质量/电容器博客
SiC二极管+高压陶瓷帽组合，下一代X射线倍增器效率
在高能系统领域，尤其是在X射线产生领域，人们不断追求效率和小型化。
采用高压陶瓷电容器的碳化硅二极管：提高X射线倍增器效率
工程答案
X射线发生器将几十千伏的电压倍增至X射线管所需的40-150千伏，倍增器的效率由二极管和电容器共同决定。硅二极管组在正向压降方面存在电压损失且恢复缓慢，而碳化硅二极管的压降更小，开关速度更快。因此，采用碳化硅二极管和低损耗陶瓷电容器构建的考克罗夫特-沃尔顿倍增器，可以用更少的级数、更小的纹波和更低的发热量达到目标电压。对于40-120千伏的X射线发生器，应使用正向压降低的快速恢复型碳化硅或硅高压二极管，并搭配经过局部放电屏蔽的1类N4700门把手电容器，电容值则根据纹波预算确定：纹波衰减与1/(f·C)成反比。实际效果是效率提高2-4%，油箱容量更小，管头温度更低。
- 选择二极管时，要考虑正向压降低和恢复速度快，而不仅仅是电压。
- 搭配一个 1 类陶瓷电容器，PD 筛选。
- 波纹预算中的 C 尺寸：ΔV ∝ 1/(f·C)。
抽象
考克罗夫特-沃尔顿倍压器是医用和工业X射线发生器的核心部件：它由二极管和电容器组成，用于整流和倍增交流输入信号，最终生成X射线管电压。其效率取决于两个元件级损耗：二极管导通时的正向压降和电容器在每个充放电周期中的介质损耗。碳化硅二极管可以降低第一种损耗，而1类陶瓷电容器可以降低第二种损耗。本文推导了倍压器的电压和纹波方程，量化了损耗击穿，比较了碳化硅二极管和硅二极管堆叠，最后以一个X射线OEM厂商的案例为例，说明采用碳化硅二极管堆叠如何提高系统效率并缩小高压槽的尺寸。
1. 应用背景：该乘法器是一种二极管-电容电路。
X射线管需要40-150 kV的低纹波直流电压，其发生器采用考克罗夫特-沃尔顿梯形电路产生该电压：交流输入经二极管整流后，各级电路将电压叠加到电容器上。理想的倍压电路可提供n倍的峰值输入电压，但实际输出电压会因二极管压降和负载电流从电容器组汲取的纹波而降低。二极管的每一次电荷转移和电容器的每一次充放电循环都会造成损耗，因此元件的选择直接关系到效率。
n级乘法器的理想输出（其中V_p为交流输入峰值）为：
电子管所感受到的纹波由同一级电容和频率决定。电容加倍，纹波减半：
三、技术要求
2.1 二极管正向压降和恢复。 梯形电路中的每个二极管在导通期间都会降低其正向电压 V_f，并且每个开关边沿都会经历恢复时间。二极管堆的导通损耗与正向压降和负载电流成正比：
2.2 每个周期的电容器损耗。 电容器介质在每次充放电循环中都会损失能量。在高频倍频器中，损耗与损耗因子和频率成正比，因此损耗角正切值接近 0.2% 的 1 类陶瓷是低损耗的选择：
2.3 工作电压下的局部放电裕度。 倍频器各级置于高压油箱内的油或空气中；电容器内部放电会腐蚀介质并给电子管电流增加噪声。为了保证发生器的使用寿命，需要以1.2倍级电压进行屏蔽。
图 1 — 采用 SiC 二极管和低损耗陶瓷电容器的考克罗夫特-沃尔顿梯形电路：每级损耗越少，输出达到电子管电压所需的热量就越少。
3. 工程师痛点（现场反馈）
痛点 1 — 硅堆叠在油中过热。 “倍频器在满载时温度高达 94°C。”硅二极管堆的正向压降和电容器的介质损耗将大部分功率转化为热量。SiC + 1 类陶瓷束同时降低了损耗和温度。
疼痛 2 — Ripple 烧毁了电子管电流规格。 “100 mA 电流下的纹波为 3.5%；电子管规格为 2%。” 级电容的设定是凭习惯，而不是按照 ΔV = I/(f·C) 计算的。将陶瓷级电容加倍后，纹波才符合规格。
疼痛 3 — mA 通道上的 PD 噪声。 “电流波形出现了我们无法解释的尖峰。”这是由于未屏蔽电容器内部的局部放电耦合到电子管电流中造成的。在1.2倍级电压下使用局部放电屏蔽元件消除了噪声。
4. SiC束与硅叠层的比较
| 属性 | SiC二极管+陶瓷帽 | 硅二极管 + 标准电容 |
|---|---|---|
| 每个二极管的正向压降 | 低 | 更高 |
| 恢复损失 | 快速恢复 | 恢复缓慢 |
| 电容器 tan δ | ≤ 0.2%（1 类） | 0.5-2％ |
| 相同频率下的涟漪 | 更低、更快的响应 | 更高 |
| 系统效率 | +2–4% | 底线 |
| 高压储罐容积 | 更小（发热量更少） | 大 |
如何使用此比较方法。 对于新型发电机而言，SiC 束是效率更高的架构；对于现有的硅设计，将电容器升级到 1 类陶瓷电容器是第一个低风险步骤，二极管升级是第二个步骤。
5. 选择和HVC解决方案
| 元件 | HVC系列 | 电压范围 | 关键规格 |
|---|---|---|---|
| 倍增电容器 | HVCT8G | 20–150 伏 | N4700，≤ 0.2% DF，PD 筛查 |
| 高压二极管 | HVD系列 | PIV 2–20 kV | 快速恢复，低泄漏 |
| 过滤器/舞台 | 陶瓷盘 | 1–50 伏 | 径向导线，1 类 |
| 分隔符反馈 | HVR系列 | 5–50 伏 | ±1% 公差 |
① 低损耗电容器对。 N4700 门把手电容器的 tan δ 接近 0.2%，因此倍频器可以保持其能量并以电子管电压的形式释放，而不是以热量的形式释放。
② 快速、低压差二极管。 HVD 快速恢复二极管减少了硅堆叠内部烧毁的正向损耗和恢复损耗，并且束流可以用更少的级数达到 kV 目标。
③ 更纯净的电子管电流。 1.2 倍级电压下的 PD 筛选可防止内部放电进入储罐，因此 mA 通道保持无噪声状态。
6. 工程案例研究（参考资料）
一家便携式X射线OEM厂商对一台60kV发生器进行了改造，该发生器的硅倍压器在高mA电流下运行温度过高，纹波超过了规格要求。重新设计后，将SiC二极管与1类陶瓷门把手电容器搭配使用，并根据纹波预算调整了级电容的大小：
| 测量参数 | 之前（硅堆叠） | （SiC束）之后 |
|---|---|---|
| 满载时的乘数损失 | 340W 瓦 | 210W 瓦 |
| 60 kV / 100 mA 下的纹波 | 3.5% | 1.2% |
| 油温 | 94°C | 71°C |
| 高压储罐容积 | 底线 | −22％ |
| 系统效率 | 88% | 92.5% |
在X射线倍增器中，二极管和电容器决定了效率。碳化硅二极管消除了正向损耗和恢复损耗；1类陶瓷电容器消除了介质损耗。它们共同作用，以更低的发热量、更小的谐振腔和更纯净的电流提供管电压——这是下一代X射线倍增器所需的下一代组件。
7. 设计考虑
- Ripple预算优先： 确定级电容时，应根据 ΔV = I_load/(f·C) 来计算，而不是根据百分比规则。
- 二极管选择： 优先选择恢复速度快、V_f低的二极管；梯形损耗与导通二极管的数量成正比。
- PD 边缘： 在 1.2 倍级电压下对电容器进行屏蔽，以保护密封槽和 mA 通道。
验证清单
- 测量整个 mA 范围内的输出电压和纹波，并确认规格。
- 记录满负荷运转 4 小时后的油温，并与极限值进行比较。
- 验证在 1.2 倍级电压下无 PD 运行情况。
- 运行 100,000 次曝光循环，并重新测量 kV 精度和纹波。
8。 参考
- [1] JD Cockcroft、ETS Walton，“高速正离子实验。(I) 获取高速正离子方法的进一步发展”， 英国皇家学会会议记录A，第 136 卷，1932 年。（CW 原稿）
- [2] Wolfspeed（克里族）， 碳化硅肖特基二极管：应用说明CPWR-AN08，Wolfspeed，2020。（品牌应用说明）
- [3] RJ Nelson 等人，“用于医学成像的高压 X 射线发生器的设计”， 医学物理学，第 32 卷，第 6 期，2005 年。（期刊文章）
- [4] 曹世铭、唐良峰，《X射线机高压发生器设计》（Design of High-Voltage Generators for X-Ray Machines），医疗器械杂志（中国医疗器械杂志），2014年。（中文期刊文章）
- [5] IEC 60601-1-3， 医用电气设备——第1-3部分：基本安全和基本性能的一般要求——辐射防护辅助标准IEC，2008。
- [6] TDK电子公司， 用于X射线电源的高压陶瓷电容器TDK，2019。（品牌应用说明）