Interleaved Resonant Topology for High-Power CT X-Ray Generators

Interleaved Resonant Topology for High-Power CT X-Ray Generators

Abstract

Hochwertige Stromwandler benötigen 80 bis 100 kW momentane Röhrenleistung innerhalb einer Umdrehung von 0.25 s, was von einem einzelnen Resonanzzweig nicht bewältigt werden kann. Verschachtelte parallele Resonanzzweige teilen die Leistung auf und kompensieren die Restwelligkeit, erfordern jedoch eine präzise Abstimmung der Kondensatoren, Dioden und Messwiderstände. Dieser Artikel beschreibt die Aufteilungsgleichungen, die drei Unsymmetriemuster sowie die Auswahl- und Layoutschritte für vierbeinige Stromwandlergeneratoren.

1. Einleitung

Hochwertige Computertomographen (CT) zeichnen sich durch schnellere Rotationszeiten, mehr Detektorzeilen und eine höhere Auflösung aus. Bei einer Rotationszeit von 0.25 Sekunden muss ein System mit 256 oder 320 Schichten 120 kV bis 140 kV bei 800 mA bis 1000 mA liefern, wodurch die Spitzenleistung bei Topmodellen über 80 kW und sogar über 100 kW liegt.

Bei dieser Leistung stößt ein einzelner Resonanzzweig an seine Kapazitätsgrenzen. Ein Schalterpaar erreicht seine Stromgrenze, ein Resonanzkondensator kann den Reststrom nicht aufnehmen, und ein Transformator kann seine Leistungsdichte nicht weiter erhöhen. Die erzwungene Leistungszufuhr durch einen einzelnen Zweig vergrößert das Volumen und macht die thermische Auslegung unpraktikabel.

Die verschachtelte Parallelresonanz teilt die Gesamtleistung in N Zweige auf, von denen jeder 1/N davon trägt, wobei die Ansteuerphasen um 360°/N versetzt sind. Diese Anordnung durchbricht die Leistungsgrenze eines einzelnen Zweigs und verbessert gleichzeitig die Restwelligkeit, das dynamische Verhalten und die Fehlertoleranz.

Die Kosten sind entsprechend angepasst. Sobald mehrere Zweige eine Last teilen, müssen die Kondensatoren, Dioden, Messwiderstände und Treiberschaltungen jedes Zweigs aufeinander abgestimmt sein, und kleine Unterschiede führen zu großen Stromunterschieden.

2. Kernmechanismus

2.1 Die Belastung pro Bein sinkt mit der Anzahl der Beine

Die Gesamtleistung P_total teilt sich gleichmäßig auf N Zweige auf, sodass jeder Zweig P_total/N aufnimmt. In einer 100-kW-Anlage mit vier Zweigen trägt jeder Zweig 25 kW. Der Schaltspitzenstrom sinkt von etwa 200 A in einer einsträngigen Anlage auf etwa 50 A.

Der Restwelligkeitsstrom des Resonanzkondensators sinkt damit von etwa 20 A auf etwa 5 A. Kleinere Schalter und kleinere Kondensatoren werden einsetzbar, und die Wärmeentwicklung pro Schenkel sinkt so weit, dass das Wärmemanagement nicht mehr die Konstruktion einschränkt.

2.2 Wellenkompensation im Phasenbereich

Die Ausgangswelligkeiten der N Schenkel addieren sich phasenverschoben, sodass die resultierende Welligkeit zu einer höheren Frequenz und einer geringeren Amplitude verschoben wird:

f_ripple = N · f_switch

Dabei ist f_ripple die Ausgangswelligkeitsfrequenz, N die Anzahl der Zweige und f_switch die Schaltfrequenz eines Zweigs. Die Amplitude nimmt mit dem Quadrat der Zweiganzahl ab:

ΔV_interleaved ≈ ΔV_single / N²

Dabei ist ΔV_single die Restwelligkeit am Ausgang des Einzelstrangsystems. Bei ΔV_single = 100 V ergibt eine Vierstrangschaltung etwa 6.25 V und benötigt nur 1/16 der Ausgangsfilterkapazität der Einstrangschaltung.

2.3 Warum der Schenkelstrom der Schenkelimpedanz folgt

Alle Zweige sehen die gleiche parallele Klemmenspannung V_p, daher wird der Strom in jedem Zweig durch seine eigene Impedanz bestimmt. Die Resonanzfrequenz des Zweigs i beträgt:

f_ri = 1 / (2π · √(L · C_i))

wobei C_i die Resonanzkapazität des Zweigs i und L die Resonanzinduktivität ist. Die Zweigimpedanz beträgt:

|Z_i| = |jωL + 1/(jωC_i)|

Dabei ist ω die Kreisfrequenz. Ein Zweig mit 5 % höherer Kapazität als der Nennkapazität senkt seine Resonanzfrequenz um etwa 2.4 %. Oberhalb der Resonanzfrequenz, in der ein LCC-Schwingkreis üblicherweise arbeitet, sinkt die Impedanz dieses Zweigs um 5 % bis 8 % und sein Stromanteil steigt um 8 % bis 12 %.

2.4 Fehlertoleranz gegenüber parallelen Schenkeln

Fällt ein Zweig aus, arbeiten die verbleibenden N-1 Zweige mit reduzierter Leistung weiter, und der Generator behält seine Hochspannungsausgabe bei. Für ein medizinisches System ist diese sanfte Leistungsreduzierung klinisch wertvoll, da eine laufende Untersuchung abgeschlossen werden kann.

Die Redundanz ist nur dann gegeben, wenn die Auslastung bereits gering ist. Ein Design, das sich stärker auf ein einzelnes System stützt, als ihm zusteht, verliert diese Reserve lange vor dem Auftreten eines Fehlers.

Abb. 1 — Vier 25-kW-Leitungen im Abstand von 90 Grad erzeugen eine Ausgangswelligkeit von 400 kHz und reduzieren die Einzelleitungswelligkeit von 100 V auf 6.25 V.

3. Schwachstellen im Engineering

Problempunkt 1: Die Kondensatortoleranz verletzt die Sharing-Theorie

Selbst innerhalb einer Teilenummer und einer Produktionscharge beträgt die Kapazitätstoleranz ±5 % bis ±10 %. Bei einer Vier-Bein-Konstruktion führt ein Bein, dessen Kapazität 5 % über dem Nennwert liegt, 10 % bis 15 % mehr Strom als die anderen drei, wird heißer und altert schneller.

Die Schleife verstärkt sich dann selbst, bis dieser Zweig ausfällt. Messdaten eines Hochleistungs-Stromwandlerprojekts zeigten eine Stromverteilung von 22 % über vier Zweige ohne Abschirmung und Paarung. Ein Kondensator verlor nach 2,000 Stunden 12 % seiner Kapazität und wurde zur Zuverlässigkeitsgrenze des gesamten Generators.

Problempunkt 2: Asymmetrische Parasiten verstärken das Ungleichgewicht.

Die Leiterbahnlänge, die Kupferbreite und die Anzahl der Durchkontaktierungen von jedem Anschluss zum Transformator unterscheiden sich auf einer realen Leiterplatte, und damit auch die parasitären Induktivitäten und Widerstände. Diese Unterschiede verstärken sich bei hohen Frequenzen und führen zu weiteren Stromungleichgewichten.

Oberhalb von 100 kHz verschiebt eine Differenz der parasitären Induktivität von 10 nH den Schenkelstrom um mehrere Ampere. Unterschiede in der Laufzeit der Ansteuersignale, verursacht durch Treiberchips, Optokoppler und Leiterbahnen, führen zusätzlich zu Phasenfehlern und schwächen die Restwelligkeitskompensation.

Problempunkt 3: Phasengenauigkeit und Zeitsynchronisation

Für die Interleaving-Verarbeitung müssen die Ansteuersignale aller Zweige ihre Phasenbeziehung innerhalb von 1° einhalten, was bei 100 kHz etwa 28 ns entspricht. Jenseits dieses Punktes verschlechtert sich die Auslöschung, und die Ausgangswelligkeit steigt über den Wert eines einzelnen Zweigs.

Totzeit und Ansteuerverzögerung müssen über alle Zweige hinweg übereinstimmen, was die Taktgenauigkeit und die Konsistenz der Ansteuerkette des Controllers beeinträchtigt. In einem Projekt führte eine Optokopplerverzögerungsabweichung von 50 ns zu einem Phasenfehler von über 1.8° in einem Vier-Zweig-System und erhöhte die Ausgangswelligkeit um 15 %.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Enge Toleranzen und Chargenkonsistenz

Die Resonanzkapazität jedes Zweigs sollte auf ±5 % oder besser genau festgelegt werden. Bauteile aus derselben Fertigungscharge sollten paarweise verwendet werden. Bei vier oder mehr Zweigen sollte die Toleranz auf ±2 % erhöht werden. Die Chargennummer und die gemessene Kapazität jedes Zweigs sind zur Rückverfolgbarkeit vor Ort zu dokumentieren.

Durch die Prüfung und Paarung der Kapazität auf Chargenebene wird ein Sortierproblem in eine Spezifikation umgewandelt, und der größte Teil der aktuellen Streuung wird vor jeglicher Steuerungsmaßnahme beseitigt.

Strategie 2: Niedriger ESR-Wert und geringe Temperaturdrift

Verwenden Sie eine Keramik der Klasse I, wie zum Beispiel N4700 Mit einem DF-Wert unter 0.1 % und einem TCC-Wert von ±30 ppm/°C sorgt ein niedriger ESR-Wert für eine gleichmäßige Eigenerwärmung der einzelnen Beine, und eine geringe Temperaturdrift gewährleistet, dass sich alle Beine beim Erwärmen des Gehäuses synchron bewegen.

Die unerklärliche Ungleichverteilung ist die differentielle Erwärmung. Wenn ein Schenkel 10 °C wärmer ist als die anderen, entkoppeln sich seine Kapazität und sein ESR von den übrigen, und der Verteilungsfehler nimmt mit jedem Scan zu. HVCT8G Türknaufkondensatoren für die Hauptresonanzpositionen mit hohem Welligkeitsstrom und HVCT9G-Radialanschlussbauteile für kompakte Layouts.

Strategie 3: Angepasste Dioden und niederinduktive Messwiderstände

Verwenden Sie in jedem Zweig das gleiche Diodenmodell und halten Sie die Durchlassspannungsstreuung innerhalb derselben Charge auf maximal 0.05 V, um einen gleichmäßigen Gleichrichtungsverlust zu gewährleisten. Ein Zweig mit höherem Durchlassspannungsabfall befindet sich in einem anderen thermischen Zustand, was sich wiederum auf die Kondensatortemperatur auswirkt.

Spüre die Beinströmung mit HVRGXP planare Widerstände mit niedriger Induktivität, typischerweise 0.01 Ω bis 0.1 Ω, mit einer Induktivität unter 5 nH, um die Stromwellenform bei der Schaltfrequenz unverzerrt zu halten.

Strategie 4: Symmetrisches Leiterplattenlayout

Spiegeln Sie die Leiterbahnen der Beinchen zueinander, sodass sie identische Länge, Breite und Durchkontaktierungsanzahl aufweisen. Wählen Sie für die Resonanzkondensatoren eine Montage mit kurzen Anschlussdrähten oder eine anschlusslose Montage, damit die parasitäre Induktivität der Verbindung nicht in den Vergleich einfließt.

Passen Sie auch die Längen der Ansteuerleitungen an. Falls das Layout nicht symmetrisch gestaltet werden kann, kürzen Sie die kürzeren Pfade durch Verzögerungsleitungsabsenkung, um den Phasenfehler innerhalb der zulässigen Grenzen zu halten.

Strategie 5: Digitale Stromverteilung und Schutz pro Bein

Lesen Sie den Strom jedes Schenkels in Echtzeit aus und korrigieren Sie die Impulsbreite oder Phase jedes Schenkels, der mehr als ±5 % vom Mittelwert abweicht. Eine langsame Korrektur genügt, da sich die Unwucht mit thermischen Zeitkonstanten entwickelt.

Installieren Sie einen unabhängigen Überstromschutz für jede Phase und schalten Sie eine Phase ab, deren Strom den zulässigen Bereich überschreitet. Durch das rechtzeitige Abschalten einer einzelnen Phase wird der Rest der Anlage geschützt und der Generator im reduzierten Leistungsmodus gehalten.

Strategie 6: Niedrige und angepasste Schleifenimpedanz beibehalten

Dimensionieren Sie die Resonanzschleife so, dass die charakteristische Impedanz Z = √(L/C) für den benötigten Strom ausreichend niedrig ist und die ohmschen Verluste P = I² · R jedes Schenkels innerhalb der thermischen Kapazität des Gehäuses liegen. Passen Sie die beiden Schenkel durch Messung an, nicht nur durch Berechnung.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC-Kondensatoren für verschachtelte Resonanzzweige

Interleaving-Verfahren belohnen Bauteile, die sich in jedem Zweig gleich verhalten. Die entscheidenden Parameter sind die Toleranz der Lieferkapazität, die Verluste bei der Schaltfrequenz und die Temperaturstabilität dieser Verluste. HVC fertigt diese Bauteile in einem 6,000 m² großen, firmeneigenen Werk in Dongguan für einen Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Die Toleranz liegt bei Auslieferung innerhalb von ±5 %. Präzisionssintern und automatisierte Sortierung halten die Streuung innerhalb einer Charge gering, sodass die vier Schenkel ihre Stromabweichung innerhalb von 3 % halten und die Welligkeitskompensation 90 % des theoretischen Wertes erreicht. Für Großbestellungen ist eine Chargenpaarung mit einer Genauigkeit von ±2 % möglich.
• Der DF liegt oberhalb von 100 kHz unter 0.1 %. Bei 20 kW bis 25 kW pro Schenkel bleibt jeder Resonanzkondensator unter 0.5 W Eigenerwärmung und innerhalb von 10 °C Temperaturanstieg, wobei der Anstieg von Schenkel zu Schenkel gleichmäßig ist, sodass kein Schenkel während des Scans aus dem Gleichgewicht gerät.
• TCC ±30 ppm/°C. Alle Schenkel bewegen sich über den gesamten Betriebstemperaturbereich gemeinsam, wodurch der gemeinsame Resonanzpunkt über einen langen, kontinuierlichen Scan hinweg stabil bleibt.
• Der ESR-Wert liegt im Milliohm-Bereich. Die Schleifenverluste bleiben gering und sind an beiden Schenkeln gleich, sodass sich die Stromverteilung nicht ändert, nur weil ein Schenkel näher an einem Luftkanal liegt.
• Koordinierte Komponenten. Schnell-Erholungs-Hochspannungsdioden mit einer Durchlassspannungsstreuung innerhalb derselben Charge von maximal 0.05 V, HVR-BSP röhrenförmige Dämpfungswiderstände, und HVRGXP-Planarmesswiderstände können als ein aufeinander abgestimmtes Set für den Gleichrichter, den Snubber und die Strommessung ausgewählt werden.
• Vergleichen Sie mit erstklassigen Marken. HVC-Teile entsprechen den elektrischen Parametern und Zuverlässigkeitsindikatoren von Vishay HVCC, KEMET Radialleitung, Murata DHS/DHR und TDK UHV/FHV werden in der Serienproduktion von Hochspannungsgeneratoren für Fortune 500-Hersteller von medizinischen Bildgebungssystemen eingesetzt.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4–8 Wochen geliefert, kundenspezifische Dämpfungs- und Anpassungssets innerhalb von 6–10 Wochen – im Vergleich zu den üblichen 20–30 Wochen bei den oben genannten Marken. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt die verschachtelte Kondensatoranpassung, die Stromverteilungssimulation, die Dioden- und Widerstandsauswahl sowie die Chargenpaarung.

Bitte senden Sie uns die Anzahl der Schaltbeine, die Leistung pro Schaltbein, die Schaltfrequenz, das Phasenverschiebungsschema und die zulässige Kapazitätstoleranz. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen ein entsprechendes Datenblatt mit den Teilenummern pro Schaltbein sowie den gemessenen Kapazitäts-, DF- und ESR-Werten und ein Evaluierungskit mit zwei Mustern.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Wie viel Leistung können vier ineinandergreifende Beine übertragen?

Die Leitungen teilen die Gesamtleistung gleichmäßig auf, sodass vier Leitungen die vierfache Leistung einer einzelnen Leitung übertragen können. Bei einer 100-kW-Anlage übernimmt jede Leitung 25 kW, der Schaltspitzenstrom sinkt von etwa 200 A auf etwa 50 A und der Reststrom des Resonanzkondensators von etwa 20 A auf etwa 5 A.

Frage 2: Wie eng muss die Toleranz des Kondensators sein?

±5 % oder besser für jedes Bauteil und ±2 % Übereinstimmung zwischen den Schenkeln bei Vier-Schenkel-Konstruktionen. Ein Schenkel, dessen Wert 5 % über dem Nennwert liegt, benötigt 8 % bis 12 % mehr Strom. Die Toleranz ist daher der Parameter, der darüber entscheidet, ob die Schenkel überhaupt Strom teilen. Die Zusammenstellung von Bauteilen in Chargen ist der praktikabelste Weg, um ±2 % zu erreichen.

Frage 3: Was verursacht das gegenwärtige Ungleichgewicht zwischen den Beinen?

Drei Faktoren sind zu berücksichtigen: Kapazitätstoleranzen zwischen den Resonanzkondensatoren, asymmetrische parasitäre Induktivität in den Leiterbahnen und ungleiche Temperaturverteilung in den Leiterbahnen. Oberhalb von 100 kHz bewirkt bereits eine Differenz von 10 nH eine Stromverschiebung von mehreren Ampere. Die Kondensatoren werden paarweise angeordnet, das Layout gespiegelt und der Strom in jeder Leiterbahn im Regelkreis gemessen.

Frage 4: Wie genau muss die Phasenverschiebung sein?

Innerhalb von 1°, was bei 100 kHz etwa 28 ns entspricht, nimmt die Welligkeitskompensation ab. Darüber hinaus schwächt sich die Welligkeitskompensation ab. In einem Vierbeinsystem führte eine Optokopplerverzögerungsvariation von 50 ns zu einem Phasenfehler von 1.8° und erhöhte die Ausgangswelligkeit um 15 % gegenüber dem Wert des Einbeinsystems, was eine Überarbeitung der Ansteuerschaltung erforderlich machte.

Frage 5: Verringert Interleaving die Ausgangswelligkeit?

Ja, proportional zum Quadrat der Beinanzahl. Vier Beine erhöhen die Restwelligkeit auf das Vierfache der Schaltfrequenz und reduzieren ihre Amplitude auf 1/16, sodass die Ausgangsfilterkapazität auf 1/16 des Wertes eines einzelnen Beins sinken kann. Diese Reduzierung bleibt nur erhalten, solange Amplitude und Phase der Beine übereinstimmen.

Frage 6: Was passiert, wenn ein Bein im Betrieb ausfällt?

Die verbleibenden Leitungen laufen mit reduzierter Leistung weiter, und der Generator hält seine Leistung aufrecht, sodass die Prüfung abgeschlossen werden kann. Die fehlerhafte Leitung wird durch einen unabhängigen Leitungsschutz abgeschaltet, um eine Überlastung der verbleibenden Leitungen zu verhindern. Diese Redundanz setzt voraus, dass die Lastverteilung vor dem Fehler optimal war.

7. Referenzen

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Medizinische elektrische Geräte – Teil 1: Allgemeine Anforderungen an die grundlegende Sicherheit und die wesentlichen LeistungsmerkmaleGenf: IEC, 2012.
2. IEC 60601-2-54, Medizinische elektrische Geräte – Teil 2-54: Besondere Anforderungen an die grundlegende Sicherheit und die wesentlichen Leistungsmerkmale von Röntgengeräten für Radiographie und RadioskopieGenf: IEC, 2018.
3. IEC 60384-8, Festkondensatoren für elektronische Geräte – Teil 8: Festkondensatoren mit keramischem Dielektrikum, Klasse 1Genf: IEC, 2015.
4. IEC 60270, Hochspannungsprüfverfahren — TeilentladungsmessungenGenf: IEC, 2015.
5. Erickson, RW, und Maksimović, D., Grundlagen der Leistungselektronik, 3. Aufl. Cham: Springer, 2020.
6. Mohan, N., Undeland, TM, und Robbins, WP, Leistungselektronik: Wandler, Anwendungen und Design, 3. Aufl. Hoboken, NJ: Wiley, 2003.
7. H. Wang und F. Blaabjerg, Zuverlässigkeit von Kondensatoren für DC-Zwischenkreisanwendungen in leistungselektronischen Umrichtern – Ein ÜberblickIEEE Transactions on Industry Applications, Band 50, Nr. 5, S. 3569–3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
8. C. Oria, A. Ortiz, D. Ferreño, I. Carrascal und I. Fernández, Aktueller Überblick über die Leistungsfähigkeit von Zellulose-Dielektrika in Leistungstransformatoren: Mechanisches Verhalten und AlterungIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Bd. 26, Nr. 3, S. 939–954, 2019. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.007896
9. GB/T 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Festkondensatoren zur Verwendung in elektronischen Geräten – Teil 1: Fachgrundspezifikation). Peking: 国家市场监督管理总局, 2024.
10. Entwicklung von BME X7R Mehrschicht-Keramikkondensatoren mit hoher Kapazität und hoher Spannung, KEMET Electronics (CARTS USA 2011 Proceedings), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com