Высоковольтные источники питания для (гео)физики, Довольно общая тема Опции

[TheMad]

Приветствую всех на форуме!
Иногда кажется странной столь низкая популярность "высоковольтного" раздела электроникса. Вроде и высокое напряжение много где применяется, и трудностей там технических ой как много, и специалисты (надеюсь) есть, а на форуме тишина и покой. Может быть где-то ещё в интернете есть секретное место где общаются разработчики высоковольтной аппаратуры?

Поводом для создания темы послужила необходимость время от времени делать высокольтные источники питания для различных физических экспериментов которые можно условно поделить на две группы:
(А) Источник питания со стабилизацией напряжения (иногда управляемые) при небольшом токе (до единиц мА) - как правило питание ФЭУ (это можно с очень большой натяжкой считать высоковольтным БП), ЭОПов, создание коронного разряда в озонаторах оригинальной конструкции и т.п.
(Б) Источник питания для заряда конденсатора применяющегося в импульсном генераторе на газоразрядном приборе - типично, например, что нужно зарядить 200-1500 Пф до 20-100 кВ 10-500 раз в секунду.

В скором времени у наших геофизиков будут стоять задачи экспериментировать в полевых условиях, это накладывает ограничения на массогабаритные показатели оборудования.
И вот тут-то и начинается самое интересное. При отсутствии массогабаритных ограничений, а также при наличии в ближайшей стене розетки 220 вольт такие вещи делаются без особых проблем.
При переходе на автономные источники питания возникает желание в оптимизации КПД и массогабаритных показателей, а с этим всплывает масса подводных граблей.
По этой причине хотелось бы послушать людей с опытом, ну или хотя бы рекомендации правильной литературы по этому вопросу, ибо общего плана книг много, а конкретики обычно никакой.

Как бы вы строили следующие устройства? (тем же напишу собственные мысли для критики и волнующие меня вопросы):

(А) Зарядное устройство заряжающее два конденстаора по 500 Пф относительно общего провода, один в плюс 40-50 кВ, другой в минус. Напряжения на конденсаторах должны быть одинаковы по модулю в пределах +-5-10%, чем одинаковее тем лучше. После полной зарядки в произвольный момент времени происходит разряд этих конденсаторов практически до нуля через внешние цепи нагрузки, после чего нужно произвести заряд снова. Процесс заряда должен занимать 100-200 мс так как через 200 мс или около того конденсаторы снова будут разряжены.

(мысли для критики) Эти заряженные конденсаторы - 1.25 джоуля всего. Зарядить их за, скажем, 100 мс - всего 12.5 ватт. Чтобы много не мотать и обеспечить симметричный относительно общего провода сигнал на вторичной обмотке можно использовать схему типа флайбэка, модифицировав её следующим образом: первичная обмотка делается с отводом от середины, в цепи стоков ставится по быстрому диоду в прямом направлении. Таким образом мы получаем "двухтактный флайбэк", с вторичной обмотки которого двухполупериодным выпрямлением можно получить искомое. Прикидка трансформатора (скорее двухобмоточного дросселя) на сердечнике http://www.farnell.com/datasheets/1872306.pdf с зазором 0.5 мм даёт (при 12-вольтовом питании) порядка десятка витков первички.

(волнующие меня вопросы) Где та грань до которой выгоднее (размер, вес, КПД) домотать витки, а после которой увеличить коэффициент умножения выходного умножителя? Какой способ ограничения\стабилизации выходного напряжения выгоднее применять: ШИМ или ЧИМ? ЧИМ кажется выгоднее энергетически: при правильной работе за один импульс передаётся наибольшее кольчество энергии во вторичную цепь при наилучшем соотношении "прокачка\потери". Как монтировать такого рода устройство и что использовать в качестве компаунда для его заливки? При экспериментах с трансформаторным маслом было обнаружено что из-за его подвижности происходит ощутимая утечка заряда с высоковольтных цепей. Какие и с каким коэффициентом запаса компоненты выбирать?

(Б) То же что и (А), но не зарядник конденсаторов а источник напряжения. Выход - +- 40-50 кВ, ток - 1-3 мА.

(мысли для критики) Судя по наличию портативных рентгеновских аппаратов для стоматологии задача вполне разрешимая при малых размерах и массе и (вероятно) при хорошем КПД. Но ни разу не удавалось найти сервисмануала на такого рода технику.
Волнующие меня вопросы аналогичны предыдущему пункту.

Гуру высокого напряжения, ау!

[TheMad]

Спасибо за ответ и ссылку на статью, четвёртая её часть довольно полезна. Но всё равно не покидает ощущение того что статья могла бы быть и более подробной, с аргументацией применения тех или иных технических решений.
Также есть ощущение что про диаметр провода для первичной обмотки (часть 4, раздел "высоковольтный блок(генераторное устройство)) немного приврали: два трансформатора имеют суммарную мощность 250+ Вт (250 Вт выходная плюс все потери в выходных умножителях и прочих цепях), а первичная обмотка намотана проводом диаметром 0.25 мм при первичном питании 200 вольт, это даёт плотность тока около 25 А\мм2 если не учитывать потери. Вероятно там опечатка или небольшое преднамеренное искажение.
Ну и конечно же габаритные размеры не идут ни в какое сравнение с, например, вот этим прибором: http://www.posdion.com/eng/pro/rextar_x.html - там в небольшую коробочку весом всего 1.6 кг умудрились запихать источник 70 кВ 2 мА, аккумулятор и саму рентгеновскую трубку. Я прекрасно понимаю что режим работы у такого устройства возможен только импульсный из-за отсутствия необходимого теплоотвода, но всё равно достигнутый результат кажется фантастикой.


Как я вижу "двухтактный флайбэк":



Диоды включаются в цепи стоков чтобы при возниновении импульсов ЭДС самоиндукции на одном плече обмотки они не открывали body diode транзистора противоположного плеча. Транзисторов с достаточно большим напряжением сток-исток сейчас много и они довольно быстрые для работы в таких схемах. Такого рода схема позволит сильно уменьшить число витков, а с ним и ёмкость вторички, снижая потери на перезаряд этой ёмкости.

Да, использование части индуктивности рассеяния высоковольтной обмотки "в качестве дросселя" - вполне повсеместное явление.

[gte]

У вас потребный диапазон от единиц Вт до 7,5 кВт.
Разные диапазоны по мощности и напряжению, разная схемотехника.

Если вы умеете делать от розетки, то миниатюризация при требуемой надежности до уже кем то достигрутых габаритов это вопрос времени и денег. При условии, конечно, что от розетки делали не с 10 кратными запасами.

В качестве иллюстрации.
Конденсатор выводной Murata на 1000 пФ 15 кВ стоит заметно меньше доллара, а в smd исполнении будут раз в 20 и более дороже. При 100 кВ их 40 - 60 шт.
Для получения минимальных габаритов потребуются расчеты, подтверждение реальными тестами, что еще затратнее при малых тиражах и это требует времени.

По КПД. На 100кВ и 100Вт реальные значения КПД до 85% (по памяти) от питания постоянного тока до выхода при максимальной нагрузке (по переменке на такой мощности точность низкая, измеритель Fluke 39). Данные того же Спеллмана, близкие. Оно и понятно.
Потери в вв трансформаторе, потери на перезарядку в умножителе напряжения (УН), потери из-за паразитных емкостей в УН. Они больше связаны с напряжением, чем с током. При минимальной нагрузке, естественно, КПД не пропорционально уменьшается.

При минитюаризации возрастают требования к изоляторам (компаундам). Потребуется оптимизация частоты преобразования. С увеличением частоты уменьшаются физические габариты, но растут потери.

Чем ниже питание, тем больше коэффициент трансформации. На 100Вт при 12В, по моему мнению, выгоднее будет применить повышаюший DC-DC преобразователь. На 10Вт можно и напрямую, если КПД позволяет.

Выгоднее взять большее переменное напряжение для умножения. Но с повышением напряжения есть проблемы с электроизоляцией и элементрой базой. В первую очередь с конденсаторами УН. Выше определенного напряжения (10-15 кВ) выбор их сильно ограничен, а цены и габариты растут.
По элементной базе смотрите здесь.

Трансформаторы на ETD, на мой взгляд, делать проблематично, посмотрите на U образные, но выбор невелик.
Обязательна заливка с вакууммированием.

[TheMad]

У вас потребный диапазон от единиц Вт до 7,5 кВт.

Думаю что скорее потребный диапазон ограничивается сотнями ватт: пока не было задач где максимальные напряжения до которых надо зарядить конденсатор шли одновременно с максимальными частотами разряда. Большие частоты импульсов - как правило в пределах 15 кВ.
Можно ли где-то посмотреть на практическую схему источника питания на 100 кВ 100 Вт с КПД 85%? Очень интересно было бы. Чувствую что на моём уровне лучше посмотреть на то как делают другие и возможно повторить в точности чтобы прочувствовать это дело получше.
Про компаунды понимаю, вакуумная заливка есть.

rudy_b,

Импульсные аппараты - немного из другой оперы. Там заряд накапливается на конденсаторах на напряжении порядка 10 кВ, к ним через разрядник подключен трансформатор который (сам по себе или с разрядником-обострителем) создаёт импульс 100-300 кВ длительностью в наносекунды.
А вот за ссылки на миниатюрные генераторы рентгена спасибо! Не видел таких мелких. Рентген как таковой меня не интересует, но увидеть бы что внутри этих прекрасных коробочек! Возможно как раз только рентген и поможет: скорее всего там всё залито наглухо.

Сообщение отредактировал Herz - Oct 19 2015, 12:17

Причина редактирования: Избыточное цитирование

[Yuri7751]

А вот за ссылки на миниатюрные генераторы рентгена спасибо! Не видел таких мелких. Рентген как таковой меня не интересует, но увидеть бы что внутри этих прекрасных коробочек! Возможно как раз только рентген и поможет: скорее всего там всё залито наглухо.

Внутри никакой магии. Вот источник от Amptek - 50кВ, 80 мкА:



Обычный Роер и 28 каскадов умножения (умножитель под делителем обратной связи). Трансформатор EFD1820, секционированный. Заливается силиконовым компаундом скорей всего от Dow Corning, мы используем КЕ-1024 от Shin-Etsu.
Конденсаторы умножителя 820пФ, 5 кВ SMD. Управляется роер перевернутым buck-регулятором на LT1738.
Показана только высоковольтная часть (без трансформатора накала), там ещё пара плат - на одной вся аналоговая часть, на второй микроконтроллер и интерфейс.

[gte]

Внутри никакой магии. Вот источник от Amptek - 50кВ, 80 мкА:

Сложнее будет, когда мощность будет больше. Тогда дешевого серийного трансформатора не будет и напряжение на выходе трансформатора надо будет увеличивать.

Если Вас выводной резистор на выходе умножителя стоит, то он никак не тянет на 50 кВ.
А если он композитный, то может быть еще хуже.

[Yuri7751]

Сложнее будет, когда мощность будет больше. Тогда дешевого серийного трансформатора не будет и напряжение на выходе трансформатора надо будет увеличивать.

Если Вас выводной резистор на выходе умножителя стоит, то он никак не тянет на 50 кВ.
А если он композитный, то может быть еще хуже.

Резистор carbon composition 100к. Ту небольшую энергию, что он должен рассеять при пробоях в пушке, он рассеивает без вреда для здоровья. С ним проблем никаких. Но в целом схема пробоев не любит - вылетает операционник в канале измерения тока эмиссии, невзирая на два TVSа. Но американцы махнули рукой, добившись надёжной работы пушки.
Ясен пень, что на бОльшие мощности используем другие топологии. На 40-60кВ, 60Вт (входное 24В, для рентгена) мы и Спеллман/Мацусада () - обычный (почти) пуш-пулл и трансформатор (дешёвый серийный, ага)на ETD (PC44), намотанный универсалью (honeycomb). От обычного пуш-пула отличается добавлением дросселя 1:1 в коллекторы мосфетов для подавления выброса. Число каскадов умножения 18 (для 60кВ). Замечу, что в рентгеновских источниках особо заморачиваться кпд обычно смысла никакого нет (по крайней мере для медицинского и XRF). Хотя в данном случае он не такой уж плохой. Сколько получалось, не помню, но мосфеты не грелись вообще. Грелись только снабберы, но у них судьба такая.
Вот дальше буду делать на 500Вт - будет интересней.

[gte]

Резистор carbon composition 100к. Ту небольшую энергию, что он должен рассеять при пробоях в пушке, он рассеивает без вреда для здоровья. С ним проблем никаких. Но в целом схема пробоев не любит - вылетает операционник в канале измерения тока эмиссии, невзирая на два TVSа. Но американцы махнули рукой, добившись надёжной работы пушки.

Уточню, без вреда для здоровья резистора.
Я думаю, что причина выхода из строя TVS в следующем. Если Вы внимательно изучите тех. документацию на композитные резисторы то найдете такую засаду - уменьшение их сопротивления при увеличении напряжения.
Это проблема многих высоковольтных резисторов, но у композитных проявляется в полной мере. Посмотрите какой у них Voltage Coefficient. Для композитных он может быть до от нуля до -0,1-0,05 %/V . Т.е. при 50 kV исходное сопротивление может упасть в десятки раз. Отсюда и вылеты TVS. Причем, испытание можно пройти, а на другом экземпляре выйдет из строя TVS или в.в. столбы.
Специалисты Спеллман обязаны были это учитывать.

На 40-60кВ, 60Вт (входное 24В, для рентгена) мы и Спеллман/Мацусада () - обычный (почти) пуш-пулл и трансформатор (дешёвый серийный, ага)на ETD (PC44), намотанный универсалью (honeycomb).

Интересно. Можете подсказать марку серийного трансформатора на 60 Вт?

А какова конструктивная емкость обмоток ВВ трансформатора? Или резонансная частота его обмоток? Как она связана с рабочей частотой преобразователя? Вроде в последнее время наметился переход на квазирезонансные преобразователи по типу LLC, поэтому интересна конструкция системы управления таким преобразователем с устройством плавного старта и как подобный преобразователь реагирует на пробой нагрузки.

В.В. трансформатор самый дорогой компонент после умножителя, если он сделан специально для вв. источника. Серийность небольшая.
А в этой схеме небольшая мощность и использован серийный трансформатор от какого-нибудь телевизора.
Так, что как получилось, так и получилось. Может поэтому и остальные выкрутасы.

[Yuri7751]

Я думаю, что причина выхода из строя TVS в следующем.

Вы не поняли - TVS из строя не выходит никогда, но и не спасает вход ОУ. Чудеса какие-то, ни в одной другой такой схеме такого нет, в т.ч. в 60ВТ-ном. Там кстати тоже стоят carbon composition резисторы, только поболее числом.

Интересно. Можете подсказать марку серийного трансформатора на 60 Вт?

Тут уже я наверное неправильно выразился. Я никогда не использую серийных высоковольтных трансформаторов ввиду их отсутствия в природе.
Серийные здесь сердечник (РС40) и катушка:

Высоковольтная обмотка намотана honeycomb методом, как я уже писал.

А в этой схеме небольшая мощность и использован серийный трансформатор от какого-нибудь телевизора.

Какого телевизора? Со свалки что ли? Дык уже и на свалке не найдёшь. Помню, как в 2006 корейцы ржали - мы тогда воевали то ли с Украиной, то ли с Белоруссией из-за газа и лишили Европу поставок. Самсунгу пришлось остановить завод в Словакии, делавший CRT мониторы для отсталой Восточной Европы. В Корее о них уже все забыли к тому времени.

А какова конструктивная емкость обмоток ВВ трансформатора? Или резонансная частота его обмоток? Как она связана с рабочей частотой преобразователя? Вроде в последнее время наметился переход на квазирезонансные преобразователи по типу LLC, поэтому интересна конструкция системы управления таким преобразователем с устройством плавного старта и как подобный преобразователь реагирует на пробой нагрузки.

Не мерял - тут не резонансная схема, но судя по всему мы работаем выше резонанса. Мосфеты включаются мягко, не шумят и не греются вообще.

Резонансный я делал на 400Вт, 15кВ для field emittion дисплея. Только не LLC - из-за паразитной ёмкости трансформатора он у вас вряд ли получится. Скорей LCC (хотя реактивностей там не три). Хорошая топология. Стоит попробовать хотя бы ради интереса, потом и вам понравится .
В том источнике использовал UCC28600, обратная связь по напряжению на ОУ, всё обычно. На пробой реагирует, как и должен - нормально . Правда у меня там была схема защиты. При пробое источник выключается и включается через несколько секунд сам. С плавным стартом, ага. С высокой частоты.
Делал и на сборках от Fairchild - со встроенными мосфетами. В принципе все контроллеры LLC одинаковы - содержат схему плавного пуска и...всё Хоть бы ОУ встроили для приличия.
Но для нынешних рентгеновских дел эта топология мне не подходит из-за необходимости регулирования в очень широком диапазоне, да и нагрузка тоже меняется от ХХ до номинала.
Сейчас у меня лежит Спелманновский рентгеновский источник на 1200Вт. Всё собираюсь посмотреть, как они сделали. Он резонансный, но работает на фиксированной частоте (UC3825) и регулируется от 0 до 50кВ. Причём никаких извращений (типа дополнительных ключей и т.д.) осмотр не выявил. Просто полумост, резонансные компоненты (с использованием индуктивности рассеяния) и всё. Пока непонятно.

[dac]

Вы не поняли - TVS из строя не выходит никогда, но и не спасает вход ОУ. Чудеса какие-то, ни в одной другой такой схеме такого нет, в т.ч. в 60ВТ-ном. Там кстати тоже стоят carbon composition резисторы, только поболее числом.

Странно, у нас было выходили из строя ОУ, который стоит на делителе, добавили один резистор перед входом, проблема ушла, изменение коэф-та компенсировали софтом ( у нас источник управляется микроконтроллером, только ШИМ-ы аппаратные), а вот ОУ которой в токовой цепи, ни разу не умирал. TVS не ставили - слишком большие токи утечки и главное сильно плывут от температуры влияя на результат.
А трансформаторы делаем на U сердечниках.
Делители высоковольтные какие используете, если не секрет? Раньше NICROM использовали, но они перестали их делать