Halcyon SSMM：医用直线加速器用高压滤波电容器

Halcyon SSMM：医用直线加速器用高压滤波电容器

抽象

Halcyon固态磁控管调制器将50 kV滤波器集成到0.3 m³的体积内，无需空气冷却。三个滤波器节点承载负载：直流链路、磁控管驱动器和辅助电源轨。本文给出了纹波、阻抗和能量方程，传导冷却带来的热限制，以及将母线纹波控制在4.4%、平均故障间隔时间(MTBF)达到90,000小时的器件配置。

1. 引言

瓦里安Halcyon公司于2017年将全数字直线加速器推向市场。目前已安装超过2000台，每台都运行固态磁控管调制器，没有氢闸流管。

与线型调制器相比，增益很大。体积从 2 立方米降至 0.3 立方米，重量从 400 公斤降至 80 公斤，抖动从 50 纳秒降至 2 纳秒以下。使用寿命从 30000 小时延长至 100000 小时。

滤波器是提升效率的关键所在。机架没有风扇，所以热量只能通过传导散发，而且元件密度超过每立方分米10个元件。

本文涵盖了三个滤波器节点、纹波和阻抗方程、散热限制、布局规则以及满足这些规则的元件集。

2. 核心机制

2.1 流过扼流圈的纹波电流

扼流圈决定了脉冲期间电流的摆动幅度：

ΔI_pp = V_bus · t_pulse / L_filter

其中 ΔI_pp 为纹波电流（单位：A），V_bus 为母线电压（单位：kV），t_pulse 为脉冲宽度（单位：µs），L_filter 为扼流圈值（单位：mH）。

在 50 kV、4 µs 和 1.5 mH 的条件下，纹波电流为 133 A。该电流流经电池组并使其发热。

2.2 总线上的纹波电压

银行值将电流波动转换为电压波动：

ΔV_pp = ΔI_pp · t_discharge / C_total

其中 ΔV_pp 为纹波电压（单位：kV），ΔI_pp 为纹波电流（单位：A），t_discharge 为放电时间（单位：µs），C_total 为电池组容量（单位：nF）。

在电流为 133 A、脉冲宽度为 4 µs、电容为 18 nF 的情况下，纹波电压为 29.6 kV，占母线电压的 59%。将电容值提高到 36 nF，扼流圈增大到 5 mH，纹波电压可降至 4.4%。

2.3 与磁控管的阻抗匹配

驱动回路的阻抗必须与磁控管的阻抗相匹配：

Z_0 = √(L / C) = R_dyn

其中 Z_0 为回路阻抗（单位：Ω），L 为回路电感（单位：µH），C 为回路电容（单位：nF），R_dyn 为磁控管阻抗（单位：Ω）。

磁控管在 50 kV 电压下消耗 500 A 电流，因此 R_dyn 为 100 Ω。那么 1 nF 的电容需要 10 µH 的电感，2 nF 的电容需要 20 µH 的电感。

2.4 银行储存的能量

银行必须储存足够一次脉冲所需的能量：

E = ½ · C_total · V_bus²

其中 E 为存储的能量（单位：焦耳），C_total 为储能容量（单位：纳法），V_bus 为母线电压（单位：千伏）。

六个 3 nF、50 kV 的部件可容纳 22.5 J 的电流。这足以在 2.5 MW 的功率下产生 4 µs 的脉冲，并且还有余量。

2.5 底板上的温度升高

由于没有风扇，各个部件通过机箱散热：

ΔT = P_loss · R_th

其中 ΔT 为温度升高值（°C），P_loss 为损耗值（W），R_th 为热阻值（°C/W）。

当损耗为 40 W，温度为 0.75 °C/W 时，温度升高 30 °C。超过该值后，热点温度将超过 105 °C，部件老化速度加快。

图 1 — 三个 SSMM 滤波器节点及其测量增益：总线纹波从 59% 降至 4.4%，尾部过冲从 25% 降至 5% 以下，上升时间为 200 ns 至 100 ns。

3. 工程痛点

痛点一：首轮银行未能达到波纹目标

一个 1.5 mH 的电感器搭配 18 nF 的电容，在 4 µs 的脉冲上会产生 59% 的纹波。这种纹波波动会跟随磁控管的驱动，导致输出脉冲下降，剂量率也随之变化。解决方法是在电感器两端都增加电容值：36 nF 和 5 mH。

痛点二：传导冷却没有余地

该机架没有风扇。热量通过一块5毫米厚的铝板和50-100微米厚的导热硅脂散发。温度超过105°C的热点会使零件寿命减半，而接触不良的200克零件的温度会高于相邻零件。

痛点3：漏感上的尾环

变压器漏感和杂散电感形成一个环路，该环路在脉冲尾部产生振铃效应。测得的过冲达到 25%，反射功率接近 -15 dB。该振铃效应驱动阴极发射，并给输出脉冲增加抖动。

痛点 4：货架太小，零件数量不够。

密度为每立方分米 10 个零件，因此带焊接引脚的通孔零件会占用大量空间并增加组装时间。每个零件的安装时间为 30 秒，对于 2000 个零件的批量生产速度来说太慢了。

4. 设计步骤

策略 1：根据纹波目标确定直流链路容量

首先设定纹波目标值，然后同时求解电容 C 和电感 L。一个 36 nF 的电容组搭配一个 5 mH 的电感，在 50 kV 电压下纹波为 4.4%。如果仅将电感值增加到 5 mH，纹波值只能达到 17.8%，因此电容 C 和电感 L 的值都需要调整。

策略二：使用低ESL（英语学习障碍）且引线较短的部件

保持元件的静电放电 (ESL) 低于 5 nH，并将引线剪短至 5 毫米以下。将旁路元件放置在每个 IGBT 级 5 毫米以内，并将高频路径作为阻抗为 50 Ω 的带状线放置在第 3 层上。

策略三：绕过阴极

在磁控管阴极安装四个 470 pF 30 kV 的元件。它们承载高频电流，否则变压器漏感会产生振铃效应。测得的尾部过冲从 25% 降至 5% 以下。

策略四：磨利主刃

在脉冲变压器初级绕组上并联两个 1 nF 40 kV 的电容。它们以短脉冲形式提供前沿电荷，测得的上升时间从 200 ns 降至 100 ns。将局部放电 (PD) 保持在 5 pC 以下，以保证脉冲边缘干净。

策略 5：将回路电阻调整至 100 Ω

将 Z_0 = √(L / C) 设置为磁控管的阻值 100 Ω。使用 1 nF 电容时，回路需要 10 µH 的电感；使用 2 nF 电容时，需要 20 µH 的电感。阻抗不匹配会导致功率反射回扼流圈，并使线圈尾部的磁环上升。

策略六：通过传导冷却并测试其热度

将零件用 5 W/m·K 的润滑脂以 50–100 µm 的深度固定在 5 mm 厚的铝板上，并将 M5 螺柱的扭矩设置为 3 N·m。满负荷运行 8 小时，并将温度上升保持在 30 °C 以下，热点温度低于 105 °C。

组件参数	典型值	测试条件
主筛选值（HVDCT-302/60kV)	3 nF，6 个并联	50 kV 母线，4 µs 脉冲
每个过滤器部件的 ESL	低于 5 nH	1 MHz
每个过滤器部件的ESR	低于 30 mΩ	1 MHz
阴极旁路（HVCT-471/30kV)	470 pF，4 部分	峰值50千伏
磨削部分（HVDCT-102/40kV)	1 nF，2 部分	PD低于5 pC
快速恢复二极管（HVD-30)	trr 低于 50 ns	30千伏，5安培
满负荷运行时热上升	低于 30°C	8 小时，仅传导

5. SSMM过滤器的HVC部件

滤波器由四种类型的部件组成：直流链路组、阴极旁路、初级锐化部分和 整流二极管HVC 在东莞一座 6000 平方米的自有工厂内生产这四个部件，并将它们与阻尼电阻器匹配成一套。

这里需要考虑的六个参数

• 主滤波器为 3 nF，60 kV。六个并联的滤波器可提供 18 nF 的电容和 22.5 J 的能量，体积为 1.5 dm³，重量为 1.2 kg。爬电路径高于 20 mm/kV，覆盖 50 kV 母线。
• ESL低于5 nH。 HVCT门把手部件 使用 M5 螺纹端面而不是焊接引脚，这样回路就会保持较短，环路就会保持较低。
• 阴极旁路电容为 470 pF。四个 30 kV 的部件使尾部过冲保持在 5% 以下，并将反射功率从 -15 dB 提升至 -25 dB。
• 在 1 nF 和 40 kV 下进行锐化。两个部分将上升时间从 200 ns 缩短到 100 ns，在 1.5 倍额定电压下将 PD 保持在 5 pC 以下。
• 协调的部件。 快速恢复二极管 对于整流桥， HVR-HTE 阻尼电阻器 对于IGBT缓冲器，以及 HVRGHP采样电阻器 公交车感应器可以作为一个整体订购。
• 与一线品牌交叉参考。HVC部件符合以下电气参数： 日前，Vishay采用AVX、Murata和TDK的零件。一次测量的组装将零件成本降低了38%，体积降低了35%，并将MTBF从35000小时提高到90000小时。

交付和支持

标准件的交货周期为 4-8 周，配套滤波器组的交货周期为 6-10 周，而上述品牌通常需要 20-30 周。HVC 应用工程团队提供纹波设计、阻抗匹配和散热布局方面的支持。

请提供总线电压、脉冲宽度、重复频率和空间限制。HVC 将在五个工作日内寄回一份包含零件编号、纹波数据和两份样品的配套表格。

6. 常见问题

问题1：50 kV SSMM 需要多大的母线电容？

足以将纹波控制在 5% 以下。一个 1.5 mH 的扼流圈搭配 18 nF 的电容，在 4 µs 的脉冲上会产生 59% 的纹波。一个 36 nF 的电容组搭配 5 mH 的扼流圈，可以达到 4.4% 的纹波。此外，该电容组还必须能够存储脉冲能量：18 nF 的电容在 50 kV 电压下可以存储 22.5 J 的能量。

Q2：为什么不单独提高阻风门阻值呢？

5 mH 电感搭配 18 nF 电容组仍然会产生 17.8% 的纹波，因为纹波电压在两个值之间平分。两边都必须移动：5 mH 电感搭配 36 nF 电容组时，纹波可达 4.4%。此外，额外的电感还会使 0.3 m³ 的机架增加 1.5 kg 的重量和 0.4 dm³ 的体积。

Q3：阴极旁路部分的作用是什么？

它承载磁控管阴极的高频电流，因此变压器漏感不会反射回驱动电路。四个 470 pF 30 kV 的元件将尾部过冲从 25% 降低到 5% 以下，并将反射功率从 -15 dB 提升到 -25 dB。

Q4：我可以不开风扇运行过滤器吗？

是的，如果损耗保持较低水平。在损耗为 40 W 的情况下，通过涂覆导热系数为 5 W/m·K 的导热硅脂的 5 mm 厚铝板进行传导，温度可升高 30 °C。损耗超过 200 W 时，需要强制风冷；损耗超过 500 W 时，则需要水冷。

Q5：如何设置锐化部分的值？

从回路阻抗开始：对于一个在 50 kV 电压下电流为 500 A 的磁控管，Z_0 = √(L / C) = 100 Ω。使用 1 nF 的电容，回路需要 10 µH 的电感。在初级线圈处使用两个 1 nF、40 kV 的电感，可以将上升时间从 200 ns 缩短到 100 ns。

Q6：在制造之前，需要进行哪些测试来验证过滤器设计？

三、在最差脉冲宽度下进行纹波计算，在满载下进行 8 小时的热测试，温度上升低于 30°C，并进行 1000 次脉冲的抖动测试，结果低于 2ns。超过 105°C 的热点将导致设计失败。

7。 参考

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2. IEC 60601-2-1:2020， 医用电气设备——第 2-1 部分：1 MeV 至 50 MeV 电子加速器基本安全和基本性能的特殊要求日内瓦：IEC，2020。
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11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com