LINAC-Impulsanstiegszeit: PFN-Kondensator-ESR und ESL

LINAC-Impulsanstiegszeit: PFN-Kondensator-ESR und ESL

Abstract

In einem Linearbeschleuniger-Modulator ergibt sich die Anstiegszeit des PFN-Impulses aus der Schleifeninduktivität und dem Teilwert, die flache Spitze aus dem ESR. Dieser Artikel analysiert die Sprungantwort eines RLC-Schwingkreises und untersucht die relevanten Kennzahlen: Dämpfungsgrad, Anstiegszeit, Überschwingen und Schwingperiode. Messdaten zeigen eine Reduzierung der Anstiegszeit von 250 ns auf 80 ns und der Schwingperiode von ±15 % auf ±4 % nach einer Verbesserung von ESL und ESR.

1. Einleitung

Die Anstiegszeit eines Entladungsimpulses bestimmt die Mikrowellen-Startzeit und die spektrale Reinheit des Magnetrons. Die Felddaten umfassen drei Bereiche. Eine Anstiegszeit von über 300 ns verbreitert das Spektrum und führt zu einer niedrigen Dosisleistung zu Beginn des Impulses. Eine Anstiegszeit unter 50 ns sendet eine reflektierte Welle zurück in die Röhre und begünstigt Modensprünge und Lichtbogenbildung. Der Arbeitsbereich liegt zwischen 80 ns und 200 ns.

Die Bauteile, die die Anstiegszeit bestimmen, befinden sich in der Schleife zwischen dem PFN-Regler und dem Schalter. Etwa 35 % der Modensprungfehler lassen sich auf den ESR und den ESL dieser Schleife zurückführen, wobei die Röhre selbst intakt ist.

Dieser Artikel enthält das Sprungantwortmodell, die Werte für das Dämpfungsverhältnis und die Anstiegszeit, die Layoutregeln, die die Schleife unter 50 nH halten, und die Messergebnisse einer vollständigen Modernisierung einer installierten Maschine.

2. Kernmechanismus

2.1 Die Schleife als Netzwerk zweiter Ordnung

Die Entladeschleife enthält den PFN-Wert, den Teil-ESR, den Teil-ESL und die Schleifeninduktivität. Zusammen bilden sie ein Netzwerk zweiter Ordnung, und die Impulsform ergibt sich aus einem Verhältnis.

ζ = (R_ESR + R_load) / (2 · √(L_total / C))

wobei ζ das Dämpfungsverhältnis, R_ESR der Teilverlust in mΩ, R_load die Lastimpedanz in Ω, L_total die gesamte Schleifeninduktivität in nH und C der PFN-Wert in nF ist.

Aus diesem Verhältnis ergeben sich drei Fälle. Oberhalb von 1 ist die Schleife überdämpft: Der Impuls steigt langsam an und verliert am Maximum an Amplitude. Bei 1 ist sie kritisch gedämpft: Der Anstieg ist steil und ohne Überschwingen. Unterhalb von 1 ist sie unterdämpft: Der Anstieg ist steil und der Impuls hat einen Nachhall.

2.2 Anstiegszeit der Schleifeninduktivität

Im Arbeitsband eines Modulators entspricht die Anstiegszeit dem Produkt aus der Quadratwurzel der Schleifeninduktivität und dem Wert.

t_r ≈ 3.3 · √(L_total · C)

wobei t_r die Anstiegszeit in ns, L_total die gesamte Schleifeninduktivität in nH und C der PFN-Wert in nF ist.

Bei 2 nF und 33 nH beträgt die Anstiegszeit 85 ns. Bei denselben Werten und 63 nH beträgt sie 118 ns. Der Wert ist durch die vom Impuls zu transportierende Energie vorgegeben, daher ist die Schleifeninduktivität der relevante Parameter.

2.3 Flacher Verlauf der ESR

Der ESR-Wert entnimmt dem Impuls Spannung über die gesamte Breite des oberen Endes.

V_drop = I_pulse · ESR

wobei V_drop der Spannungsabfall am ESR in V, I_pulse der Impulsstrom in A und ESR der Teilverlust in mΩ ist.

Bei 1000 A und 100 mΩ beträgt der Spannungsabfall 100 V, was 0.2 % eines 50-kV-Impulses entspricht. Bei 500 mΩ fällt der gleiche Strom um 1 % ab, und die Dosisleistung ändert sich entsprechend. Der Nachschwingvorgang des Impulses muss ebenfalls gedämpft werden; der ESR-Wert ist das Dämpfungsglied.

2.4 Eigenresonanzfrequenz

Ein Bauteil verhält sich oberhalb seiner Eigenresonanzfrequenz nicht mehr wie ein Wert, ab der die ESL die Kontrolle übernimmt.

f_SRF = 1 / (2π · √(ESL · C))

wobei f_SRF die Eigenresonanzfrequenz in MHz, ESL die Bauteilinduktivität in nH und C der Bauteilwert in nF ist.

Ein HVC-Bauteil mit niedriger Induktivität und einer ESL unter 3 nH weist eine Eigenresonanzfrequenz von 60 MHz bis 130 MHz über einen Kapazitätsbereich von 100 pF bis 4.7 nF auf. Das Entladungsspektrum eines PFN liegt im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, sodass das Bauteil während des gesamten Impulses kapazitiv bleibt.

Abb. 1 — Der N4700-Teil hält die 2 nF-Schleife im 80-200 ns-Band, während ein 15 nH ESL-Teil 200 ns bei gleicher Schleifeninduktivität durchlässt.

3. Schwachstellen im Engineering

Problempunkt 1: Häufiges Umschalten zwischen den Modi wird der U-Bahn angelastet.

Eine Maschine beginnt mehrmals im Monat zwischen verschiedenen Betriebsmodi zu wechseln. Die Röhre wird ausgetauscht, der Fehler tritt jedoch erneut auf. Die Messung des Impulses zeigt die eigentliche Ursache: Die Anstiegszeit hat sich auf 280 ns verlängert, und der Impuls weist eine Schwingung von ±15 % mit einer Periode von 35 ns auf. Die Röhre reagiert auf diese Schwingung, die durch die Regelschleife verursacht wird.

Problempunkt 2: Anstieg der Blutsenkungsgeschwindigkeit bei Hitze

Ein Bauteil der Schutzklasse II erreicht bei 85 °C das Dreifache seines ESR-Wertes bei 25 °C. Die ebene Oberseite ist bei kaltem Gerät eben, senkt sich jedoch nach einer Stunde Betrieb ab, wodurch die Dosisleistung im Laufe des Tages schwankt. Eine Überprüfung an einem einzelnen Messpunkt erfasst dies nicht. Ein Bauteil der Schutzklasse I hält denselben Bereich innerhalb des 1.2- bis 1.5-Fachen.

Problempunkt 3: Induktivität der mitgelieferten Leitungen

Eine lange Zuleitung erhöht die Induktivität um etwa 1 nH pro Zentimeter. Ein Türknauf mit einer 20 mm langen Zuleitung verursacht zusätzlich zur internen Induktivität eine Zuleitungsinduktivität von 2 nH, und die Montageflächen tragen weitere 2 nH bei. Die Gehäuseform und das Layout bestimmen die Anstiegszeit vor der Schaltung.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Stellen Sie das Dämpfungsverhältnis auf etwa 1 ein.

Arbeiten Sie mit dem Schleifenwiderstand, der Last und den Teilverlusten. Fügen Sie bei unterdämpfter Schleife einen kleinen Serienwiderstand von 50 mΩ bis 200 mΩ hinzu und überprüfen Sie erneut den flachen Verlauf. Halten Sie die Schleifenverluste niedrig genug, damit der Anstieg steil bleibt, und hoch genug, damit die Schwingungsdämpfung unter ±5 % bleibt.

Strategie 2: Übernehmen Sie die Aufstiegszeit aus der ESL-Tabelle

Die untenstehende Messung verwendete einen 2 nF-Kondensator und eine Schleifeninduktivität von 30 nH. Jede Zeile zeigt die Kosten eines weiteren Nanohenry.

Strategie 3: Die Schnur an die Last anpassen

Die charakteristische Impedanz der Schleife bestimmt, wie viel Welle reflektiert wird.

Z_0 = √(L_PFN / C_PFN)

wobei Z_0 die Schleifenimpedanz in Ω, L_PFN die PFN-Induktivität in nH und C_PFN der PFN-Wert in nF ist.

Die PFN-Induktivität sollte so eingestellt werden, dass die Schleifenimpedanz etwa dem 0.9-Fachen der Last entspricht. In diesem Fall ist die reflektierte Welle klein und der Scheitelpunkt der Kurve bleibt konstant.

Strategie 4: Die Layoutschleife unter 50 nH halten

Verwenden Sie eine laminierte Stromschiene anstelle einer blanken Kupferschiene und halten Sie das Bauteil innerhalb von 10 mm vom Schalter. Halten Sie die Leiterbahn kurz und verlegen Sie den Rückleiterpfad unter dem Vorwärtsleiterpfad. Fügen Sie eine HVR-BSP Dickschichtabschnitt über dem Schalter zur Dämpfung des Erholungsimpulses ohne zusätzliche Schleifeninduktivität.

Strategie 5: Den Puls mit Statistiken beweisen, nicht mit einer einzigen Messung.

Erfassen Sie 1000 Impulse und berechnen Sie daraus die mittlere Anstiegszeit, die Streuung und den Variationskoeffizienten. Ein Mittelwert von 80 ns bis 120 ns gilt als Zielwert, eine Streuung unter 8 ns als gut und ein Variationskoeffizient über 10 % als Wartungsbedarf. Ein prognostizierter Anstieg über 150 ns bedeutet, dass die Teile ausgetauscht werden müssen.

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-Bauteile mit niedriger Induktivität für die Entladeschleife

Anstiegszeit und Schwingungsdauer resultieren beide aus der Schleife, und das Bauteil trägt jeweils einen Anteil davon. HVC-Konstruktionen doorknob Kondensatoren mit einem ESL unter 3 nH auf einem N4700 Dielektrikum, sodass die Schleife schnell bleibt und der Ring gedämpft bleibt.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• ESL unter 3 nH. Ein kurzer interner Zuleitungspfad hält die Anstiegszeit unter 100 ns und hebt die Eigenresonanzfrequenz über 60 MHz.
• Der ESR-Wert liegt bei 1 MHz unter 50 mΩ. Geringe Verluste sorgen für einen flachen Frequenzgang und geringe Eigenerwärmung bei 200 Hz.
• Der Impulsstrom liegt über 5 kA Spitze. Der Entladestrom überschreitet die Nennleistung, daher bestimmt die Impulszahl die Bauteilauswahl.
• Die Wertgenauigkeit beträgt ±2 %. Ein enger Wert gewährleistet die Paarung zwischen den Stufen und hält die Schleifenimpedanz nahe am Zielwert.
• PD unter 2 pC. Ein niedriger Wert hält den Wert konstant, sodass die Anstiegszeit sich während der Lebensdauer nicht ändert.
• Passende Sets. Ein schnelle Erholungsdiode für den Freilaufweg und einen HVRGHP Ein Teil für den aktuellen Zweck kann in einem Durchgang gesiebt werden.

A Folienkondensator Geeignet für den Dämpfungszweig, wo ein kleiner Wert auch bei Hitze konstant bleiben muss. HVC-Teile entsprechen außerdem den Kennnummern von Murata Bauteile von DHS, TDK FHV und Vishay HVCC.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen, kundenspezifische Sets innerhalb von 6 bis 10 Wochen geliefert. Die Anwendungstechnik für Hochspannungstechnik umfasst Schleifeninduktivität, Dämpfung und Layoutprüfung.

Senden Sie die Impulsbreite, die Ladespannung, die Lastimpedanz und die Soll-Anstiegszeit. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen ein Datenblatt mit ESL- und ESR-Werten bei der Arbeitsfrequenz sowie einen zweiteiligen Prüfsatz.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Welche Anstiegszeit sollte ein LINAC PFN anstreben?

Eine Anstiegszeit von 80 ns bis 200 ns ist für die meisten Magnetrons geeignet. Unterhalb von 50 ns ist die reflektierte Welle stark genug, um Modensprünge und Lichtbogenbildung zu verursachen. Oberhalb von 300 ns verbreitert sich das Spektrum, die Anlaufzeit verlängert sich und die Dosisleistung ist zu Beginn des Pulses gering. Der genaue Zielwert hängt von der Röhre ab; prüfen Sie daher zunächst die Röhrendaten.

Frage 2: Wie wichtig ist die ESL-Kompetenz?

Es bestimmt die Anstiegszeit und die Schwingperiode. Bei einem Bauteil mit 2 nF und einer Schleifeninduktivität von 30 nH ergab eine Bauteil-ESL von 1 nH eine Anstiegszeit von 65 ns, während 15 nH eine Anstiegszeit von 220 ns ergaben. Dieselbe Änderung der Schleife verschob die Schwingperiode von 8 ns auf 24 ns. Ein Bauteil mit einer Bauteil-ESL unter 3 nH hält die Schleife ohne Layoutänderung im schnellen Frequenzband.

Frage 3: Warum senkt sich die flache Oberseite, wenn die Maschine warm wird?

Da der ESR-Wert bei Bauteilen der Schutzklasse II mit der Temperatur ansteigt und der Spannungsabfall proportional zum Strom ist, sinkt die Spannung bei einem Bauteil mit dem dreifachen ESR-Wert im kalten Zustand um das Dreifache. Dadurch liegt der Ausgangswert am Ende 1 % niedriger. Ein Bauteil der Schutzklasse I hingegen hält den Spannungsbereich innerhalb des 1.2- bis 1.5-Fachen und den Ausgangswert über einen ganzen Tag konstant.

Frage 4: Kann ein Dämpfungsglied einen Ring am Impuls beheben?

Es dämpft das Nachschwingen und kostet Energie. Ein RC-Snubber mit einem Wert von etwa 5 % bis 20 % des PFN-Wertes reduziert das Nachschwingen effektiv, erhöht aber die Verluste um 10 % bis 15 %. Ein Bauteil mit niedrigem ESL-Wert und geringem Serienwiderstand ist die kostengünstigere Lösung, da es die Ursache des Nachschwingens beseitigt, anstatt es zu absorbieren.

Frage 5: Woran erkenne ich, dass die Teile altern?

Beobachten Sie den ESR-Wert und die Anstiegszeit. Bei einer neun Jahre alten Maschine sank der Wert von 2.0 nF auf 1.78 nF, und der ESR-Wert stieg von 35 mΩ auf 180 mΩ. Dadurch verlängerte sich die Anstiegszeit auf 280 ns und der Schwingungspegel erhöhte sich auf ±15 %. Nach dem Austausch eines Bauteils betrug die Anstiegszeit 85 ns und der Schwingungspegel ±4 %. Protokollieren Sie beide Werte einmal jährlich.

Frage 6: Was kommt als Nächstes für einen Breitbandlückenmodulator?

Ein SiC-Schalter schaltet schneller als ein IGBT, wodurch die Impulse kürzer werden und die Anforderungen an die Bauteile steigen. Das nächste Ziel ist eine ESL unter 1 nH, ein ESR unter 10 mΩ und eine Eigenresonanzfrequenz über 200 MHz. Ein Kühlpfad im Inneren des Bauteils ist ebenfalls hilfreich, da er die Wärmeleitfähigkeit von 5 °C/W auf 0.5 °C/W reduziert und eine Schaltfrequenz von über 400 Hz ermöglicht.

7. Referenzen

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