Hochspannungskondensatoren für tragbare 18-kV-NDP-Quellen von Boost Marx

Hochspannungskondensatoren für tragbare 18-kV-NDP-Quellen von Boost Marx

Abstract

Ein tragbares NDT-Gerät wird mit einem 24-V- bis 500-V-Akku betrieben, die Prüfröhre benötigt 18 kV. Die Boost-Marx-Topologie verwendet in jeder Stufe eine Aufwärtswandlerzelle, sodass ein einzelner SiC-MOSFET-Treiber die Akkuspannung um das 36-Fache erhöht. Der Stufenkondensator arbeitet dann mit mehreren hundert Kilohertz, und seine Verluste bestimmen die Wiederholrate, die Akkulaufzeit und die Kantenschärfe. Dieser Artikel beschreibt die Verstärkungs- und Verlustwerte sowie die Qualifizierungsschritte.

1. Einleitung

Ein tragbares NDT-Gerät wird mit einem Akku mit 24 V, 48 V oder maximal 500 V betrieben. Die Röntgenröhre benötigt jedoch mindestens 18 kV. Diese Spannungsdifferenz zwischen Akku und Röhre stellt das zentrale Problem einer akkubetriebenen Impulsquelle dar.

Ein klassischer Marx-Generator benötigt eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung. Diese erfordert ein sperriges Netzteil und beschränkt die gesamte Konstruktion auf einen Betrieb mit geringem Energieverbrauch über ein Netzkabel.

Liang et al. (IEEE Trans. Ind. Electron., 2023) verwenden in jeder Stufe eine Boost-Zelle. Aus einer Eingangsspannung von 500 V wird eine Ausgangsspannung von 18 kV, was einer Verstärkung von 36× entspricht. Ein einziger SiC-MOSFET-Treiber steuert den gesamten Stack.

Der Stufenkondensator ist dann Strömen im Effektivbereich von mehreren hundert Kilohertz und Ampere ausgesetzt. Dieser Artikel beschreibt die Verstärkungsbeziehungen, die Verlustfaktoren und die Eignungstests für diesen Einsatzbereich.

2. Kernmechanismus

2.1 Spannungsverstärkung in der Boost-Marx-Topologie

Jede Stufe erhöht die Spannung des Akkus, bevor die Stufen zum Stapel hinzugefügt werden:

V_out = n · V_stage

wobei V_out die Ausgangsspannung in V, n die Stufenanzahl und V_stage die Spannung der verstärkten Stufe in V ist.

Der Gesamtgewinn ergibt sich aus der Anzahl der Stufen und dem Boost-Verhältnis pro Stufe:

G = V_out / V_in = n · (V_stage / V_in)

Dabei ist G die Spannungsverstärkung, V_out die Ausgangsspannung in V, V_in die Eingangsspannung in V, n die Stufenanzahl und V_stage die Spannung der verstärkten Stufe in V. Bei 500 V Eingangsspannung und 18 kV Ausgangsspannung ist G = 36.

2.2 Energie und Verluste im Stufenkondensator

Die gespeicherte Energie pro Schuss folgt der üblichen Beziehung:

E = ½ · C · V_stage²

wobei E die gespeicherte Energie in J, C die Stufenkapazität in F und V_stage die verstärkte Stufenspannung in V ist.

Bei der Schaltfrequenz befinden sich zwei Verlustterme in der Stufe:

P_ESR = I_rms² · ESR

wobei P_ESR der ohmsche Verlust in W, I_rms der Effektivwert des Kondensatorstroms in A und ESR der äquivalente Serienwiderstand in Ω ist.

P_DF = 2π · f · C · V² · DF

wobei P_DF der dielektrische Verlust in W, f die Schaltfrequenz in Hz, C die Stufenkapazität in F, V die Stufenspannung in V und DF der Verlustfaktor ist.

Ein 20-stufiger Verstärkerstapel bei 200 kHz, 1.5 A_eff pro Stufe und 50 mΩ ESR verbraucht im Gehäuse 20 × 1.5² × 0.05 = 2.25 W. Dieser Wert ist auf einem Prüfstand gering, aber in einem geschlossenen Gehäuse ohne Luftzirkulation hoch.

2.3 Die Verluste müssen bei der Schaltfrequenz gemessen werden.

Ein Impulskondensator wird häufig für 1 kHz spezifiziert. Die hier verwendete Stufe arbeitet mit 200 kHz, und die Verluste skalieren mit der Frequenz. Ein bei 1 kHz angegebener Verlustfaktor (DF) sagt wenig über die Wärmeentwicklung bei 200 kHz aus.

Der Stufenkondensator wird bei jedem Schaltvorgang einer Impulsspannung von über 200 V ausgesetzt. Der Strom steigt mit der Wiederholrate, und die Verluste steigen quadratisch mit diesem Strom.

2.4 Der Temperaturanstieg bestimmt die Wiederholungsrate

Der Temperaturanstieg im Gehäuse folgt den Wärmeverlusten und dem Wärmepfad. Bei 0.4 W pro Stufe über 20 Stufen verlassen 8 W als Wärme den Wärmespeicher, und die Gehäusetemperatur steigt so lange, bis der Wärmewiderstand die Wärmeverluste ausgleicht.

Ein Bauteil mit einem ESR von 100 mΩ verbraucht bei 2 A_eff pro Stufe die vierfache Energie eines Bauteils mit 25 mΩ. Die Leistungsreduzierungskurve begrenzt die Wiederholrate, bevor die Röhre ihre Nennleistung erreicht.

Abb. 1 — Zwanzig Stufen mit je 0.4 W liefern 8 W in einem abgedichteten Kopf, was die Wiederholrate begrenzt, bevor die Röhre ihre Nennleistung erreicht.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Die Selbsterwärmung des Kondensators begrenzt die Wiederholrate

Der Boost-Marx arbeitet mit Hunderten von Kilohertz, und der Effektivstrom durch den Stufenkondensator erreicht den Amperebereich. Die Eigenerwärmung stellt die erste Grenze für die Wiederholrate und das Tastverhältnis dar.

Ein Bauteil mit 100 mΩ bei 2 A_eff verbraucht in einem Gehäuse ohne Kühlraum 0.4 W. Über 20 Stufen ergibt das 8 W Abwärme im Inneren des Geräts.

Problempunkt 2: Die Batterieenergie setzt die Effizienzgrenze

Die Energie in einem Akkupack ist eine feste Anzahl von Wattstunden, daher muss der Wirkungsgrad für einen sinnvollen Arbeitstag über 85 % liegen. Die Kondensatorverluste müssen unter 5 % der abgegebenen Impulsenergie bleiben.

Ein Dielektrikum der Klasse II mit einem DF von 1 bis 3 % verfehlt dieses Ziel bei 200 kHz um eine Größenordnung, und die Batteriekosten machen sich durch eine kürzere Verschiebung bemerkbar.

Problempunkt 3: Lautstärke und Spannungsangabe stehen im Widerspruch zueinander

Der Stufenkondensator muss eine Nennspannung von über 200 V aufweisen, und durch Reduzierung der Nennspannung erreicht er 400 V oder mehr. Das gesamte tragbare Gerät hat dennoch einen begrenzten Platzbedarf.

Dünnschichtbauteile dieser Leistungsklasse benötigen das Zwei- bis Dreifache des Volumens vergleichbarer Keramikbauteile. Elektrolytische Bauteile können den Restwelligkeitsstrom bei 200 kHz nicht ableiten. Keramikbauteile gleicher Leistungsklasse benötigen hingegen nur etwa die Hälfte des Volumens vergleichbarer Bauteile.

Problempunkt 4: Die Schleifeninduktivität verringert den Wirkungsgrad der Aufwärtswandlerfunktion.

Jedes Nanohenry an Schleifeninduktivität verringert den Wirkungsgrad der Verstärkungsstufe und rundet die Entladeflanke ab. Radial angeschlossene Leitungen erhöhen die Induktivität um 10 nH bis 20 nH pro Verbindung, und die Akkumulation über den Stapel dämpft den Ausgangsimpuls.

Für eine enge Schleife sind eine ESL-arme Gehäusekonstruktion und eine laminierte Stromschiene erforderlich. Eine 20 nH-Verbindung bei 200 kHz erhöht die Impedanz des Entladungspfads um etwa 25 Ω.

Problempunkt 5: Dielektrische Drift verändert die Verstärkung

Die Verstärkung G = n · (V_stage / V_in) hängt von der Aufwärtswandlung ab, daher verändert die Kapazitätsdrift in den Stufenteilen die abgegebene Energie zwischen den Schüssen.

Ein Bauteil der Schutzklasse II, dessen Drift sich mit der Temperatur um 10 bis 20 % ändert, bewirkt eine Verschiebung der 18-kV-Ausgangsspannung um Hunderte von Volt im Laufe eines Feldtages. Der Detektor erfasst diese Drift als Änderung der kV-Einstellung der Röhre.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Einen Kondensator der Klasse I spezifizieren

Stellen Sie DF unter 0.1 % und ESR unter 10 mΩ bei 100 kHz ein, damit sowohl P_ESR als auch P_DF bei Hunderten von Kilohertz klein bleiben. Überprüfen Sie die Verluste im Hinblick auf den Grenzwert von 5 % am ungünstigsten Betriebspunkt.

An N4700 Dielektrikum der Klasse I Die Temperaturkoeffizienten (TCC) betragen ±30 ppm/°C, wodurch die Verstärkung ohne aktive Kompensation stabil bleibt. Überprüfen Sie die Kapazität unter Gleichstromvorspannung, da die Stufe dauerhaft mit 200 V oder mehr betrieben wird.

Strategie 2: Integration der Stufenkondensatoren in eine laminierte Stromschiene

Montieren Sie die Bauteile der Bühne direkt auf einer laminierten Leiterplatten-Sammelschiene und halten Sie die Anschlusslänge unter 5 mm, damit die zusätzliche Induktivität pro Verbindung unter 5 nH bleibt. Verlegen Sie den Rückleiter unterhalb der Hochspannungsebene.

Prüfen Sie den Boost- und den Entladekreis als zwei separate Stromkreise, da beide hohe Spannungsänderungen (dV/dt) aufweisen und zu den Verlusten beitragen. Eine Reduzierung der Impedanz im Entladekreis um 30 nH verringert den Flankenimpuls um denselben Faktor wie das Impedanzverhältnis.

Strategie 3: ESL-Kontrolle und Zuordnung auf Teilebene

Geben Sie einen ESL-Wert unter 30 nH pro Stufe an und verwenden Sie die 15-nH-Schraubklemmenoption für die oberen Stufen. Bestellung HVCT8G Türknaufkondensatoren als übereinstimmende Paare mit einer Abweichung von ±2%, sodass jede Stufe auf die gleiche Weise verstärkt wird.

Dokumentieren Sie die gemessenen Werte für C und ESR pro Stufe. Sowohl die Verstärkungskalibrierung als auch die Felddiagnostik benötigen diese Aufzeichnung, da eine einzelne driftende Stufe den Summenausgang beeinflusst.

Strategie 4: Wärmeleitung mit Zwangsluftzufuhr steuern

Verwenden Sie Zwangsluft, um die Gehäusetemperatur bei maximaler Wiederholrate unter 20 °C zu halten. Vergleichen Sie die gemessene Temperaturerhöhung mit der Berechnung (Abweichung ±5 °C), da ein abgedichteter Kopf keinen Spielraum für eine Überhitzung lässt.

Verwenden schnelle Hochspannungsdiode in jeder Boost-Zelle, mit einer Erholungszeit unter 100 ns, sodass der Gleichrichter bei 200 kHz keine zusätzlichen Verluste verursacht.

Strategie 5: Pulslebensdauer für den Dauerbetrieb mit Batterie qualifizieren

Prüfen Sie, ob die γ-Impulsreserve bei Betriebsspannung mindestens 3× beträgt, und reduzieren Sie die Stufenspannung auf 60 % bis 70 % des Nennwerts. Stellen Sie eine stabile Kapazität im Temperaturbereich von −30 °C bis +85 °C sicher, damit die Ausgangsspannung zwischen Kalibrierung und Datenerfassung nicht schwankt.

Führen Sie am ersten Prüfling einen beschleunigten Lebensdauertest mit 10⁶ Schüssen bei maximaler Wiederholungsrate durch. Da bei einem tragbaren Gerät kein Kondensatorwechsel während der Lebensdauer möglich ist, muss die Qualifizierung die gesamte Feldlebensdauer abdecken.

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 N4700-Kondensatoren für Boost-Marx-Stufen

Die 36-fache Verstärkung gilt, wenn jede Stufe die gleiche Ladung bei gleichen Verlusten führt. HVC fertigt N4700-Bauteile der Klasse I für diesen Einsatz 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

• Der ESR-Wert liegt bei 100 kHz unter 10 mΩ und der DF-Wert unter 0.1 %. Beide Verlustfaktoren bleiben innerhalb der 5-%-Grenze, sodass der Gehäuseanstieg bei der Nennwiederholfrequenz unter 15 °C bleibt.
• Kein Elektrolyt, kein Austrocknen. Das keramische Dielektrikum enthält keine Flüssigkeit, die verdunsten kann, daher gibt es in einem täglich betriebenen Batteriegerät keinen Verschleißmechanismus.
• Die γ-Impulsreserve beträgt mehr als das Dreifache, die Teilentladung unter 5 pC bei 1.5-facher Nennspannung. Die Stufe ist für kontinuierliche Lade- und Entladezyklen geeignet.
• ESL unter 30 nH als Standard, mit einer Schraubanschlussoption von 15 nH, sodass die Boost- und Entladeschleifen bei 200 kHz effizient bleiben.
• Etwa 50 % des Volumens vergleichbarer Konkurrenzprodukte bei gleicher Leistung, bei 30 % kleinerem Platzbedarf. Ein Tascheninstrument und ein Rucksackinstrument unterscheiden sich genau um diesen Wert.
• Zusammengehörige Teile für dieselbe Zelle: HVRGXP-Abtastwiderstände für den aktuellen Monitor und HVR-BSP Dickschichtwiderstände für das Dämpfungsnetzwerk des Torantriebs.

Lieferung und Support

Standardbauteile werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen, aufeinander abgestimmte Stufensätze innerhalb von 6 bis 10 Wochen geliefert. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt die Verlustberechnung, die Stromschienenauslegung, die thermische Auslegung und die Auswahl der passenden Verstärkerstufenpaare.

Bitte senden Sie die Stufenanzahl, die Eingangsspannung, die Schaltfrequenz und das Tastverhältnis. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen ein entsprechendes Datenblatt mit dem ESR-Wert bei der Betriebsfrequenz, den PD-Daten bei 1.5-facher Nennspannung sowie ein Zwei-Muster-Kit. Folienkondensator Bankübergänge sind verfügbar, wo ein Entwurf noch einen benötigt, und der HVC Querverweis Die Tabelle umfasst Teilenummern von Murata, TDK und Vishay.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Wie erreicht ein 500-V-Akkumulator eine Spannung von 18 kV?

Jede Stufe enthält eine Boost-Zelle, die die Spannung des Akkus erhöht. Die Stufen werden dann in Reihe geschaltet. Die Ausgangsspannung folgt der Formel V_out = n · V_stage, und die Verstärkung beträgt G = n · (V_stage / V_in). Bei einer Eingangsspannung von 500 V und einer Ausgangsspannung von 18 kV ist daher eine Verstärkung von 36 über alle Stufen erforderlich.

Frage 2: Warum ist der Verlust durch den Stufenkondensator so wichtig?

Da die Batterieenergie begrenzt ist, müssen die Kondensatorverluste unter 5 % der abgegebenen Impulsenergie liegen, um einen Wirkungsgrad von über 85 % und eine sinnvolle Impulsverschiebung zu erreichen. Eine 100-mΩ-Stufe verbraucht bei 2 A_eff 0.4 ​​W, was bei 20 Stufen 8 W entspricht.

Frage 3: Welchen ESR-Wert benötigt eine 200-kHz-Stufe?

Unter 10 mΩ bei der Betriebsfrequenz. Prüfen Sie P_ESR = I_rms² · ESR und P_DF = 2π · f · C · V² · DF bei dieser Frequenz, da ein Datenblattwert für 1 kHz die Wärmeentwicklung bei 200 kHz nicht beschreibt. Halten Sie die Gehäuseerwärmung bei der Nennwiederholfrequenz unter 15 °C.

Frage 4: Welche Spannungsreserve benötigt die Stufe?

Eine γ-bewertete Impulsreserve von über 3× bei Betriebsspannung, wobei die Stufenspannung auf 60 % bis 70 % der Nennspannung reduziert ist. Die Stufe ist wiederholten Impulsspannungen von über 200 V ausgesetzt, daher ist ein 400-V-Bauteil eine übliche Wahl für eine 200-V-Stufe.

Frage 5: Wie genau muss die Bühnenübereinstimmung sein?

Die Kapazitätsabweichung beträgt ±2 %, wobei die ESR-Streuung pro Stufe dokumentiert ist. Da sich die Stufenspannungen am Ausgang addieren, verschiebt sich der Summenimpuls und damit auch die Verstärkungskalibrierung. Durch die Verwendung von angepassten Paaren und die Dokumentation der Kapazitäts- und ESR-Werte wird diese Variable eliminiert.

Frage 6: Wie kann ich eine Stufe hinsichtlich der Jahre der Batterienutzung qualifizieren?

Führen Sie einen beschleunigten 10⁶-Schuss-Test mit maximaler Wiederholrate durch und vergewissern Sie sich, dass die Kapazitätsdrift innerhalb von ±2 % bleibt und der Gehäuseanstieg unter dem Grenzwert liegt. Prüfen Sie den Tieftemperaturbereich bei −30 °C, da ein tragbares Messgerät beim Start kalt ist und sich im Betrieb erwärmt.

7. Referenzen

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