Carga resonante del LINAC: Recuperación inversa del diodo DeQing

Carga resonante del LINAC: Recuperación inversa del diodo DeQing

Compendio

El diodo DeQing interrumpe la corriente de carga resonante y mantiene la tensión PFN mientras el modulador espera para activarse. Su recuperación inversa determina la eficiencia de carga, la precisión de la tensión PFN y la tensión aplicada al interruptor. Un diodo con un tiempo de recuperación inversa (trr) de 350 ns mantuvo una eficiencia del 82 %; una etapa de recuperación suave de 150 ns alcanzó el 91 % y redujo la temperatura de la unión en 33 °C. Este artículo presenta las ecuaciones de recuperación, los límites de selección y el diseño del disipador de calor y del amortiguador.

1. Introducción

Un acelerador lineal carga un PFN desde un bus de CC a través de un bucle LC resonante. El bucle tarda entre 1 ms y 3 ms en completar la carga. A continuación, el diodo DeQing se bloquea, el PFN mantiene su voltaje y el interruptor espera la señal de activación.

El diodo conduce la corriente de carga en sentido directo. En la segunda mitad del ciclo resonante, debe interrumpirse rápidamente para evitar que la corriente de fuga (PFN) regrese a la fuente de alimentación. Esta interrupción es el evento de recuperación inversa, y no es instantánea.

Los portadores minoritarios almacenados deben eliminarse de la unión antes de que el diodo se bloquee. Un componente que se elimina lentamente transmite un pulso inverso prolongado, y el cargador lo paga en términos de eficiencia, precisión del voltaje PFN y calor en la unión.

Este artículo presenta las ecuaciones de recuperación, los límites de trr, Qrr e IRM para cada frecuencia de repetición, los tres fallos de campo y los pasos de calentamiento, amortiguación y apantallamiento que mantienen el cargador por encima del 90 %.

2. Mecanismo central

2.1 Carga resonante y la función DeQing

El bucle LC hace que la señal PFN alcance el doble de la tensión del bus y luego disminuya, y el diodo abre el bucle en el pico. La resistencia del bucle amortigua la oscilación y mantiene el pico por debajo del valor ideal.

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

donde V_PFN es la tensión de carga del PFN, V_DC la tensión del bus, R la resistencia total del bucle, ω la frecuencia angular de resonancia y L la inductancia del bucle. Con un bus de 25 kV y un objetivo PFN de 50 kV, el bucle debe oscilar al doble de su amplitud y mantenerla.

Una vez que el diodo se abre, el voltaje PFN decae a través de la ruta de fuga residual:

ΔV_PFN = (I_leakage · t_hold) / C_PFN

donde ΔV_PFN es la caída de tensión antes del disparo, I_leakage la corriente de fuga a través del diodo, t_hold el tiempo de espera y C_PFN la capacitancia PFN. Mantenga t_hold por encima de 10 × trr, por lo que una parte de 150 ns necesita al menos 1.5 µs de hold.

2.2 Etapas de recuperación inversa

La recuperación inversa se desarrolla en dos etapas. En la etapa de almacenamiento, la unión mantiene una baja impedancia y la corriente inversa aumenta desde cero hasta el valor máximo IRM. En la etapa de caída, los portadores desaparecen, la unión alcanza una alta impedancia y la corriente vuelve al nivel de fuga.

S = t_b / t_a

donde S es el factor de suavidad, t_a el tiempo que tarda la corriente en caer desde IRM hasta el 25% de IRM, y t_b el tiempo que tarda en caer desde el 25% hasta el nivel de fuga. Una parte suave con S superior a 1.5 distribuye la caída a lo largo del tiempo, por lo que la corriente del bucle no tiene un borde escalonado que excite oscilaciones.

2.3 Corriente de recuperación y su adaptación al bucle

La carga de recuperación debe salir de la unión antes de que el diodo se bloquee, y sale del bucle resonante. La corriente de recuperación máxima es proporcional a la corriente máxima del bucle y a la relación entre trr y el semiperiodo resonante.

I_RM = 2 · I_peak · (t_rr / t_resonant)

donde I_RM es la corriente de recuperación inversa máxima, I_peak la carga máxima resonante, t_rr el tiempo de recuperación inversa y t_resonant el período resonante. Mantenga I_RM por debajo de la mitad de la corriente máxima de sobretensión del diodo y por debajo de 20 A en un cargador médico, para que el pulso de recuperación no excite la inductancia del bucle.

2.4 Pérdida por recuperación y calor en la unión

Cada ciclo de carga añade una pérdida de recuperación a la pérdida por conducción directa. El término de recuperación varía con trr, con IRM y con la frecuencia de repetición.

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

donde P_loss es la disipación del diodo, I_avg la corriente directa promedio, V_F la caída directa, I_RM la corriente de recuperación máxima, t_rr el tiempo de recuperación y f_charge la tasa de repetición de carga. A 2 A, 2 V, 10 A, 100 ns y 200 Hz, el término de conducción es de 4 W y el término de recuperación es de 0.1 W, por lo que el diodo consume 4.1 W.

Figura 1: Una recuperación dura en S = 0.8 cae en 48 ns frente a 150 ns para una parte suave en S = 2.5, por lo que la recuperación suave mantiene el anillo del bucle pequeño.

3. Puntos débiles de la ingeniería

Problema 1: Un trr largo reduce la eficiencia de carga.

Una pieza con un tiempo de respuesta de 350 ns genera un pulso inverso prolongado en cada ciclo de carga. El cargador pierde el 9 % de la energía que introduce en el circuito. Un equipo de servicio técnico midió una eficiencia de carga del 82 % en un Varian 21EX y del 91 % tras el cambio de una pieza, sin ninguna otra modificación en el circuito.

Punto débil 2: La recuperación brusca inunda el circuito con pitidos.

Un componente de recuperación brusca con S = 0.8 se desactiva en decenas de nanosegundos. Este paso impulsa la inductancia del bucle y la capacitancia del diodo, y el anillo resultante se propaga a través del cableado del gabinete. La interferencia electromagnética medida disminuyó en 20 dB tras sustituirlo por un componente de recuperación suave con S = 2.5.

Punto débil 3: La carga de recuperación calienta la unión.

El tiempo de recuperación es pequeño a 200 Hz y aumenta con la frecuencia de repetición. Si se cambia el mismo diodo de 200 Hz a 1,000 Hz, la pérdida por recuperación se quintuplica. La temperatura de la unión aumenta entonces de 32 °C a 65 °C en la carcasa, y el tiempo de recuperación aumenta con el calor.

Punto crítico 4: El envejecimiento aumenta trr y Qrr.

Un diodo que ha estado funcionando durante 8 años muestra una unión envejecida. Una unidad experimentó una variación en el tiempo de respuesta (trr) de 250 ns a 380 ns, en la resistencia de corte (Qrr) de 900 nC a 1,500 nC, y en la precisión del voltaje PFN de ±0.5 % a ±2.5 %. Posteriormente, el cargador falla aproximadamente una vez por semana, y la falla se interpreta como un problema de alimentación hasta que alguien mide el diodo.

4. Pasos del diseño

Estrategia 1: Establecer trr a partir de la tasa de repetición.

Adapte la pieza a la velocidad de carga. Entre 100 Hz y 200 Hz, un tiempo de respuesta (trr) de hasta 500 ns es aceptable. Entre 200 Hz y 400 Hz, mantenga el trr por debajo de 200 ns. Por encima de 500 Hz, que abarca el funcionamiento de UHDR, mantenga el trr por debajo de 100 ns. Una pieza seleccionada para el modo más lento reduce la eficiencia en el modo más rápido.

Estrategia 2: Reducir la potencia del VRRM a la mitad.

El pico inverso al desconectarse se suma a la tensión PFN y al bus. Dimensionar la capacidad para la suma más el sobreimpulso:

V_RRM ≥ V_PFN_max + V_DC + ΔV_overshoot

donde V_RRM es la tensión inversa repetitiva nominal, V_PFN_max la tensión máxima del PFN, V_DC la tensión del bus y ΔV_overshoot el pico, que oscila entre 0.1 y 0.2 veces la tensión del PFN. Un PFN de 50 kV en un bus de 25 kV requiere entonces 80 kV, por lo que la parte de 120 kV deja margen.

Estrategia 3: Especificar una parte de recuperación suave

Solicite un factor de suavidad superior a 1.5 y realice pruebas por lote. La recuperación suave mantiene un di/dt bajo al desconectar el transformador, lo que mantiene la EMI dentro del límite de la norma IEC 60601-1 y protege su aislamiento. Un componente rígido no supone ningún ahorro de costes y añade un amortiguador posteriormente.

Estrategia 4: Dimensionar el disipador de calor a partir de la pérdida.

Considere la pérdida de potencia (P_loss) con la frecuencia de repetición más alta y la tensión de bus más alta. Añada una resistencia de unión a la carcasa y una resistencia de carcasa al disipador, y mantenga la unión por debajo de 125 °C. Un diodo de 4.1 W conectado a un disipador de 10 °C/W aumenta su temperatura en 41 °C con respecto a la temperatura ambiente, lo que cubre un gabinete a 40 °C.

Estrategia 5: Añadir un circuito de amortiguación RC en paralelo con el diodo.

Coloque una resistencia de 10 Ω a 100 Ω y un condensador de 100 pF a 470 pF en paralelo con cada diodo. El amortiguador absorbe el pico de recuperación y amortigua el anillo del bucle. Utilice un HVR-BSP Resistencia de amortiguación con capacidad nominal para la energía del pico.

Estrategia 6: Pantalla trr y Qrr en servicio

Mida el tiempo de recuperación una vez al año y reemplace el diodo cuando trr supere el 50 % de su valor inicial. Una variación de 150 ns a 380 ns se manifiesta como una falla de carga semanal. Un reemplazo programado a los 250 ns implica el costo de un diodo y ahorra un día de tratamiento.

Parámetro del componente	Valor típico	Condición de prueba
Tensión nominal (serie HVCT8G)	10 kV DC	alto potencial 1.5× durante 60 s
Capacidad	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	por debajo de 50 mΩ	-
Inductancia de bucle (cuerda E40)	por debajo de 8 nH	Espacio entre terminales de 40 mm
resistencia de aislamiento	superior a 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Rango de temperatura	−40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2
Capacidad de dv/dt de pulso	por encima de 50 kV/µs	a tensión nominal

5. Diodos y condensadores HVC para el circuito de carga

El circuito de carga requiere un diodo con recuperación corta y suave, y un condensador que mantenga su valor mientras el circuito está en funcionamiento. HVC fabrica ambos componentes en una planta propia de 6,000 m² en Dongguan, para un rango de voltaje de 1 kV a 150 kV.

Seis parámetros que importan aquí

• trr de 75 ns a 250 ns. La serie HVD cubre de 20 kV a 200 kV, por lo que la pieza se puede seleccionar en función de la frecuencia de repetición en lugar de en función de la disponibilidad.
• Factor de suavidad de 2.0 a 3.0. La recuperación se mantiene suave en todo el lote, lo que conserva el margen EMI y reduce el pico de voltaje en un 40 %.
• Qrr entre un 40% y un 60% por debajo de un estándar diodo de recuperación rápidaUna menor carga almacenada implica menos perturbaciones en el circuito y un tiempo de retención más corto.
• Valores de di/dt superiores a 500 A/µs y dv/dt superiores a 15 kV/µs. Ambos cubren la rápida rampa de carga que requiere un modulador de estado sólido.
• Condensadores de amortiguación y de bucle. HVCT8G y Dieléctrico de clase I Los componentes mantienen el valor del bucle, con una ESR inferior a 50 mΩ y una ESL inferior a 8 nH.
• Detección de corriente coordinada. Resistencias de muestreo HVRGHP medir la corriente de carga en el mismo bucle y hacer coincidir el conjunto de diodos para una referencia cruzada contra Vishay Piezas FRED.

Entrega y soporte

Los diodos estándar se envían en un plazo de 4 a 8 semanas, y los conjuntos de carga emparejados en 6 a 10 semanas, frente a las 20 a 30 semanas habituales para las marcas importadas. El departamento de ingeniería de aplicaciones de HVC ofrece asistencia para la selección de TRR, el diseño de amortiguadores, la disipación de calor y la estimación de la vida útil a partir de la temperatura de la unión.

Envíe la tensión PFN, la tensión del bus, la frecuencia de repetición y la inductancia del bucle. HVC le devolverá una selección de diodos con datos de recuperación, una hoja de snubber y un conjunto de evaluación de dos muestras en un plazo de cinco días hábiles.

6. Preguntas frecuentes

P1: ¿Qué tan corta debe ser la resistencia de transferencia de carga (trr) del diodo DeQing?

Depende de la frecuencia de repetición de carga. Entre 100 Hz y 200 Hz, se puede trabajar con un trr de hasta 500 ns. Entre 200 Hz y 400 Hz, mantenga el trr por debajo de 200 ns. Por encima de 500 Hz para trabajos UHDR, mantenga el trr por debajo de 100 ns. Una pieza cargada a 350 ns en un cargador de 200 Hz mantuvo una eficiencia del 82 %; una pieza cargada a 150 ns mantuvo el 91 %.

P2: ¿Qué cambia con el factor de suavidad?

Establece el di/dt en el apagado. Una parte suave en S por encima de 1.5 cae desde IRM sobre t_b, por lo que el bucle ve un flanco lento y el anillo permanece pequeño. Una parte dura en S = 0.8 se apaga rápidamente, impulsa la inductancia del bucle y aumenta la EMI medida en 20 dB.

P3: ¿Qué margen de tensión inversa se necesita?

El diodo debe tener en cuenta la tensión de la red de protección (PFN) más la tensión del bus más el pico de tensión, que oscila entre 0.1 y 0.2 veces la tensión de la PFN. Por lo tanto, una PFN de 50 kV en un bus de 25 kV requiere una capacidad nominal de 80 kV. La parte de 120 kV deja margen para un bucle envejecido.

P4: ¿Cómo calculo la disipación del diodo?

Sume el término de conducción y el término de recuperación. La conducción es I_avg multiplicada por V_F, lo que da 4 W a 2 A y 2 V. La recuperación es ½ · I_RM · t_rr · f_charge, lo que da 0.1 W a 10 A, 100 ns y 200 Hz. La suma determina el disipador de calor.

P5: ¿Por qué se produce una deriva de voltaje en PFN mientras el interruptor espera?

Debido a que el diodo presenta fugas después de recuperarse, la tensión perdida es (I_fuga · t_hold) / C_PFN, por lo que un tiempo de retención prolongado o una corriente de fuga elevada desplazan la tensión PFN antes del disparo. Mantenga t_hold por encima de 10 × trr, lo que equivale a 1.5 µs para una parte de 150 ns.

P6: ¿Cuándo se debe reemplazar el diodo?

Cuando trr aumenta un 50 % por encima del valor inicial, o cuando la eficiencia de carga cae por debajo del 85 %, una unión envejecida pasa de un trr de 250 ns a 380 ns, y el cargador falla aproximadamente una vez por semana. Un reemplazo programado a los 250 ns cuesta un diodo.

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