Topologia risonante interlacciata per generatori di raggi X ad alta potenza per tomografia computerizzata.

Topologia risonante interlacciata per generatori di raggi X ad alta potenza per tomografia computerizzata.

Astratto

I trasformatori di corrente di fascia alta richiedono una potenza istantanea del tubo compresa tra 80 kW e 100 kW entro un tempo di rotazione di 0.25 s, e una singola gamba risonante non è in grado di fornirla. Le gambe risonanti parallele interlacciate dividono la potenza e annullano l'ondulazione, ma richiedono anche un'accurata corrispondenza tra condensatori, diodi e resistori di rilevamento. Questo articolo fornisce le equazioni di ripartizione, i tre schemi di squilibrio e le fasi di selezione e progettazione per i generatori di trasformatori di corrente a quattro gambe.

1. introduzione

La TC di fascia alta si sta evolvendo verso velocità di rotazione più elevate, un maggior numero di file di rivelatori e una risoluzione più elevata. In una rotazione di 0.25 secondi, un sistema a 256 o 320 strati deve erogare da 120 kV a 140 kV con una corrente da 800 mA a 1000 mA, il che porta la potenza di picco a oltre 80 kW e oltre 100 kW nei modelli di punta.

A quella potenza, un singolo ramo risonante non ha spazio sufficiente. Una coppia di interruttori raggiunge il suo limite di corrente, un condensatore risonante non può assorbire la corrente di ondulazione e un trasformatore non può aumentare ulteriormente la sua densità di potenza. Forzare la potenza attraverso un solo ramo aumenta il volume e rende impraticabile la progettazione termica.

La risonanza parallela interlacciata divide la potenza totale in N rami, ciascuno dei quali trasporta 1/N di essa, con le fasi di pilotaggio sfasate di 360°/N. Questa configurazione supera il limite di potenza del singolo ramo e migliora al contempo l'ondulazione, la risposta dinamica e la tolleranza ai guasti.

Il costo è legato all'adattamento. Quando più rami condividono un carico, i condensatori, i diodi, le resistenze di rilevamento e i circuiti di pilotaggio di ciascun ramo devono sincronizzarsi, e piccole differenze si trasformano in grandi differenze di corrente.

2. Meccanismo fondamentale

2.1 Lo stress per gamba diminuisce con il numero di gambe

La potenza totale P_totale si divide equamente tra N condotte, quindi ogni condotta gestisce P_totale/N. In un progetto da 100 kW con quattro condotte, ogni condotta trasporta 25 kW. La corrente di picco dell'interruttore si riduce da circa 200 A in un progetto a condotta singola a circa 50 A.

La corrente di ripple del condensatore risonante diminuisce di conseguenza, passando da circa 20 A a circa 5 A. Diventano utilizzabili interruttori e condensatori più piccoli e il calore per ogni ramo si riduce a sufficienza da non rappresentare più un fattore limitante per la progettazione a causa della gestione termica.

2.2 Cancellazione delle ondulazioni nel dominio della fase

Le oscillazioni in uscita delle N gambe si sommano fuori fase, quindi l'oscillazione composita si sposta verso una frequenza più alta e un'ampiezza inferiore:

f_ripple = N · f_switch

dove f_ripple è la frequenza di ondulazione in uscita, N il numero di rami e f_switch la frequenza di commutazione di un ramo. L'ampiezza diminuisce con il quadrato del numero di rami:

ΔV_interleaved ≈ ΔV_single / N²

dove ΔV_single è l'ondulazione di uscita a singolo ramo. Con ΔV_single = 100 V, un progetto a quattro rami fornisce circa 6.25 V e richiede 1/16 della capacità del filtro di uscita del progetto a singolo ramo.

2.3 Perché la corrente di gamba segue l'impedenza di gamba

Tutte le gambe vedono la stessa tensione ai terminali paralleli V_p, quindi la corrente in ciascuna gamba è determinata dalla propria impedenza. La frequenza di risonanza della gamba i è:

f_ri = 1 / (2π · √(L · C_i))

dove C_i è la capacità di risonanza della gamba i e L l'induttanza di risonanza. L'impedenza della gamba è:

|Z_i| = |jωL + 1/(jωC_i)|

dove ω è la frequenza angolare. Una gamba con una capacità superiore del 5% rispetto a quella nominale riduce la sua frequenza di risonanza di circa il 2.4%. Al di sopra della risonanza, dove solitamente opera un circuito LCC, l'impedenza di quella gamba diminuisce dal 5% all'8% e la sua quota di corrente aumenta dall'8% al 12%.

2.4 Tolleranza ai guasti da gambe parallele

Quando una delle gambe si disattiva, le restanti N-1 continuano a funzionare a potenza ridotta e il generatore mantiene la sua uscita ad alta tensione. Per un sistema medicale, questo graduale degrado ha un valore clinico, perché permette di terminare un esame in corso.

La ridondanza è disponibile solo se la ripartizione è già rigorosa. Un progetto che si affida a un singolo elemento per più tempo del dovuto perde quel margine di sicurezza molto prima che si verifichi un guasto.

Figura 1 — Quattro gambe da 25 kW distanziate di 90 gradi portano l'ondulazione in uscita a 400 kHz e riducono l'ondulazione della singola gamba da 100 V a 6.25 V.

3. Punti critici di ingegneria

Punto critico 1: La tolleranza del condensatore viola la teoria della condivisione

Anche all'interno di un singolo codice articolo e di un singolo lotto di produzione, la tolleranza di capacità raggiunge valori compresi tra ±5% e ±10%. In una configurazione a quattro gambe, una gamba con una capacità superiore del 5% rispetto al valore nominale trasporta una corrente superiore del 10-15% rispetto alle altre tre, si surriscalda maggiormente e si usura più rapidamente.

Il circuito si autoalimenta fino al cedimento di quella specifica gamba. I dati misurati in un progetto di trasformatore di corrente ad alta potenza hanno mostrato una dispersione di corrente del 22% su quattro gambe senza schermatura e accoppiamento. Un condensatore ha perso il 12% della sua capacità dopo 2,000 ore, diventando il limite di affidabilità dell'intero generatore.

Punto critico 2: i parassiti asimmetrici amplificano lo squilibrio

La lunghezza delle tracce, la larghezza del rame e il numero di via da ciascuna gamba al trasformatore variano su un circuito stampato reale, e di conseguenza variano anche l'induttanza e la resistenza parassite. Queste differenze aumentano alle alte frequenze e sbilanciano ulteriormente la corrente.

Al di sopra dei 100 kHz, una differenza di 10 nH nell'induttanza parassita sposta la corrente di gamba di diversi ampere. Le differenze nel ritardo di propagazione dei segnali di pilotaggio, introdotte dai chip di pilotaggio, dagli optoaccoppiatori e dalle piste, aggiungono errori di fase e indeboliscono la cancellazione dell'ondulazione.

Punto critico 3: Precisione di fase e sincronizzazione temporale

L'interleaving richiede che i segnali di pilotaggio di tutte le gambe mantengano la loro relazione di fase entro 1°, che corrisponde a circa 28 ns a 100 kHz. Oltre tale punto, la cancellazione si degrada e l'ondulazione in uscita supera il valore della singola gamba.

Il tempo morto e il ritardo di pilotaggio devono inoltre corrispondere tra le diverse gambe, il che mette sotto pressione la precisione del clock e la coerenza della catena di pilotaggio del controller. In un progetto, una variazione di 50 ns del ritardo dell'optoaccoppiatore ha prodotto un errore di fase superiore a 1.8° in un sistema a quattro gambe e ha aumentato l'ondulazione in uscita del 15%.

4. Fasi di progettazione

Strategia 1: Tolleranze ristrette e uniformità dei lotti

Specificare la capacità di risonanza di ciascuna gamba con una precisione di ±5% o migliore e abbinare i componenti provenienti dallo stesso lotto di produzione. Per quattro gambe o più, stringere l'abbinamento a ±2%. Registrare il numero di lotto e la capacità misurata di ogni gamba per la tracciabilità sul campo.

La selezione e l'abbinamento della capacità a livello di lotto trasformano un problema di smistamento in una specifica, eliminando la maggior parte della dispersione di corrente prima di qualsiasi intervento di controllo.

Strategia 2: ESR basso e bassa deriva termica

Utilizzare una ceramica di Classe I come N4700 con DF inferiore allo 0.1% e TCC a ±30 ppm/°C. Il basso ESR mantiene uniforme l'autoriscaldamento di ciascuna gamba e la bassa deriva di temperatura fa sì che tutte le gambe si muovano insieme man mano che l'involucro si riscalda.

Il riscaldamento differenziale è lo squilibrio silenzioso. Quando una gamba funziona a 10 °C in più rispetto alle altre, la sua capacità e la sua ESR si separano dal resto e l'errore di condivisione cresce ad ogni scansione. Condensatori per pomello della porta HVCT8G per le principali posizioni di risonanza con elevata corrente di ondulazione e componenti HVCT9G con terminali radiali per layout compatti.

Strategia 3: Diodi accoppiati e resistori di rilevamento a bassa induttanza

Utilizzare lo stesso modello di diodo in ogni ramo e mantenere la differenza di tensione diretta tra i componenti dello stesso lotto entro 0.05 V, in modo che la perdita di rettifica sia uniforme. Un ramo con una caduta di tensione diretta maggiore funziona in uno stato termico diverso, che a sua volta influenza la temperatura del condensatore.

Percepire la corrente della gamba con Resistori planari a bassa induttanza HVRGHP, tipicamente da 0.01 Ω a 0.1 Ω, con induttanza inferiore a 5 nH per mantenere la forma d'onda della corrente non distorta alla frequenza di commutazione.

Strategia 4: Layout simmetrico del PCB

Le tracce di alimentazione dei pin sono speculari, con lunghezza, larghezza e numero di via identici. Per i condensatori risonanti, scegli un montaggio con terminali corti o senza terminali, in modo che l'induttanza parassita della connessione non influisca sul confronto.

Anche la lunghezza delle tracce di pilotaggio deve essere adattata. Laddove il layout non può essere reso simmetrico, aggiungere una linea di ritardo di troncamento ai percorsi più brevi in ​​modo che l'errore di fase rimanga entro i limiti.

Strategia 5: Condivisione digitale della corrente e protezione per gamba

Leggere la corrente di ciascuna gamba in tempo reale e regolare la larghezza dell'impulso di pilotaggio o la fase di qualsiasi gamba che si discosti di oltre ±5% dalla media. Una correzione lenta è sufficiente, poiché lo squilibrio si sviluppa con costanti di tempo termiche.

Aggiungere una protezione da sovracorrente indipendente per ciascuna fase e bloccare la fase la cui corrente esce dal suo intervallo. La disattivazione di una singola fase al momento giusto protegge il resto del gruppo e mantiene il generatore in modalità a potenza ridotta.

Strategia 6: Mantenere bassa e adattata l'impedenza del circuito

Dimensionare l'anello risonante in modo che l'impedenza caratteristica Z = √(L/C) sia sufficientemente bassa per la corrente necessaria e che la perdita ohmica P = I² · R di ciascun ramo rimanga entro la capacità termica dell'involucro. Far corrispondere i due rami mediante misurazione, non solo tramite calcolo.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Tensione nominale (serie HVCT8G)	10 kV DC	Hi-pot 1.5× per 60 s
Capacità	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	inferiore a 50 mΩ	-
Induttanza di anello (accordo E40)	inferiore a 8 nH	Distanza tra i terminali: 40 mm
resistenza di isolamento	superiore a 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Range di temperatura	da -40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2
Capacità di misurazione di impulsi dv/dt	oltre 50 kV/µs	a tensione nominale

5. Condensatori HVC per gambe risonanti interlacciate

L'interleaving premia i componenti che si comportano allo stesso modo in ogni ramo. I parametri che lo determinano sono la tolleranza di capacità di spedizione, la perdita alla frequenza di commutazione e la stabilità termica di tale perdita. HVC produce questi componenti in uno stabilimento di proprietà di 6,000 m² a Dongguan, per una gamma da 1 kV a 150 kV.

Sei parametri importanti in questo caso

• La tolleranza si mantiene entro ±5% alla spedizione. La sinterizzazione di precisione e la selezione automatizzata mantengono bassa la dispersione intra-lotto, in modo che quattro gambe mantengano la loro deviazione di corrente entro il 3% e la cancellazione dell'ondulazione raggiunga il 90% del valore teorico. Per ordini di grandi dimensioni è disponibile l'accoppiamento dei lotti con una tolleranza di ±2%.
• DF inferiore allo 0.1% sopra i 100 kHz. Con una potenza compresa tra 20 kW e 25 kW per ramo, ogni condensatore risonante rimane al di sotto di 0.5 W di autoriscaldamento e con un aumento di temperatura entro 10 °C, e l'aumento è costante da un ramo all'altro, quindi nessun ramo si sbilancia durante la scansione.
• TCC ±30 ppm/°C. Tutti i segmenti si muovono insieme nell'intervallo di temperatura di funzionamento, mantenendo stabile il punto di risonanza condiviso durante una lunga scansione continua.
• ESR nell'ordine dei milliohm. La perdita di circuito rimane bassa e uniforme su tutte le gambe, quindi la ripartizione della corrente non si separa solo perché una gamba è più vicina a un percorso d'aria.
• Componenti coordinati. Diodi ad alta tensione a recupero rapido con una dispersione della tensione diretta dello stesso lotto entro 0.05 V, HVR-BSP resistori di smorzamento tubolarie le resistenze di rilevamento planari HVRGHP possono essere selezionate come un set abbinato per il raddrizzatore, il circuito di smorzamento e il rilevamento della corrente.
• Riferimento incrociato ai marchi di primo livello. I componenti HVC corrispondono ai parametri elettrici e agli indicatori di affidabilità di Vishay HVCC, KEMET a conduttori radiali, Murata DHS/DHR e TDK UHV/FHV, e vengono utilizzati nella produzione di grandi volumi di generatori ad alta tensione per OEM di apparecchiature di imaging medicale presenti nella lista Fortune 500.

Consegna e supporto

I componenti standard vengono spediti in 4-8 settimane, mentre i set di smorzamento e abbinamento personalizzati in 6-10 settimane, rispetto alle 20-30 settimane standard dei marchi sopracitati. L'ingegneria applicativa di HVC supporta l'abbinamento interlacciato dei condensatori, la simulazione della ripartizione della corrente, la selezione di diodi e resistori e l'abbinamento in batch.

Inviate il numero di gambe, la potenza per gamba, la frequenza di commutazione, lo schema di sfasamento e la tolleranza di capacità che potete accettare. HVC vi restituirà un foglio di dati corrispondente con i codici articolo per ciascuna gamba e i dati misurati di capacità, DF e ESR, insieme a un kit di valutazione con due campioni, entro cinque giorni lavorativi.

6. Domande frequenti

D1: Quanta potenza possono sopportare quattro gambe intrecciate?

Le gambe si dividono equamente il totale, quindi quattro gambe trasportano quattro volte la potenza che una singola gamba può sopportare. In un progetto da 100 kW, ogni gamba gestisce 25 kW, la corrente di picco dell'interruttore scende da circa 200 A a circa 50 A e la corrente di ripple del condensatore risonante scende da circa 20 A a circa 5 A.

D2: Quanto deve essere precisa la tolleranza del condensatore?

±5% o migliore per ogni parte e ±2% di corrispondenza tra le gambe per i progetti a quattro gambe. Una gamba con un valore superiore del 5% rispetto al valore nominale assorbe dall'8% al 12% di corrente in più, quindi la tolleranza è il parametro che determina se le gambe condividono la corrente. L'accoppiamento dei lotti è il metodo pratico per raggiungere ±2%.

D3: Qual è la causa dello squilibrio di corrente tra le gambe?

Tre fattori: tolleranza di capacità tra i condensatori risonanti, induttanza parassita asimmetrica nelle tracce dei rami e temperatura non uniforme dei rami. Al di sopra di 100 kHz, una differenza di soli 10 nH sposta diversi ampere. Accoppiare i condensatori, replicare il layout e leggere la corrente di ciascun ramo nel circuito di controllo.

D4: Quanto deve essere preciso lo sfasamento?

Entro 1°, che corrisponde a circa 28 ns a 100 kHz. Oltre tale valore, la cancellazione dell'ondulazione si indebolisce. In un sistema a quattro gambe, una variazione di 50 ns del ritardo dell'optoaccoppiatore ha prodotto un errore di fase di 1.8° e ha aumentato l'ondulazione in uscita del 15% rispetto al valore a gamba singola, il che ha reso necessaria una riprogettazione del circuito di pilotaggio.

D5: L'interleaving riduce l'ondulazione dell'output?

Sì, in base al quadrato del numero di gambe. Quattro gambe spostano l'ondulazione a 4 volte la frequenza di commutazione e ne riducono l'ampiezza a 1/16, quindi la capacità del filtro di uscita può scendere a 1/16 del valore a gamba singola. La riduzione si mantiene solo finché le gambe rimangono sincronizzate in ampiezza e fase.

D6: Cosa succede se una delle gambe si guasta durante il funzionamento?

Le gambe rimanenti continuano a funzionare a potenza ridotta e il generatore mantiene la sua uscita, consentendo il completamento di un esame. Isolare la gamba guasta con una protezione indipendente per ciascuna gamba, in modo che le gambe rimanenti non vengano sovraccaricate. Questa ridondanza dipende dal fatto che la ripartizione sia ottimale prima del guasto.

7. Riferimenti

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