品質／コンデンサブログ
低漏洩高電圧セラミックコンデンサにより、乗算器の電圧降下を防止
高電圧電子機器の分野において、回路の安定性を維持することは極めて重要な課題であり、特にシステムがより高い電力密度とより高い効率を達成しようとするにつれて、その重要性は増す。
低漏洩高電圧セラミックコンデンサにより、乗算器の電圧降下を防止
工学的な回答
コッククロフト・ウォルトン型およびマルクス発生器型増倍回路における電圧降下は、主に段コンデンサを流れる累積的な漏れ電流によって引き起こされます。100 GΩを超える絶縁抵抗を持つ低漏れ高電圧セラミックコンデンサを使用することで、寄生電荷損失を最小限に抑え、より高い出力電圧、優れた熱安定性、そしてX線発生器、光電子増倍管、静電集塵器向けのよりコンパクトな増倍回路を実現できます。
- 絶縁抵抗、誘電体の種類、定格電圧に基づいて選定し、静電容量のみに基づいて選定してはいけません。
- 定格電圧および動作温度におけるIR（内部抵抗）を検証してください。ベンチ上で100Vを印加した状態で検証しないでください。
- 本体の形状をステージ上の位置に合わせることで、チェーン全体の漏れを最小限に抑えることができます。
抽象
乗算器回路では、各段のコンデンサを通してわずかな電荷が漏れ出し、その漏れが累積して出力電圧の低下を引き起こします。この記事では、その漏れのメカニズム、低下量の推定方法、そして100 GΩを超える内部抵抗を持つHVC N4700コンデンサがX線装置や分析装置において出力電圧を維持する仕組みについて解説します。
1. 応用例：コッククロフト・ウォルトン乗数
コッククロフト・ウォルトン・ラダーに基づく電圧逓倍回路は、X線管、光電子増倍管、静電集塵器、電子ビームシステムなどで必要とされる30kV～300kV以上の高直流電圧を生成するための標準的な方法です。これらの回路では、ダイオードとコンデンサのペアがラダー状に配置され、各段を段階的に高い電圧まで充電します。出力電圧は理論的にはピーク交流入力のN倍になります（Nは段数）。実際には、逓倍回路内部での累積的なエネルギー損失のため、出力は理論値よりも低くなります。
適切に設計された乗算器における主な損失源は、段コンデンサを流れる直流漏れ電流です。実際のコンデンサは、電荷を蓄積する代わりに、誘電体を通して小さくても有限の電流を流します。単一のコンデンサでは漏れ電流は無視できますが、数十個のコンデンサが直列接続された回路では漏れ電流が蓄積されます。各段はサイクルごとに蓄積電荷の一部を失い、寄生負荷として作用して乗算器からエネルギーを奪います。その結果、出力に測定可能な電圧降下が生じ、負荷電流、温度、動作時間とともに悪化します。
2.技術要件
2.1 絶縁抵抗 電荷はサイクル間で保持されなければならない。
2.2 漏洩電流は電圧の上昇とともに増加します。 漏洩電流は印加電界に対して指数関数的に増加します。
2.3 散逸係数 誘電損失は熱を発生させ、熱暴走を助長します。
2.4 温度変化に対する挙動 筐体内部が熱くなる。赤外線が崩壊してはならない。
図1 — 4段乗算器におけるリーク経路。各コンデンサIRは出力低下に寄与します。
3．エンジニアの課題（現場からのフィードバック）
痛み1 — kVが負荷下で低下しました。 「X線管が電流を流した瞬間に、X線管の電圧（kV）が低下しました。」負荷がかかると段間コンデンサから漏れが発生したが、低リーク電流のN4700部品によって出力が維持されました。
問題点その2 — スタック内の熱暴走。 「乗算器が過熱し、午後中ずっと出力が低下しました。」漏洩熱がさらに漏洩を招き、誘電体のDFとIRが根本原因でした。
Pain 3 — データシート IR は 100 V のみで記載されています。 「データシートには100GΩと記載されていたが、実際のリーク電流は60kVでした。」IR値は低い試験電圧で算出されたもので、定格電圧で検証された部品は乗算器内で異なる挙動を示しました。
4. 部品比較：誘電漏洩
| N4700 (HVC) | X7RクラスII | |
|---|---|---|
| 定格電圧でのIR | ≥ 100GΩ | 低い、電圧依存 |
| 電圧係数 | 適度な | 高い、静電容量が低下する |
| 1kHzにおけるDF | ≤0.2％ | より高い |
| 垂下効果 | 最小限の | 累積的、より悪い |
5. 選定とHVCソリューション
解決策1 — HVCT8Gドアノブ、高段。 乗算器の高電圧出力段用、N4700ネジ端子コンデンサ、20kV～150kV、IR100GΩ以上。
解決策2 — HVCT6Gディスク、低段数。 放射状リードのN4700ディスク、1kV～30kV、IRが50GΩ以上、電界が小さい下位段向け。
解決策3 — 赤外線と温度の関係曲線。 HVCは赤外線と温度の関係データを提供するため、試作品を製作する前に、実際の動作温度における電圧降下を予測することができる。
| 役職 | HVCシリーズ | 電圧 | IR |
|---|---|---|---|
| 高いステージ | HVCT8G | 20kV～150kV | ≥100GΩ |
| 低レベル | HVCT6G | 1kV～30kV | ≥50GΩ |
6. エンジニアリング事例研究
ポータブルX線装置の製造元は、装置を高温の放射線室でフル負荷で使用すると、管球のkV値が9%低下することを発見しました。そのため、放射線技師は画像ごとに露光プログラムを再設定する必要がありました。この装置では、DCバイアスと熱によって静電容量と絶縁抵抗が低下するクラスII X7Rコンデンサが使用されており、装置の温度上昇に伴って漏洩電流が増加していました。そこで、設計変更により、すべての段のコンデンサをHVC N4700部品に交換しました。高段にはHVCT8Gドアノブ、低段にはHVCT6Gディスクを使用し、電圧を20%低減してサイズを調整しました。その結果、負荷時のkV低下は9%から2%未満に低下し、装置内部の温度上昇は半分程度に抑えられ、露光プログラムの再調整も不要になりました。また、冷却設計の主要因となっていた熱暴走が解消されたため、筐体の換気コストも削減できました。
7. 設計上の考慮事項
まず、乗算器の各段にはN4700または同等のクラスI誘電体を指定してください。X7RなどのクラスII誘電体は電圧依存性の容量と高い漏洩電流を示し、ドループを悪化させるためです。次に、漏洩電流は印加電界とともに指数関数的に増加するため、コンデンサの電圧を定格より少なくとも20%低く設定してください。3番目に、IR仕様が定格電圧と25℃で記載されていることを確認し、低減された試験電圧で記載されていないことを確認してください。4番目に、IR対温度曲線を要求し、筐体内の最大動作温度でのドループを予測してください。5番目に、10段を超える乗算器の場合は、漏洩電流が各段に蓄積されるため、出力段だけでなくすべての段にドアノブコンデンサを使用してください。
第 6 に、各ステージにブリーダ抵抗を取り付け、ブリーダ電流をコンデンサのリーク電流の少なくとも 10 倍にすることで、ブリーダがリーク電流に独自のドループを追加しないようにします。第 7 に、湿気を遮断します。保管中に水分を吸収した乗算器基板は、最初の高電圧浸漬中に表面からリークするため、コンデンサは乾燥した状態で組み立て、基板はコンフォーマルコーティングする必要があります。第 8 に、試運転中に高インピーダンスプローブを使用して実際のステージ電圧を測定します。理論上のラダー比は常に浮遊容量の影響を隠してしまうためです。第 9 に、定格電圧と最高温度で 1000 時間のエージング テストを実行して IR が維持されていることを確認します。最初の 100 時間は、弱い誘電体が現れる時期だからです。乗算器はチェーンであり、チェーンの強さは最もリークの大きいリンクの強さに左右されます。
8。 リファレンス
- IEC 60384-1:2016、電子機器用固定コンデンサ - 第1部：一般仕様。
- IEC 60270:2000、高電圧試験技術 ― 部分放電測定。
- MS Naidu および V. Kamiraju、高電圧工学、第 5 版、マグロウヒル、2013 年。
- 陈景亮等、高電压试验技术、中国電力出版社、2005.
- HVC高電圧ネジ端子コンデンサのデータシート HVCコンデンサ、2024。
- HVC高電圧セラミックディスクコンデンサのデータシート、HVCコンデンサ、2024。