直线加速器谐振充电：德庆二极管反向恢复

直线加速器谐振充电：德庆二极管反向恢复

抽象

德青二极管切断谐振充电电流，并在调制器触发前保持PFN电压。其反向恢复特性决定了充电效率、PFN电压精度以及开关的应力。反向恢复时间为350 ns的二极管效率为82%；反向恢复时间为150 ns的软恢复二极管效率达到91%，并将结温降低了33 °C。本文给出了恢复方程、选择范围以及散热和缓冲电路设计。

1. 引言

直线加速器通过谐振LC回路从直流母线对PFN进行充电。该回路完成充电需要1毫秒到3毫秒。之后，德庆二极管截止，PFN保持其电压，开关等待触发信号。

二极管在正向方向上承载充电电流。在谐振周期的反向半周，它必须快速截止，以防止PFN漏电回流到电源。这种截止过程称为反向恢复事件，并非瞬时完成。

二极管截止前，存储的少数载流子必须先从结区清除。清除速度慢的器件会通过较长的反向脉冲，而充电器会因此降低效率、PFN电压精度并增加结温。

本文给出了恢复方程、每个重复率的 trr、Qrr 和 IRM 限制、三种现场故障，以及使充电器保持在 90% 以上的加热、缓冲和筛选步骤。

2. 核心机制

2.1 谐振充电和去Qing功能

LC回路使PFN电压振幅达到母线电压的两倍，然后再回落，二极管在峰值处断开回路。回路电阻抑制振幅，并将峰值保持在理想值以下。

V_PFN = 2 · V_DC · (1 − exp(−π · R / (2 · ω · L)))

其中，V_PFN 为 PFN 充电电压，V_DC 为母线电压，R 为回路总电阻，ω 为谐振角频率，L 为回路电感。在 25 kV 母线电压和 50 kV PFN 目标电压下，回路必须振幅达到 2 倍并保持稳定。

二极管导通后，PFN电压会通过残余漏电流路径衰减：

ΔV_PFN = (I_leakage · t_hold) / C_PFN

其中，ΔV_PFN 为触发前电压损失，I_leakage 为二极管漏电流，t_hold 为等待时间，C_PFN 为 PFN 电容。保持时间 t_hold 应大于 10 × trr，因此 150 ns 的器件至少需要 1.5 µs 的保持时间。

2.2 逆向恢复阶段

反向恢复过程分为两个阶段。在存储阶段，结阻抗保持低值，反向电流从零上升到峰值 IRM。在下降阶段，载流子消失，结阻抗变为高值，电流回落至漏电流水平。

S = t_b / t_a

其中 S 为软化因子，t_a 为电流从 IRM 降至 IRM 的 25% 所需的时间，t_b 为电流从 25% 降至泄漏电流所需的时间。当 S 值大于 1.5 时，软化部分会将电流下降过程延缓，因此回路电流不会出现阶跃边沿，从而避免激发振铃。

2.3 恢复电流及其与回路的匹配

恢复电荷必须在二极管阻断之前从结区流出，并且它从谐振回路流出。峰值恢复电流与回路峰值电流以及恢复时间（trr）与谐振半周期的比值成正比。

I_RM = 2 · I_peak · (t_rr / t_resonant)

其中，I_RM 为峰值反向恢复电流，I_peak 为谐振充电峰值，t_rr 为反向恢复时间，t_resonant 为谐振周期。应将 I_RM 控制在二极管浪涌额定值的一半以下，在医疗充电器中应控制在 20 A 以下，以防止恢复脉冲激发回路电感。

2.4 恢复损耗和结热

每个充电周期都会在正向传导损耗的基础上增加一个恢复损耗。恢复损耗项与trr、IRM和重复频率成正比。

P_loss = I_avg · V_F + ½ · I_RM · t_rr · f_charge

其中，P_loss 为二极管损耗，I_avg 为平均正向电流，V_F 为正向压降，I_RM 为峰值恢复电流，t_rr 为恢复时间，f_charge 为充电重复频率。在 2 A、2 V、10 A、100 ns 和 200 Hz 的条件下，导通项为 4 W，恢复项为 0.1 W，因此二极管的总功耗为 4.1 W。

图 1 — S = 0.8 的硬恢复时间为 48 ns，而 S = 2.5 的软恢复时间为 150 ns，因此软恢复使环路保持较小。

3. 工程痛点

痛点1：较长的TRR会降低充电效率

一个trr为350ns的部件在每个充电周期都会通过一个较长的反向脉冲。充电器会损失输入回路能量的9%。一个维修团队测量了一台Varian 21EX充电器，发现其充电效率为82%，更换部件后（电路其他部分未做任何改动），充电效率提升至91%。

痛点 2：硬恢复会导致循环中充斥着振铃声。

硬恢复元件（S=0.8）会在几十纳秒内关断。这一步骤会驱动回路电感和二极管电容，由此产生的环路会沿着机柜布线传播。用软恢复元件（S=2.5）替换后，测得的电磁干扰降低了20 dB。

痛点3：恢复充电会使结温升高。

在 200 Hz 时，恢复项很小，并随重复频率的增加而增大。将同一二极管的频率从 200 Hz 提高到 1,000 Hz，恢复损耗会增加五倍。此时，二极管结温从 32 °C 升高到 65 °C，恢复时间也随温度升高而增加。

痛点 4：衰老导致 trr 和 Qrr 升高

一个运行了8年的二极管出现了结老化现象。其中一个二极管的trr值从250ns漂移到380ns，Qrr值从900nC漂移到1,500nC，PFN电压精度从±0.5%漂移到±2.5%。之后，充电器大约每周都会出现一次故障，在对二极管进行测量之前，故障会被误判为电源问题。

4. 设计步骤

策略 1：根据重复率设置 trr

根据充电速率选择合适的器件。在 100 Hz 至 200 Hz 的频率下，trr 最高可达 500 ns。在 200 Hz 至 400 Hz 的频率下，trr 应保持在 200 ns 以下。高于 500 Hz（涵盖 UHDR 工作频率）时，trr 应保持在 100 ns 以下。为最慢模式选择的器件会降低最快模式下的效率。

策略二：将VRRM的额定功率降低一半

关断时的反向尖峰会增加PFN电压和总线电压。额定值应考虑总和加上过冲：

V_RRM ≥ V_PFN_max + V_DC + ΔV_overshoot

其中，V_RRM 为重复反向电压额定值，V_PFN_max 为峰值 PFN 电压，V_DC 为母线电压，ΔV_overshoot 为尖峰电压，其值约为 PFN 电压的 0.1 至 0.2 倍。例如，25 kV 母线上的 50 kV PFN 需要 80 kV 的电压，因此 120 kV 部分留有余量。

策略 3：指定软恢复部分

要求软恢复系数高于 1.5，并逐批进行测试。软恢复可在关断时保持较低的 di/dt 值，从而将 EMI 控制在 IEC 60601-1 标准限值内，并保护变压器绝缘。硬恢复部件并不能节省成本，而且之后还需要增加缓冲电路。

策略 4：根据损耗确定散热器尺寸

取最高重复频率和最高总线电压下的损耗功率 (P_loss)。加上结到外壳的电阻和外壳到散热器的电阻，并将结温保持在 125 °C 以下。一个 4.1 W 的二极管连接到 10 °C/W 的散热器上，其温度会比环境温度高出 41 °C，这相当于覆盖一个 40 °C 的机柜。

策略五：在二极管两端并联一个RC缓冲电路

在每个二极管两端并联一个 10 Ω 至 100 Ω 的电阻和一个 100 pF 至 470 pF 的电容。缓冲电路可以吸收恢复尖峰并抑制环路振铃。使用 HVR-BSP 阻尼电阻，额定值与尖峰能量相匹配。

策略 6：在服务中筛选 trr 和 Qrr

每年测量一次恢复时间，当恢复时间 (trr) 比初始值高出 50% 时更换二极管。恢复时间从 150 ns 漂移到 380 ns 会表现为每周一次的充电故障。在恢复时间达到 250 ns 时进行计划性更换，虽然会消耗一个二极管，但可以节省一天的治疗时间。

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. 充电回路中的高压二极管和电容器

充电回路需要一个具有短时软恢复特性的二极管，以及一个在回路振铃期间保持其电容值的电容器。HVC 在东莞拥有一座 6,000 平方米的自有工厂，生产这两种元件，电压范围从 1 kV 到 150 kV。

这里需要考虑的六个参数

• trr 从 75 ns 到 250 ns。HVD 系列涵盖 20 kV 到 200 kV，因此可以根据重复频率而不是货架来选择零件。
• 柔软度系数为 2.0 至 3.0。整个批次的恢复过程都很柔软，这保持了 EMI 裕度，并将尖峰电压降低了 40%。
• Qrr 比标准低 40% 至 60%。 快速恢复二极管较低的存储电荷意味着较小的回路干扰和较短的保持时间。
• di/dt 额定值高于 500 A/µs，dv/dt 额定值高于 15 kV/µs。这两项指标均满足固态调制器所需的快速充电斜坡要求。
• 缓冲电容器和回路电容器。 HVCT8G 和 I类介电材料 各部件保持回路值，ESR 低于 50 mΩ，ESL 低于 8 nH。
• 协同电流感知。 HVRGHP采样电阻器 在同一回路中测量充电电流，并将二极管组与对照进行匹配。 日前，Vishay FRED部件。

交付和支持

标准二极管的交货周期为 4 至 8 周，配套充电组件的交货周期为 6 至 10 周，而进口品牌通常需要 20 至 30 周。HVC 应用工程团队支持 TRR 选择、缓冲电路设计、散热以及基于结温的寿命估算。

请提供PFN电压、总线电压、重复频率和回路电感。HVC将在五个工作日内返回二极管选型结果（包含恢复数据）、缓冲电路参数表以及两套样品评估套件。

6. 常见问题

问题1：DeQing二极管trr需要多短？

它与充电重复频率相关。在 100 Hz 至 200 Hz 的频率下，trr 最高可达 500 ns。在 200 Hz 至 400 Hz 的频率下，trr 应保持在 200 ns 以下。对于 UHDR 工作，在高于 500 Hz 的频率下，trr 应保持在 100 ns 以下。在 200 Hz 的充电器中，trr 为 350 ns 的器件效率为 82%；trr 为 150 ns 的器件效率为 91%。

Q2：柔软度因素发生了哪些变化？

它设定关断时的 di/dt 值。当 S 值高于 1.5 时，软部分会因 IRM 在 t_b 时下降，因此回路接收到的边沿较慢，振铃幅度较小。当 S = 0.8 时，硬部分会快速关断，导致回路电感增大，并将测得的 EMI 值提高 20 dB。

问题3：需要多少反向电压裕度？

二极管的额定电压应包括PFN电压、母线电压以及尖峰电压，其中尖峰电压约为PFN电压的0.1至0.2倍。例如，25 kV母线上的50 kV PFN需要80 kV的额定电压。120 kV的额定电压则为老化回路留出了裕量。

Q4：如何计算二极管的功耗？

将传导项和恢复项相加。传导项为 I_avg 乘以 V_F，在 2 A 和 2 V 时为 4 W。恢复项为 ½ · I_RM · t_rr · f_charge，在 10 A、100 ns 和 200 Hz 时为 0.1 W。两者之和决定了散热器的功率。

Q5：为什么交换机等待时PFN电压会漂移？

因为二极管在恢复后会发生漏电。损失的电压为 (I_leakage · t_hold) / C_PFN，因此较长的保持时间或较大的漏电流会导致触发前 PFN 电压发生变化。保持时间 t_hold 应大于 10 × trr，对于 150 ns 的器件，这意味着 t_hold 应大于 1.5 µs。

Q6：二极管何时应该更换？

当trr值比初始值高出50%或充电效率低于85%时，老化结的trr值会从250ns漂移到380ns，此时充电器大约每周会发生一次故障。在250ns时进行一次计划更换会消耗一个二极管。

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 60601-2-1， 医用电气设备——第 2-1 部分：电子加速器基本安全和基本性能的特殊要求日内瓦：IEC，2014。
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. Y. Zhou、B. Chen、C. Tian、J. Yuan 和 Y. Chen， 用于电气设备耐压试验和局部放电测量的并联二​​极管钳位线性变换器《高电压》，第8卷，第1期，第171-182页，2023年。https://doi.org/10.1049/hve2.12312
8. 美国 9,627,134, 陶瓷介质组合物和包含相同组合物的多层陶瓷电容器 （Ca-Sr-Zr-Ti顺电系统），三星电机有限公司，2017年授权，https://www.freepatentsonline.com/9627134.html。
9. GB/T 17702-2021， 电力电子电容器 （电力电子电容器）。北京：国家市场监督管理总局，2021。
10. IEC 61071:2017， 电力电子电容器，第 2.0 版。日内瓦：国际电工委员会，2017 年。
11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com