ブーストマルクス18kVポータブル非破壊検査電源用高電圧コンデンサ

ブーストマルクス18kVポータブル非破壊検査電源用高電圧コンデンサ

抽象

携帯型非破壊検査装置は24V～500Vのバッテリーパックで動作し、管には18kVが必要です。ブースト・マルクス回路は各段にブーストセルを配置するため、1つのSiC MOSFETドライバでパック電圧を36倍に昇圧します。段コンデンサは数百キロヘルツで動作し、その損失によって繰り返し周波数、バッテリー寿命、エッジの鮮明度が決まります。この記事では、ゲインと損失の数値、および認証手順について説明します。

はじめに

携帯型非破壊検査装置は、24V、48V、または最大500Vのバッテリーパックで動作します。X線管には18kV以上の電圧が必要です。この蓄電レベルと管電圧レベルの間のギャップが、バッテリー駆動のパルス光源における中心的な問題です。

古典的なマルクス発生器は高電圧の直流入力を必要とする。この入力のために装置内に大型の電源が必要となり、設計全体が主電源ケーブル上での低エネルギー動作に限定される。

Liangら（IEEE Trans. Ind. Electron., 2023）は、各段に昇圧セルを配置した。500Vの入力が18kVの出力となり、36倍のゲインが得られる。1つのSiC MOSFETドライバがスタック全体を制御する。

この段のコンデンサには、数百キロヘルツの周波数とアンペアレベルの実効電流が流れます。この記事では、その動作における利得関係、損失項、および認定試験について説明します。

2. コアメカニズム

2.1 ブーストマルクストポロジーにおける電圧利得

各ステージは、スタックが次のステージを追加する前に、パック電圧を昇圧します。

V_out = n · V_stage

ここで、V_outは出力電圧（V）、nは段数、V_stageは昇圧段電圧（V）である。

全体的なゲインは、ステージ数とステージごとのブースト比率によって決まります。

G = V_out / V_in = n · (V_stage / V_in)

ここで、Gは電圧利得、V_outは出力電圧（V）、V_inは入力電圧（V）、nは段数、V_stageは昇圧段電圧（V）です。入力が500V、出力が18kVの場合、G = 36となります。

2.2 段コンデンサにおけるエネルギーと損失

1発あたりの蓄積エネルギーは、通常の関係式に従う。

E = ½ · C · V_stage²

ここで、Eは蓄積エネルギー（J）、Cはステージ容量（F）、V_stageは昇圧ステージ電圧（V）である。

スイッチング周波数の段には、2つの損失項が存在する。

P_ESR = I_rms² · ESR

ここで、P_ESRはオーム損失（W）、I_rmsは実効値コンデンサ電流（A）、ESRは等価直列抵抗（Ω）である。

P_DF = 2π · f · C · V² · DF

ここで、P_DFは誘電損失（W）、fはスイッチング周波数（Hz）、Cは段容量（F）、Vは段電圧（V）、DFは損失係数である。

20段スタック、200kHz、各段に1.5Armsの電流、ESR50mΩの場合、バンク内で20×1.5²×0.05＝2.25Wの電力が消費されます。この数値はベンチ上では小さいですが、空気の流れがない密閉されたヘッド内部では大きくなります。

2.3 損失はスイッチング周波数で測定する必要がある

パルスコンデンサの仕様は、通常1kHzで規定されます。この回路は200kHzで動作し、損失項は周波数に比例します。1kHzで記載されたDF値は、200kHzでの発熱についてはほとんど何も示していません。

段コンデンサは、スイッチングのたびに200Vを超える繰り返しパルスストレスを受ける。電流は繰り返し周波数とともに増加し、損失はその電流の二乗に比例して増加する。

2.4 熱上昇が繰り返し周波数を設定する

ケース温度の上昇は、損失と熱伝導経路に沿って起こります。20段にわたって1段あたり0.4Wの損失が発生するため、8Wが熱としてバンクから放出され、ケース温度は熱抵抗が損失と釣り合うまで上昇します。

1段あたり2Armsの電流でESRが100mΩの部品は、25mΩの部品の4倍のエネルギーを消費します。そのため、ディレーティング曲線によって、真空管が定格値に達する前に繰り返し周波数が制限されます。

図1 — 0.4Wのステージが20段あり、密閉されたヘッド内に8Wが配置されています。これにより、管が定格に達する前に繰り返し周波数が制限されます。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：コンデンサの自己発熱により繰り返し周波数が制限される

ブースト・マルクス回路は数百キロヘルツで動作し、段コンデンサを流れる実効電流はアンペア単位に達する。自己発熱は、繰り返し周波数とデューティサイクルにおける最初の制限要因となる。

2 A rmsで100 mΩの部品は、冷却室のないパッケージ内で0.4 Wの熱を消費します。20段にわたる回路では、装置内部で8 Wの廃熱が発生します。

課題2：バッテリーエネルギーが効率の最低基準を決定する

バッテリーパックのエネルギー容量はワット時単位で固定されているため、実用的な稼働時間を確保するには変換効率が85%を超える必要がある。コンデンサの損失は、供給されるパルスエネルギーの5%未満に抑えなければならない。

DFが1%～3%のクラスII誘電体では、200kHzにおいて目標値から1桁外れ、バッテリーコストはより短いシフトとして現れる。

問題点３：音量と電圧定格が互いに矛盾する

ステージコンデンサは200V以上の定格電圧が必要であり、ディレーティングを考慮すると400V以上になる。ポータブル機器全体としては、依然として限られた容積しか確保できない。

この定格のフィルム部品は、同等のセラミック部品の2～3倍の体積を必要とします。電解部品は200kHzのリップル電流を流すことができません。同じ定格のセラミック部品は、競合製品の約50%の体積で済みます。

問題点4：ループインダクタンスが昇圧効率を低下させる

ループインダクタンスが1ナノヘンリー増加するごとに、昇圧効率が低下し、放電エッジが丸みを帯びる。放射状リード配線では、接続ごとに10～20ナノヘンリーのインダクタンスが加算され、スタック全体に蓄積されることで出力パルスが軟化する。

タイトループには、低ESLパッケージと積層バスバーが必要です。200kHzで20nHの接続を行うと、放電経路に約25Ωのインピーダンスが加わります。

問題点5：誘電体ドリフトによりゲインが変化する

ゲイン G = n · (V_stage / V_in) は昇圧変換に依存するため、ステージ部品の容量ドリフトによってショット間の出力エネルギーが変化する。

温度変化によって10～20%ドリフトするクラスII部品は、18kVの出力電圧を1日を通して数百ボルト変動させる。検出器はこのドリフトを管のkV設定値の変化として読み取る。

4. 設計手順

戦略1：クラスIステージコンデンサを指定する

100 kHzにおいて、DFを0.1%未満、ESRを10 mΩ未満に設定し、数百キロヘルツの周波数帯でP_ESRとP_DFの両方が小さい値になるようにします。最悪の動作点において、損失が5%の制限値を超えていないか確認してください。

An N4700クラスI誘電体 TCCは±30 ppm/℃であり、アクティブ補償なしでゲインを安定させます。ステージは終日200V以上の電圧がかかるため、DCバイアス時の静電容量を確認してください。

戦略2：ステージコンデンサを積層バスバーに組み込む

ステージ部品を積層基板のバスバーに直接取り付け、リード線の長さを5mm以下に抑え、接続部あたりのインダクタンスが5nH未満になるようにしてください。リターンパスは高電圧プレーンの下に配置してください。

ブーストループと放電ループは、どちらも高いdV/dtを伝送し、損失を増加させるため、2つの独立した回路としてチェックしてください。放電ループのインピーダンスを30 nH低減すると、エッジスパイクはインピーダンス比と同じ係数で減少します。

戦略3：部品レベルでESLとマッチングを制御する

各段のESLは30nH未満に指定し、最上段には15nHのネジ端子オプションを使用してください。 HVCT8G ドアノブ用コンデンサ ±2%のペアとして扱われるため、すべてのステージで同じようにブーストされます。

各ステージごとに測定したC値とESR値を記録してください。ゲイン校正と現場診断の両方でこの記録が必要となります。なぜなら、1つのステージのドリフトが全体の出力に影響を与えるからです。

戦略4：強制空冷で熱経路を管理する

最大繰り返し速度において、強制送風を用いてケース温度の上昇を20℃以下に抑えてください。密閉型ヘッドでは高温ステージに対する余裕がないため、測定値と計算値の温度上昇を±5℃以内で比較してください。

使用 高速回復型高電圧ダイオード 各昇圧セルにおいて、回復時間が100ナノ秒未満であるため、整流器は200kHzで損失を追加しない。

戦略5：連続バッテリー動作のためのパルス寿命を評価する

動作電圧においてγ定格パルスマージンが定格の3倍以上であることを確認し、ステージ電圧を定格の60～70%にディレーティングしてください。出力が校正とデータ取得の間で変動しないよう、−30℃から+85℃の範囲で安定した静電容量を確認してください。

最初の製品に対して、最大繰り返しレートで10⁶ショットの加速寿命試験を実施する。携帯型試験装置では、寿命途中でコンデンサを交換することができないため、認定試験は実地寿命を対象とする必要がある。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. ブーストマルクス段用HVC N4700コンデンサ

36倍のゲインは、各段が同じ電荷を同じ損失で運ぶ場合に維持されます。HVCは、東莞にある自社工場（6,000平方メートル）で、1kVから150kVまでの電圧範囲に対応するN4700クラスI部品を製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• ESRは100kHzで10mΩ以下、DFは0.1%以下です。両方の損失項は5%の制限内に収まるため、定格繰り返し周波数におけるケース温度上昇は15℃以下に抑えられます。
• 電解液も乾燥も不要です。セラミック誘電体には蒸発する液体がないため、毎日充放電を繰り返すバッテリー機器において、劣化メカニズムが存在しません。
• γ定格パルスマージンは3倍以上、定格電圧1.5倍における部分放電（PD）は5 pC未満です。このステージは連続的な充放電サイクルに耐えます。
• 標準で30 nH以下のESLを実現し、15 nHのネジ端子オプションも用意されているため、200 kHzでも昇圧ループと放電ループの効率が維持されます。
• 同等の性能を持つ競合製品の約50%の容量で、設置面積は30%小さい。ポケットサイズの楽器とバックパック型の楽器の差は、まさにこの数値である。
• 同一細胞内の協調部品： HVRGXPサンプリング抵抗器 現在のモニターと HVR-BSP 厚膜抵抗器 ゲート駆動ダンピングネットワーク用。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、マッチング済みのステージセットは6～10週間で出荷されます。HVCアプリケーションエンジニアリングでは、損失計算、バスバーレイアウト、熱設計、ゲインステージのマッチドペア選定をサポートします。

段数、入力電圧、スイッチング周波数、デューティサイクルをお送りください。HVCは、動作周波数でのESR、定格電圧の1.5倍でのPDデータ、および2サンプルキットを記載した対応シートを5営業日以内に返送します。 フィルムコンデンサ バンクステイは、設計上まだ必要な場合に利用可能であり、HVC クロスリファレンス この表には、村田製作所、TDK、およびVishayの部品番号が記載されています。

6。 よくある質問

Q1：500Vのバッテリーパックはどのようにして18kVに達するのですか？

各段にはパック電圧を上昇させる昇圧セルが搭載されており、これらの段が直列に接続されています。出力は V_out = n · V_stage で表され、ゲインは G = n · (V_stage / V_in) となります。したがって、500 V の入力と 18 kV の出力を得るには、段数全体で 36 のゲインが必要となります。

Q2：なぜステージコンデンサの損失がそれほど重要なのでしょうか？

バッテリーのエネルギーは有限であるため、変換効率を85%以上に高め、有効なシフトを実現するには、コンデンサの損失を供給されるパルスエネルギーの5%未満に抑える必要があります。2Armsで100mΩの段では0.4Wが消費され、20段にわたって8Wになります。

Q3：200kHz段に必要なESRはどれくらいですか？

動作周波数において10 mΩ未満であること。1 kHzのデータシート値は200 kHzでの発熱量を正確に表していないため、その周波数でP_ESR = I_rms² · ESRおよびP_DF = 2π · f · C · V² · DFを確認してください。定格繰り返し周波数においてケース温度の上昇を15 °C未満に抑えてください。

Q4：このステージにはどれくらいの電圧マージンが必要ですか？

動作電圧におけるγ定格パルスマージンが定格電圧の3倍以上であり、段電圧は定格の60～70%にディレーティングされている。この段は200Vを超える繰り返しパルスストレスを受けるため、200V段には400Vの部品を選択するのが一般的である。

Q5：ステージマッチングはどの程度厳密に行う必要がありますか？

静電容量のばらつきは±2%で、ESRのばらつきはステージごとに記録されています。出力はステージ電圧を加算するため、部品のドリフトによって合計パルスとゲイン校正値が変動します。ペア部品と記録されたCおよびESRリストを使用することで、この変動要因を排除できます。

Q6：ステージが長期間のバッテリー使用に耐えられるかどうかを評価するにはどうすればよいですか？

最大繰り返し周波数で10⁶ショットの加速試験を実行し、静電容量ドリフトが±2%以内に収まり、ケースの上昇が制限値以下であることを確認してください。携帯型測定器は低温で動作を開始し、高温で動作するため、-30℃の低温側も確認してください。

7。 リファレンス

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