2020 ، المعدات الكهربائية الطبية - الجزء 2-1: متطلبات خاصة للسلامة الأساسية والأداء الأساسي لمسرعات الإلكترونات في نطاق 1 ميغا إلكترون فولت إلى 50 ميغا إلكترون فولتجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2020.
3. إيك 60384-8، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 8: المكثفات الثابتة ذات العازل الخزفي، الفئة 1جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2015.
4. CISPR 11، المعدات الصناعية والعلمية والطبية - خصائص التشويش الناتج عن الترددات الراديوية - حدود وطرق القياسجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2016.
5. IEC 60068-2-6 ، الاختبارات البيئية - الجزء 2-6: الاختبارات - اختبار Fc: الاهتزاز (الجيبي)جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2007.
6. موهان، ن.، أنديلاند، ت.م.، وروبنز، و.ب. إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة. هوبوكين، نيوجيرسي: وايلي، 2003.
7. هـ. وانغ وف. بلايبيرغ، موثوقية المكثفات لتطبيقات وصلة التيار المستمر في محولات إلكترونيات الطاقة - نظرة عامة، مجلة IEEE للمعاملات في التطبيقات الصناعية، المجلد 50، العدد 5، الصفحات 3569-3578، 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
8. IEC 61071:2017، مكثفات لإلكترونيات الطاقة، الطبعة 2.0. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2017.
9. تطوير مكثفات سيراميكية متعددة الطبقات من نوع BME X7R ذات سعة عالية وجهد عالٍ، KEMET Electronics (CARTS USA 2011 Proceedings), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
10. غيغابايت / تي 6346.1-2024، اسم المنتج: اسم المنتج (المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية – الجزء الأول: المواصفات العامة). بكين: 国家市场监督管理总局، 2024.
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com