选择谐振电容器以降低紧凑型X射线变压器的寄生参数

选择谐振电容器以降低紧凑型X射线变压器的寄生参数

抽象

紧凑型X射线源没有空间容纳大型外部谐振电感器。变压器的漏感和绕组电容可以替代谐振电感器，但前提是必须对其进行测量和建模。本文给出了等效谐振回路方程、三个测量和封装问题，以及五个设计步骤，以确保谐振点在整个生产范围内保持稳定。

1. 引言

移动式DR单元、车载筛查系统和便携式C臂机都需要在小型外壳内进行高压谐振转换。高压间隙和小体积这两个要求相互矛盾。因此，紧凑型变压器比分立式实验室变压器具有更大的漏感和绕组电容，而这两个数值决定了谐振点。

通常的第一步是尽可能降低寄生效应。但在紧凑型高压变压器中，这个目标难以实现。第二步是增加一个更大的外部谐振电容来补偿，但这会增加体积、损耗，并且违背了紧凑设计的初衷。

第三种方案效果更佳。将漏感视为串联谐振电感的一部分，将绕组电容视为并联谐振电容的一部分。这样，谐振回路就可以利用现有的元件。外部电容的体积可以减小，并且转换器能够保持与调谐良好的谐振级相同的效率。

这种协同设计方法对电容器提出了更高的精度要求：小电容、低损耗和稳定的温度特性。它也对辅助部件提出了要求，因为检测电阻和…… 整流二极管 必须装入相同的小体积内。以下各节将介绍模型、实际问题和设计步骤。

2. 核心机制

2.1 等效谐振槽

经典的LCC或LLC设计始于一个理想变压器，该变压器具有零漏电流和零绕组电容。然后，工程师根据目标频率选择一个外部谐振电感和两个谐振电容。分立式布局可以容忍这种理想化。但紧凑型高压变压器则不行，因为其寄生参数与外部元件的尺寸相当。

紧凑型高压变压器的典型测量值为：漏感几十微亨，绕组电容几十到几百皮法，绕组电阻几十毫欧。

总串联电感包括外部电感和漏感：

L_s = L_r + L_σ

其中 L_s 为总串联电感，L_r 为外部串联谐振电感，L_σ 为测得的变压器漏感。

总并联电容包括外部电容和绕组电容：

C_p,total = C_p + C_ext

其中 C_p,total 是变压器初级的总电容，C_p 是绕组电容，C_ext 是外部并联谐振电容。

等效谐振频率可由这两个项得出：

f_r = 1 / (2π · √(L_s · C_eq))

其中 C_eq 是串联电容器和 C_p,total 的串联组合，L_s 是总串联电感，f_r 是等效谐振频率。

2.2 测量失谐示例

一台移动式DR变压器的漏感为80 µH，绕组电容为120 pF。原设计采用一个20 µH的外部电感和一个47 nF的串联电容。忽略寄生参数，计算得到的谐振频率为164 kHz。考虑漏感后，总串联电感变为100 µH，谐振频率降至73 kHz。实测值为75 kHz。

正是由于这个差距，紧凑型设计无法仅凭数据手册来确定尺寸。高压绕组的漏感并非一个很小的修正项；它是一个一阶项。

2.3 有益的寄生虫和有害的寄生虫

漏感会增加串联谐振电感，降低谐振频率。绕组电容会增加并联支路的谐振电感，提高谐振频率。这两种效应都值得建模，并且可以同时利用。漏感可以替代部分外部电感。绕组电容要么被并联支路吸收，要么被更大的外部电容所掩盖。

绕组电阻和电容等效串联电阻（ESR）不会显著改变谐振点，但它们会降低回路品质因数，从而减小谐振电流幅值并降低零电压开关裕度。第 4 节将介绍同一设计的损耗部分。

2.4 为什么测量条件很重要

漏感和绕组电容取决于测量频率、信号电平和绕组温度。趋肤效应会使有效漏感随频率升高而增大。对一个变压器进行 1 kHz 测量，得到 60 µH。同一绕组在 100 kHz 下测量，得到 95 µH。根据 1 kHz 下的测量值设计的电路，其谐振点远偏离设计值，零电压开关 (ZVS) 窗口几乎关闭。

图 1 — 忽略 80 µH 的变压器漏电，紧凑型油箱的频率为 164 kHz，而不是绕组实际测量的 73 至 75 kHz。

3. 工程痛点

痛点1：测量条件会改变答案

三个变量会影响寄生参数的测量结果：频率、信号电平和绕组温度。不同条件下的测量结果差异超过 30%。仅根据一次小信号测量确定电路尺寸后，电路的实际工作点会发生漂移，谐振频率也会随之改变。解决方法是在接近工作电压的电平下进行频率扫描，而不是进行单次测量。

痛点二：空间限制了组件的选择。

紧凑型X射线源的内部体积是固定的，传统的高压谐振电容器体积过大。工程师只能选择体积更小的元件，但这通常意味着更低的电容值、更低的额定电压或更大的损耗。空间、电气参数和可靠性构成了一个难以同时满足的三角关系。检测电阻和整流二极管也面临着同样的问题。

痛点 3：生产分散导致共振点发生变化

即使是按照同一图纸制造的两个变压器，其漏感也可能相差±15%至±20%，绕组电容的变化则更大。为典型单元选择的电容器，对某些单元适用，而对另一些单元则不适用。在一个移动数据采集项目中，10%的单元漏感过大，导致谐振频率降低超过5%，效率损失超过8%。制造商在发货前增加了谐振点屏蔽装置。

4. 设计步骤

策略一：在工作频率下对每个变压器进行特性分析

使用阻抗分析仪测量 20 kHz 至 200 kHz 频率范围内的漏感、绕组电容和励磁电感。基于这些测量值，在仿真工具中建立分布式参数模型。将激励电压设置为接近实际工作电压，即 1 V rms 或更高，因为小信号扫描会低估漏感。重新运行频率扫描以获得外部电容值。

策略二：使用高品质因数、温度稳定的介质

电容精度和温度稳定性决定了该设计能否在大批量生产中得到应用。例如，I 类陶瓷电容…… N4700 该器件的DF低于0.1%，温度系数为±30 ppm/°C。而相同位置的X7R器件的DF接近2.5%，温度系数为±15%，性能相差三个数量级，足以使谐振点在整批产品中发生偏移。

策略三：使包装与可用容量相匹配

此 HVCT8G门把手系列 该器件采用 M6 至 M12 螺丝安装，负责高压侧，本体直径为 8 毫米至 30 毫米。由于其尺寸固定，因此布局设计必须围绕它展开。电流路径方面，平面低电感电阻是紧凑型选择。高压级则采用表面贴装或 MINI 封装的整流二极管。

策略 4：将变压器和电容器配对，然后进行微调

生产过程中，测量每对变压器和电容器的谐振频率。如果某个单元的谐振频率超出预期范围，则可通过并联一个 10 pF 至 100 pF 的小型垫片电容器进行微调，或者调整磁芯间隙来改变漏电位置。使用公差为 ±2% 的批次匹配电容器可以减少微调工作量并提高良率。

策略五：缩小传感和保护部件的尺寸

使用电感小于 5 nH、阻值介于 0.01 Ω 和 0.1 Ω 之间的平面检测电阻，并配合采样频率足够高的 ADC 来捕捉电流过零点。对于钳位电路，请使用…… 快速恢复高压二极管 具有短反向恢复时间和低漏电流。 厚膜电阻 在同样小巧的体积内完成缓冲工作。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	在 500 V 直流电压下，电阻大于 10 GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 用于紧凑型储罐协同设计的HVC N4700电容器

当电容器参数与模型匹配时，协同设计即可奏效。开关频率下的损耗和温度稳定性决定了这种匹配程度。HVC 在东莞拥有一座 6,000 平方米的自有工厂，生产适用于 1 kV 至 150 kV 电压范围的 N4700 系列电容器件。

这里需要考虑的六个参数

• DF低于0.1%。在100 kHz以上，损耗角正切保持在0.1%以下，因此环路品质因数保持在1000以上，并且外部电容器不会增加会使谐振回路模型失真的二次损耗。
• TCC ±30 ppm/°C。电容在 -30 °C 到 +85 °C 范围内变化小于 0.35%，因此谐振点在整个工作温度范围内保持在模型设定的位置。
• 在额定电压的1.5倍至2倍下，PD低于5 pC。真空除气泡和环氧树脂注塑成型工艺消除了引发介电腐蚀的空隙，从而确保谐振参数在整个使用寿命期间保持稳定。
• 针对空间有限的应用，我们提供多种封装方案。HVCT9G 径向引线系列封装尺寸范围为 8 毫米至 30 毫米，引线可弯曲；而门把手系列则采用螺钉安装方式，适用于高压应用。
• 协调部件。 HVRGHP 低电感采样电阻器管状厚膜缓冲电阻器和快速恢复高压二极管可以与谐振电容器一起指定用于谐振槽、传感路径和钳位电路。
• 与一线品牌交叉参考。HVC部件符合以下电气参数和封装尺寸： 日前，Vishay HVCC、KEMET 径向引线、Murata DHS/DHR 和 TDK UHV/FHV，并用于大批量医疗发电机生产。

交付和支持

标准件发货周期为 4 至 8 周，配套组件发货周期为 6 至 10 周。HVC 应用工程团队提供变压器寄生参数测量、油箱模拟、电容配对和检测电阻选型支持。请提供变压器图纸、测得的漏感和绕组电容值以及开关频率范围。HVC 将在五个工作日内返回一份匹配表，其中包含零件编号和工作频率下的 DF 数据。

6. 常见问题

问题1：为什么测得的谐振频率与计算出的谐振频率不同？

通常的计算会忽略变压器的漏感和绕组电容。在一台测量的移动式DR变压器中，80 µH的漏感使总串联电感从20 µH增加到100 µH，谐振频率从164 kHz下降到73 kHz（实测值为75 kHz）。请在工作频率下测量这两个寄生参数，并将其代入模型。

Q2：我能否简单地降低漏感？

在紧凑型高压变压器中，答案是否定的。高压间隙会占用绕组空间，而这些空间会转化为漏感和绕组电容。交错绕组或不同的绕组顺序可以相互替代一种寄生效应，但无法同时消除两者。切实可行的办法是测量绕组的寄生效应，并据此设计储能回路。

问题3：谐振电容器的精度要求是多少？

精度要足够高，以确保变压器的生产误差不会使谐振点超出零电压开关（ZVS）窗口。通常的做法是采用±2%的筛选批次。如果变压器的漏感已经存在±20%的偏差，而电容器的精度为±5%，则会导致谐振窗口过宽，最终的微调步长也会增大。

Q4：低DF值对这种设计有什么影响？

较低的损耗因子 (DF) 可保持较高的回路品质因数和较大的谐振电流幅值。它还能防止外部电容成为第二个损耗源，从而避免模型失真。当损耗因子低于 0.1% 时，电容在开关频率下接近理想状态，因此测得的谐振回路参数在仿真中仍然有效。

Q5：绕组电容是否需要并联外部电容器？

只有当该值稳定且可重复时才可行。绕组电容会随绕组几何形状和绝缘层厚度而变化，因此仅依赖绕组电容的设计会将这种变化带入生产中。通常的做法是将绕组电容与一个稳定的 I 类电容器并联，这样总电容就由器件本身决定，而不是由绕组决定。

Q6：如何在整个生产过程中保持共振点？

测量每对变压器和电容器的谐振频率，并用10 pF至100 pF的小垫片电容器修正异常值。使用±2%的批次匹配电容器，以减少需要修正的单元数量。发货前进行筛选比现场退货成本更低。

7。 参考

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, 医用电气设备——第1部分：基本安全和基本性能的一般要求日内瓦：IEC，2012。
2. IEC 60601-2-54， 医用电气设备——第2-54部分：放射摄影和X射线检查用X射线设备的基本安全和基本性能的特殊要求日内瓦：IEC，2018。
3. IEC 60384-8， 电子设备用固定电容器——第8部分：陶瓷介质固定电容器，1类日内瓦：IEC，2015。
4. IEC 60270， 高压测试技术——局部放电测量日内瓦：IEC，2015。
5. RW 埃里克森和 D.马克西莫维奇， 电力电子学基础，第 3 版。Cham：Springer，2020 年。
6. Mohan, N.、Undeland, TM 和 Robbins, WP， 电力电子学：变换器、应用和设计，第 3 版。霍博肯，新泽西州：威利出版社，2003 年。
7. JC Giarratano、RG Waggener、JM Hevezi 和 RJ Shalek， 比较分压法、改进型Ardran-Crooks盒法和Ge(Li)光谱仪法测定诊断X射线装置的峰值千伏电压(kVp)。医学物理学，第3卷，第3期，第142-147页，1976年。https://doi.org/10.1118/1.594280
8. 弧形季节和板型设计观察 （关于高压电弧、焊剂残留和布局的技术说明），Johanson Dielectrics, Inc.，https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf。
9. 使用陶瓷电容器 3 kV （C0G/NP0 与 X7R/Y5S 稳定性讨论），复古技术论坛，https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858。
10. 高电容、高电压BME X7R多层陶瓷电容器的研制KEMET Electronics（CARTS USA 2011 会议论文集），https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf。
11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器技术资源https://www.hv-caps.com