Resonante Ladung durch Linearbeschleuniger: DeQing-Diode in Sperrrichtung

Resonante Ladung durch Linearbeschleuniger: DeQing-Diode in Sperrrichtung

Abstract

Die DeQing-Diode unterbricht den Resonanzladestrom und hält die PFN-Spannung, während der Modulator auf das Zünden wartet. Ihr Sperrverhalten bestimmt den Ladewirkungsgrad, die Genauigkeit der PFN-Spannung und die Belastung des Schalters. Eine Diode mit einer Sperrverzögerungszeit (trr) von 350 ns erreichte einen Wirkungsgrad von 82 %; ein Diodenteil mit weicher Sperrverzögerungszeit (150 ns) erreichte 91 % und senkte die Sperrschichttemperatur um 33 °C. Dieser Artikel beschreibt die Sperrverzögerungsgleichungen, die Auswahlgrenzen sowie die Auslegung von Wärmeableitung und Dämpfung.

1. Einleitung

Ein Linearbeschleuniger lädt einen PFN (Physical Fiber Nano) über einen LC-Schwingkreis von einem Gleichstromzwischenkreis auf. Die Ladung dauert 1 bis 3 ms. Anschließend sperrt die DeQing-Diode, der PFN hält seine Spannung, und der Schalter wartet auf das Triggersignal.

Die Diode leitet den Ladestrom in Durchlassrichtung. In der Rückwärtshälfte der Resonanzperiode muss sie schnell abschalten, damit der Leistungsfaktor nicht in die Versorgungsspannung zurückfließt. Dieser Abschaltvorgang wird als Sperrverzögerung bezeichnet und erfolgt nicht instantan.

Die gespeicherten Minoritätsträger müssen den pn-Übergang räumen, bevor die Diode sperrt. Ein langsam räumender Teil führt zu einem langen Sperrimpuls, was beim Ladegerät zu Effizienzeinbußen, einer geringeren PFN-Spannungsgenauigkeit und erhöhter Wärmeentwicklung am pn-Übergang führt.

Dieser Artikel enthält die Wiederherstellungsgleichungen, die Grenzwerte für trr, Qrr und IRM für jede Wiederholrate, die drei Feldausfälle sowie die Schritte zur Erwärmung, Dämpfung und Abschirmung, die den Ladezustand des Ladegeräts über 90 % halten.

2. Kernmechanismus

2.1 Resonantes Laden und die DeQing-Funktion

Die LC-Schleife schwingt den PFN bis zum Doppelten der Busspannung hoch und wieder herunter, wobei die Diode die Schleife am Scheitelpunkt öffnet. Der Schleifenwiderstand dämpft die Schwingung und hält den Scheitelpunkt unterhalb des Idealwerts.

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

Dabei ist V_PFN die PFN-Ladespannung, V_DC die Busspannung, R der Gesamtwiderstand der Schleife, ω die Resonanzkreisfrequenz und L die Schleifeninduktivität. Bei einer Busspannung von 25 kV und einer PFN-Sollspannung von 50 kV muss die Schleife die volle Schwingung (2×) erreichen und diese halten.

Sobald die Diode öffnet, sinkt die PFN-Spannung über den verbleibenden Leckstrompfad ab:

ΔV_PFN = (I_leakage · t_hold) / C_PFN

Dabei ist ΔV_PFN der Spannungsabfall vor dem Trigger, I_leakage der Leckstrom durch die Diode, t_hold die Wartezeit und C_PFN die PFN-Kapazität. Für eine Haltezeit von t_hold über 10 × trr benötigt ein 150 ns langes Teilsignal mindestens 1.5 µs Haltezeit.

2.2 Rückgewinnungsphasen

Die Sperrverzögerung verläuft in zwei Phasen. In der Speicherphase bleibt die Sperrschicht niederohmig, und der Sperrstrom steigt von null auf den Spitzenwert IRM an. In der Abfallphase sind die Ladungsträger verbraucht, die Sperrschicht wird hochohmig, und der Strom sinkt wieder auf den Leckstrompegel ab.

S = t_b / t_a

Dabei ist S der Weichheitsfaktor, t_a die Zeit, die der Strom benötigt, um vom IRM auf 25 % des IRM abzufallen, und t_b die Zeit, die er benötigt, um von 25 % auf den Leckstrompegel abzufallen. Ein weicher Bereich bei S über 1.5 verteilt den Abfall über die Zeit, sodass der Schleifenstrom keine sprunghafte Flanke aufweist, die Überschwingen auslösen könnte.

2.3 Rückgewinnungsstrom und seine Anpassung an die Schleife

Die Erholungsladung muss aus dem pn-Übergang austreten, bevor die Diode sperrt, und sie tritt aus der Resonanzschleife aus. Der maximale Erholungsstrom skaliert mit dem maximalen Schleifenstrom und dem Verhältnis von trr zur Resonanzhalbperiode.

I_RM = 2 · I_peak · (t_rr / t_resonant)

Dabei ist I_RM der maximale Sperrstrom, I_peak die maximale Resonanzladung, t_rr die Sperrzeit und t_resonant die Resonanzperiode. I_RM sollte unter der Hälfte des Dioden-Spannungsstoßstroms und in einem medizinischen Ladegerät unter 20 A liegen, damit der Erholungsimpuls die Schleifeninduktivität nicht anregen kann.

2.4 Rückgewinnungsverluste und Sperrschichtwärme

Jeder Ladezyklus verursacht zusätzlich zum Vorwärtsleitungsverlust einen Erholungsverlust. Der Erholungsterm skaliert mit trr, mit IRM und mit der Wiederholrate.

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

Dabei ist P_loss die Diodenverlustleistung, I_avg der mittlere Vorwärtsstrom, V_F der Vorwärtsspannungsabfall, I_RM der maximale Erholungsstrom, t_rr die Erholungszeit und f_charge die Ladungswiederholrate. Bei 2 A, 2 V, 10 A, 100 ns und 200 Hz beträgt der Leitungsanteil 4 W und der Erholungsanteil 0.1 W, sodass die Diode insgesamt 4.1 W verbraucht.

Abb. 1 — Eine harte Erholung bei S = 0.8 erfolgt in 48 ns, im Vergleich zu 150 ns bei einem weichen Teil bei S = 2.5, sodass die weiche Erholung den Schleifenring klein hält.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Lange Ladezeit verringert die Ladeeffizienz

Ein Bauteil mit einer Impulsdauer (trr) von 350 ns sendet bei jedem Ladezyklus einen langen Rückwärtsimpuls. Das Ladegerät verliert dabei 9 % der in den Ladekreis eingespeisten Energie. Ein Serviceteam maß eine Ladeeffizienz von 82 % an einem Varian 21EX und 91 % nach dem Austausch eines Bauteils, ohne dass weitere Änderungen an der Schaltung vorgenommen wurden.

Problempunkt 2: Harte Wiederherstellung überflutet die Schleife mit Klingeln

Ein Bauteil mit harter Abschaltgeschwindigkeit bei S = 0.8 schaltet innerhalb weniger zehn Nanosekunden ab. Dieser Schaltvorgang beeinflusst die Schleifeninduktivität und die Diodenkapazität, wodurch sich ein Schwingkreis über die Schaltschrankverdrahtung ausbreitet. Die gemessenen elektromagnetischen Störungen (EMI) sanken um 20 dB, nachdem dieses Bauteil durch ein Bauteil mit weicher Abschaltgeschwindigkeit bei S = 2.5 ersetzt wurde.

Problempunkt 3: Die Rückgewinnungsladung erhitzt den Übergang

Der Erholungsterm ist bei 200 Hz gering und steigt mit der Wiederholfrequenz. Erhöht man die Frequenz derselben Diode von 200 Hz auf 1,000 Hz, so verfünffacht sich der Erholungsverlust. Gleichzeitig steigt die Temperatur des pn-Übergangs gegenüber dem Gehäuse von 32 °C auf 65 °C, und die Erholungszeit verlängert sich mit der Temperatur.

Problempunkt 4: Alterung erhöht trr und Qrr

Eine acht Jahre lang betriebene Diode weist eine gealterte Sperrschicht auf. Bei einer Diode driftete die Sperrverzögerungszeit (trr) von 250 ns auf 380 ns, die Sperrschichtkapazität (Qrr) von 900 nC auf 1,500 nC und die Spannungsgenauigkeit (PFN) von ±0.5 % auf ±2.5 %. Das Ladegerät fällt daraufhin etwa einmal pro Woche aus, und der Fehler wird zunächst als Versorgungsspannungsproblem erkannt, bis die Diode vermessen wird.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: trr anhand der Wiederholungsrate festlegen

Das Bauteil muss der Laderate angepasst werden. Bei 100 Hz bis 200 Hz ist eine Ladezeit (trr) von bis zu 500 ns zulässig. Bei 200 Hz bis 400 Hz sollte die Ladezeit unter 200 ns liegen. Oberhalb von 500 Hz, was den UHDR-Bereich abdeckt, sollte die Ladezeit unter 100 ns liegen. Ein für den langsamsten Modus ausgewähltes Bauteil beeinträchtigt die Effizienz im schnellsten Modus.

Strategie 2: VRRM um die Hälfte reduzieren

Der Rückspannungsimpuls beim Abschalten erhöht die PFN-Spannung und die Busspannung. Dimensionieren Sie die Nennspannung für die Summe zuzüglich des Überschwingens:

V_RRM ≥ V_PFN_max + V_DC + ΔV_overshoot

Dabei ist V_RRM die Nennspannung für wiederholte Rückwärtsbeanspruchung, V_PFN_max die maximale PFN-Spannung, V_DC die Busspannung und ΔV_overshoot der Spannungsspitzenwert, der das 0.1- bis 0.2-Fache der PFN-Spannung beträgt. Eine 50-kV-PFN an einem 25-kV-Bus benötigt demnach 80 kV, sodass die 120-kV-Komponente eine Sicherheitsreserve bietet.

Strategie 3: Einen weichen Wiederherstellungsbereich festlegen

Fordern Sie einen Weichheitsfaktor über 1.5 und prüfen Sie ihn chargenweise. Eine sanfte Abschaltverzögerung hält di/dt beim Abschalten niedrig, wodurch die elektromagnetischen Störungen (EMI) innerhalb der Grenzwerte der IEC 60601-1 bleiben und die Transformatorisolierung geschützt wird. Ein starres Bauteil spart keine Kosten und erfordert später einen zusätzlichen Dämpfungsregler.

Strategie 4: Dimensionierung des Kühlkörpers anhand des Wärmeverlusts

Berechnen Sie den Verlustleistungsverlust (P_loss) bei der höchsten Wiederholrate und der höchsten Busspannung. Berücksichtigen Sie den Widerstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse sowie den Widerstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper. Halten Sie die Sperrschichttemperatur unter 125 °C. Eine 4.1-W-Diode an einem Kühlkörper mit einer Wärmeleitfähigkeit von 10 °C/W erwärmt sich um 41 °C über die Umgebungstemperatur, die ein 40 °C warmes Gehäuse umschließt.

Strategie 5: Fügen Sie einen RC-Snubber parallel zur Diode hinzu.

Schließen Sie an jede Diode einen Widerstand von 10 Ω bis 100 Ω und einen Kondensator von 100 pF bis 470 pF an. Der Snubber fängt den Erholungsimpuls ab und dämpft die Schleifenschwingung. Verwenden Sie einen HVR-BSP Dämpfungswiderstand, ausgelegt für die Spitzenenergie.

Strategie 6: Screen trr und Qrr im Service

Messen Sie die Erholungszeit einmal jährlich und tauschen Sie die Diode aus, sobald der Wert um 50 % über den Ausgangswert ansteigt. Eine Abweichung von 150 ns auf 380 ns führt zu einem wöchentlichen Ladefehler. Ein planmäßiger Austausch bei 250 ns kostet eine Diode und spart einen Behandlungstag.

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-Dioden und -Kondensatoren für den Ladekreis

Der Ladekreis benötigt eine Diode mit kurzem und weichem Schaltverhalten sowie einen Kondensator, der seinen Wert während des gesamten Ladevorgangs beibehält. HVC fertigt beides in einem 6,000 m² großen Werk in Dongguan für Spannungen von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Die Wiederholrate (trr) reicht von 75 ns bis 250 ns. Die HVD-Serie deckt einen Spannungsbereich von 20 kV bis 200 kV ab, sodass das Bauteil anhand der Wiederholrate und nicht anhand des verfügbaren Lagerbestands ausgewählt werden kann.
• Weichheitsfaktor von 2.0 bis 3.0. Die Erholung bleibt über die gesamte Charge hinweg weich, wodurch die EMI-Marge erhalten bleibt und die Spannungsspitzen um 40 % reduziert werden.
• QRR 40 % bis 60 % unter einem Standard schnelle ErholungsdiodeEine geringere gespeicherte Ladung bedeutet weniger Schleifenstörungen und eine kürzere Haltezeit.
• di/dt-Werte über 500 A/µs und dv/dt-Werte über 15 kV/µs. Beide decken den schnellen Ladeanstieg ab, den ein Halbleitermodulator benötigt.
• Snubber- und Schleifenkondensatoren. HVCT8G und Dielektrikum der Klasse I Die Bauteile halten den Schleifenwert, wobei der ESR unter 50 mΩ und der ESL unter 8 nH liegt.
• Koordinierte Strommessung. HVRGHP-Abtastwiderstände Messen Sie den Ladestrom in derselben Schleife und vergleichen Sie die Diodengruppe als Referenz. Vishay FRED-Teile.

Lieferung und Support

Standarddioden werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen geliefert, passende Ladesätze innerhalb von 6 bis 10 Wochen – im Vergleich zu den üblichen 20 bis 30 Wochen bei importierten Marken. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt Sie bei der Auswahl der Sperrschichttemperatur (trr), der Auslegung der Snubber-Technologie, der Wärmeableitung und der Lebensdauerprognose anhand der Sperrschichttemperatur.

Senden Sie die PFN-Spannung, die Busspannung, die Wiederholrate und die Schleifeninduktivität. HVC liefert Ihnen innerhalb von fünf Werktagen eine Diodenauswahl mit Wiederherstellungsdaten, ein Snubber-Blatt und einen Testdatensatz mit zwei Mustern.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Wie kurz muss die DeQing-Diode trr sein?

Die Ladewiederholrate ist entscheidend. Bei 100 Hz bis 200 Hz ist eine Ladewiederholrate (trr) bis zu 500 ns möglich. Bei 200 Hz bis 400 Hz sollte die trr unter 200 ns liegen. Oberhalb von 500 Hz (für UHDR-Betrieb) muss die trr unter 100 ns liegen. Ein Bauteil mit einer Ladewiederholrate von 350 ns erreichte in einem 200-Hz-Ladegerät einen Wirkungsgrad von 82 %, ein Bauteil mit 150 ns einen von 91 %.

Frage 2: Was ändert der Weichheitsfaktor?

Es legt die Abschaltgeschwindigkeit (di/dt) fest. Ein weicher Abschnitt bei S > 1.5 fällt innerhalb von t_b vom IRM ab, sodass die Schleife eine langsame Flanke erfährt und der Schwingkreis klein bleibt. Ein harter Abschnitt bei S = 0.8 schaltet schnell ab, treibt die Schleifeninduktivität an und erhöht die gemessene elektromagnetische Interferenz (EMI) um 20 dB.

Frage 3: Wie groß muss die Sperrspannungsreserve sein?

Die Diode ist für die Spannung aus PFN-Anschluss, Busspannung und Spannungsspitze auszulegen. Die Spannungsspitze beträgt das 0.1- bis 0.2-Fache der PFN-Spannung. Ein 50-kV-PFN-Anschluss an einem 25-kV-Bus benötigt demnach eine Diode mit einer Nennspannung von 80 kV. Die 120-kV-Komponente bietet eine Sicherheitsreserve für eine gealterte Leitung.

Frage 4: Wie berechne ich die Diodenverlustleistung?

Addiert man den Wärmeleitungsanteil und den Erholungsanteil, so ergibt sich die Wärmeleitung aus I_avg × V_F, was bei 2 A und 2 V 4 W ergibt. Die Erholung ergibt sich aus ½ · I_RM · t_rr · f_Charge, was bei 10 A, 100 ns und 200 Hz 0.1 W ergibt. Die Summe bestimmt die Kühlleistung.

Frage 5: Warum driftet die PFN-Spannung, während der Schalter wartet?

Da die Diode nach der Erholung einen Leckstrom aufweist, beträgt der Spannungsverlust (I_Leckstrom · t_Haltezeit) / C_PFN. Eine lange Haltezeit oder ein hoher Leckstrom verschiebt die PFN-Spannung vor den Triggerpunkt. Halten Sie t_Haltezeit über 10 × trr, was bei einem 150 ns langen Abschnitt 1.5 µs entspricht.

Frage 6: Wann sollte die Diode ausgetauscht werden?

Wenn die Übergangsspannung (trr) um 50 % über den Anfangswert steigt oder die Ladeeffizienz unter 85 % fällt, driftet die Übergangsspannung einer gealterten Diode von 250 ns auf 380 ns, und das Ladegerät fällt dann etwa einmal pro Woche aus. Ein planmäßiger Austausch bei 250 ns kostet eine Diode.

7. Referenzen

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5. Erickson, RW, und Maksimović, D., Grundlagen der Leistungselektronik, 3. Aufl. Cham: Springer, 2020.
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11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com