质量/电容器博客
考克罗夫特-沃尔顿乘法器的高压二极管是关键部件
在高压 (HV) 功率转换和发电领域，考克罗夫特-沃尔顿 (CW) 电压倍增器是一种经典且经久不衰的电路拓扑结构。
用于考克罗夫特-沃尔顿乘法器的高压二极管：关键部件
工程答案
考克罗夫特-沃尔顿（CW）倍压器利用电容器和二极管组成的梯形电路，将较小的交流或脉冲输入信号转换为峰值输入信号数倍的直流输出信号。二极管是承载电流、阻隔反向电压并决定梯形电路效率的元件。HVC 高压整流二极管堆 指定用于 X 射线发生器、电子束系统和加速器注入器中的 CW 倍频器，因为它们可以阻挡每个封装的高反向电压，并且恢复速度足够快，可以跟上充电频率。
- 堆叠尺寸应满足每级 2 × V_pk 反向应力，再加上 50% 的安全裕度。
- 在工作频率下，检查梯形电路的正向电流与充电电流。
- 当堆叠采用多个芯片封装时，需要添加串联平衡来均衡阻断电压。
抽象
考克罗夫特-沃尔顿倍压器是利用相对较低的电压源产生数十至数百千伏电压的主力电路，广泛应用于X射线头、粒子注入器和高压测试装置中。其二极管负责阻隔高反向电压、导通充电电流，并且必须在下一个半周期开始前恢复工作。本文将介绍连续波梯形电路的电气设计、实际倍压器中常见的故障模式，以及如何选择合适的高压二极管阵列，以确保输出在负载下保持稳定，并使梯形电路能够承受连续运行。
1. 应用场景：无需变压器即可倍增电压
连续波倍压器用电容器和二极管组成的梯形电路代替了笨重的高压变压器。每一级都会将大约两倍的峰值输入电压加到直流输出上，因此 N 级梯形电路的空载输出为：
对于 10 kV 的输入电压和六级电路，总电压约为 120 kV 直流——足以驱动 X 射线管或离子注入器。在正常工作状态下，梯形电路中的每个二极管都会承受约 2 V_pk 的反向电压，因此高压二极管的选择是设计中首要的尺寸决策。
三、技术要求
2.1 反向阻断电压。 每个二极管承受的最坏反向应力发生在相邻电容器充满电时：
额定电压为 2 V_pk 的二极管会在线路瞬态或负载变化时失效。将二极管堆的额定电压降低至 60%–70%，即可获得应对实际浪涌所需的雪崩裕度。
2.2 正向电流和恢复。 充电电流在每个半周期内流过梯形电路，二极管必须在下一个导通周期开始前恢复：
在 50 kHz、1 nF 级电容和 10 kV 输入电压下，充电电流约为 0.5 A。快速恢复二极管可防止反向恢复电荷进入梯形电路，这在高开关频率下尤为重要。
2.3 输出纹波和负载调整率。 由于梯形电路需要补充其输送的电荷，因此输出功率会下降：
由于级数的立方依赖性，高阶梯形电路的最后几级对负载最为敏感。更高的电容和频率可以降低电压降和纹波，但会增加二极管必须承载的充电电流。
2.4 热学和封装。 二极管堆的损耗为正向压降乘以平均电流，再加上恢复损耗：
采用低热阻封装的堆叠结构，使油绝缘或空气绝缘的倍压箱内的结保持低温，从而保持额定电流和使用寿命。
图 1 — 三级 CW 梯形电路。二极管 D1–D6 各阻断约 2 V_pk，导通级充电电流，并且必须在半个周期内恢复。
3. 工程师痛点（现场反馈）
痛点 1 — 负载开始消耗电流时，梯形输出立即下降。 “我们的100 kV注入器在额定束流下电压降至82 kV；末端级明显尺寸不足。”电压下降与N³相关，这意味着高阶梯需要更大的末端级电容和更高的充电电流。因此，需要用更高的电容和更快的电流重建最后三级。 高压二极管堆 将输出结果控制在目标值的 4% 以内。
故障 2 — 线路瞬态后二极管短路失效。 “一个月内我们损失了三个堆叠电路；每个电路都出现了芯片短路。”该堆叠电路的峰值电压正好是 2V，没有任何裕量，因此市电浪涌超过了额定电压。改用具有雪崩特性和 35% 电压裕量的堆叠电路后，故障就停止了。
疼痛 3 — 倍增器在高频运行时过热。 “在 80 kHz 的开关频率下，储能槽温度升至 95 °C，输出纹波翻倍。”慢恢复二极管在每个周期都会将恢复电荷倾泻到梯形电路中。用快速恢复二极管堆替换它们后，损耗降低，温度和纹波均得到改善。
4. 选择参数
| 职务 | 推荐的HVC系列 | 电压 | 关键规格 |
|---|---|---|---|
| 阻塞阶段（2V_pk） | HVD二极管堆 | 20–1000 kV | 雪崩，2倍边际 |
| 高频梯 | HVD快速恢复堆栈 | 20–600 kV | t_rr 在低微秒 |
| 级电容器 | N4700 圆盘/门把手 | 10–50 kV | 低ESR，低PD |
| 出血/平衡 | HVR分压电阻 | 5–35 kV | ±0.5% 比例匹配 |
| 二极管型 | 反向评级 | 修复工具 | 浪涌 | 典型用途 |
|---|---|---|---|---|
| 标准整流器 | 1–5 kV/芯片 | 慢速（微秒） | 低 | 低频梯形图 |
| HVD快速恢复堆栈 | 20–1000 伏 | 快速 | 高 | X射线，加速器 |
| 雪崩单模 | 1–5 伏 | 中 | 中 | 左心室级联 |
| 碳化硅二极管 | 1–10 伏 | 接近于零 | 中 | 高频倍频器 |
甄选指南。 首先考虑级反向应力：每个二极管应能阻断 2 V_pk 的电压，并至少留出 30-40% 的裕量，这通常意味着堆叠的额定应力应为理论应力的 1.5-2 倍。然后，使恢复时间与开关频率相匹配，并使正向电流与末端级的最坏情况充电电流相匹配。对于高梯形电路，应使用匹配的堆叠并添加平衡电阻，以使电压均匀分布在串联芯片上。
5. HVC解决方案
① 一个阻碍梯子请求的堆栈。 HVC/HVD二极管堆叠由串联芯片构成，具有雪崩击穿特性，因此在2V峰电压下可实现60-70%的利用率，并具有实际的浪涌裕度。单个封装即可满足20kV至1000kV的电压等级要求。
② 快速恢复，保持梯子清洁。 快速恢复的 HVD 堆叠在高开关频率下可防止恢复电荷进入倍增器，从而降低纹波和储能槽温度——这是 CW 现场报告中最主要的两个问题。
③ 配套的倍增器套件。 HVC 将二极管堆叠与 N4700 级电容器和 HVR 平衡电阻器配对，所有组件均作为一个整体进行测试，因此梯形级可以可预测地共享电压和电流，而无需在工作台上进行迭代调整。
6. 案例前后对比
| 参数 | 之前（标准整流器） | 之后（HVC HVD 快速堆栈） |
|---|---|---|
| 额定束流下的输出 | 82 kV（压降 18%） | 96 kV（压降 4%） |
| 失败率 | 每月 3 叠 | 6 个月内 0 |
| 80 kHz 处的纹波 | 在温度下翻倍 | 符合规范，稳定 |
| 电压利用率 | 100%（无利润） | 65%（防浪涌） |
案例讨论。 一台采用100 kV六级梯形结构的离子注入器，围绕高电压容量（HVC）快速恢复堆改造了其倍增器，并预留了35%的电压裕量。额定束流下的输出下降率从18%降至4%，六个月内现场故障率降至零，储罐温度也稳定在设计范围内。性能的提升主要得益于恢复时间的缩短和雪崩裕量的增加。
7. 设计要点
- 每个二极管的尺寸应为 2 × V_pk 加上 30–40% 的裕量——绝不能正好是 2 × V_pk。
- 恢复时间应与开关频率相匹配；在 20–30 kHz 以上，快速恢复是必须的。
- 预期 N³ 下垂规律：在增加更多级之前，先增加级末级电容。
- 使用匹配的叠层电阻和平衡电阻，以实现可预测的电压分配。
8。 参考
- JD Cockcroft 和 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”， 过程R. Soc。 伦敦。 一种，卷136，第619–630页，1932年。
- SM Sze 和 KK Ng， 半导体器件物理学，第三版。美国新泽西州霍博肯：Wiley，2007 年。
- N. Mohan、TM Undeland 和 WP Robbins， 电力电子学：变换器、应用和设计，第三版。美国新泽西州霍博肯：Wiley，2003 年。
- Littelfuse（IXYS）， 高压二极管堆 — 应用说明。美国伊利诺伊州芝加哥：Littelfuse。
- IEC 60747-2:2016， 半导体器件——分立器件——第二部分：整流二极管. 瑞士日内瓦：IEC。
- 王兆安、刘进军主编，《电力电子技术》(电力电子技术)，第5版。 北京: 机械工业出版社, 2009.