Высоковольтные керамические конденсаторы для L-согласующих цепей радиочастотных CO2-лазеров

Высоковольтные керамические конденсаторы для L-согласующих цепей радиочастотных CO2-лазеров

Резюме

Быстродействующие радиочастотные CO2-лазеры с осевым потоком работают на частоте 13.56 МГц, где кабель сопротивлением 50 Ом соединяется с нагрузкой трубки, изменяющейся от нескольких Ом до более чем 100 Ом. Прямое соединение отражает большую часть прямой мощности и разрушает радиочастотные транзисторы. В этой статье приводятся уравнения L-цепи, события нагрузки, изменяющие согласование, измеренные данные по диэлектрической проницаемости и этапы проектирования, позволяющие удерживать коэффициент отражения ниже 1%.

1. Введение

Быстродействующий радиочастотный CO2-лазер с осевым потоком подает мощность 13.56 МГц в длинную разрядную трубку. Кабель питания имеет характеристическое сопротивление 50 Ом. Импеданс трубки изменяется от примерно 2 Ом до более чем 100 Ом по мере образования плазмы. Прямое подключение отражает большую часть прямой мощности.

Отражённая мощность приводит к трём неисправностям. Она превращается в тепло внутри ВЧ МОП-транзисторов, поэтому усилитель мощностью 1 кВт может выйти из строя за считанные минуты. Она образует стоячие волны, поэтому пиковое напряжение в некоторых узлах достигает уровня, в три-пять раз превышающего выходной уровень. Этого уровня достаточно, чтобы пробить изоляцию кабеля. Она также нарушает фазовую автоподстройку частоты источника ВЧ-сигнала.

Согласующая цепь преобразует импеданс лампы до 50 Ом. Целевой показатель отражения составляет менее 1%, поэтому отраженная мощность остается ниже 1% от прямой мощности. Импеданс лампы изменяется от момента включения до полной мощности, поэтому как минимум один элемент должен быть перестраиваемым.

В данной статье рассматриваются уравнения L-образной сети, изменения нагрузки, нарушающие заданное соответствие, диэлектрические данные, лежащие в основе выбора компонентов, а также этапы проектирования динамической сети на частоте 13.56 МГц.

2. Основной механизм

2.1 Топология L-сети и сопротивление нагрузки

L-образная схема включает одну последовательную и одну параллельную составляющие. Последовательная составляющая располагается между источником и нагрузкой, а параллельная — между нагрузкой и землей. Для емкостной лампы распространенной схемой является последовательный индуктор L и параллельный конденсатор C.

Z_L = R_L + jX_L

Где R_L ​​— сопротивление лампы в Ом, X_L — реактивное сопротивление лампы в Ом, а Z_L — комплексное сопротивление нагрузки. Реактивное сопротивление лампы отрицательно, поскольку нагрузка имеет емкостной характер на частоте 13.56 МГц.

2.2 Компенсация восприимчивости нагрузки

В параллельном участке добавляется проводимость B_C = ωC на нагрузке. Суммарная проводимость становится:

Y' = 1/Z_L + jB_C = G_L + j(B_C − B_L)

Где G_L — проводимость нагрузки в S, B_L — реактивная проводимость нагрузки в S, а B_C — реактивная проводимость параллельной части. Приравняем B_C к B_L, и мнимая часть сократится. В этом случае параллельное соединение будет действовать как чистое сопротивление:

R_p = 1 / G_L

Где R_p — сопротивление после шунтирующей части в Ом. Обычно R_p превышает 50 Ом. Последовательно включенный индуктор добавляет реактивное сопротивление jωL и приводит входное сопротивление к значению, соответствующему кабелю:

Z_in = R_p + jωL

Где ω — угловая частота 2πf в рад/с, L — последовательная индуктивность в нГн, а Z_in — входное сопротивление в Ом. Настройте ωL так, чтобы компенсировать остаточное реактивное сопротивление, и Z_in станет равным 50 + j0 Ом.

2.3 Загрузка событий, которые перемещают матч

В ходе работы лампы импеданс изменяется в четыре этапа. При пробое появляется плазма, и импеданс падает от почти разомкнутой цепи до нескольких Ом менее чем за 10 мкс. Увеличение мощности ВЧ-излучения с 10% до 100% изменяет плотность плазмы и эквивалентное сопротивление. Пульсация накачки изменяет давление газа на ±5% до ±10%, и нагрузка следует за ним. Нагрев электродов повышает температуру стенок и изменяет плотность газа.

Фиксированная цепь может соответствовать только одному значению нагрузки. При отклонении от этого значения коэффициент отражения превышает 10%, и усилитель сильно нагревается. Поэтому в мощных системах используется как минимум один настраиваемый элемент с электроприводом.

2.4 Напряжение, ток и потери в настраиваемой части

Шунтирующая часть пропускает полное ВЧ-напряжение. При частоте 13.56 МГц и мощности 5 кВт на нагрузке 50 Ом среднеквадратичное напряжение на этой части составляет около 500 В. При наличии стоячей волны пиковое значение достигает 3–6 кВ.

ВЧ-ток нагревает деталь через её последовательное сопротивление:

P_loss = I_RF² × ESR

Где P_loss — тепловыделение в компоненте в Вт, I_RF — ВЧ-ток в А, а ESR — последовательное сопротивление в Ом. При ВЧ-токе 5 А и ESR 50 мОм компонент рассеивает 1.25 Вт. Компонент с коэффициентом пропускания 2% на частоте 13.56 МГц увеличивает это значение на порядок, поскольку ESR и DF подчиняются закону ESR = DF / (2πfC).

Последовательный резонанс также определяет верхнюю границу полезного диапазона:

f_r = 1 / (2π · √(L_s · C))

Где f_r — собственная резонансная частота в МГц, L_s — индуктивность выводов в нГн, а C — емкость в пФ. Поддерживайте f_r значительно выше 13.56 МГц, иначе часть диапазона настройки окажется бесполезной.

Рис. 1 — Шунтирующая часть N4700 компенсирует проводимость трубки, а последовательный индуктор возвращает входное сопротивление к 50 Ом по мере нагрева газа.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Тепловой дрейф согласующего элемента.

Шунтирующий элемент с температурной характеристикой −7500 ppm/°C теряет около 15% своего значения после повышения температуры на 20 °C. Падение емкости шунта на 15% смещает точку согласования, и отраженная мощность резко возрастает. Сети, которые сохраняют свои характеристики в течение пяти минут после часовой настройки, обычно возвращаются к этому значению.

Деталь N4700 с температурным коэффициентом замещения ±30 ppm/°C смещается на 0.12% при повышении температуры на 40 °C. Это смещение незначительно по сравнению с диапазоном регулировки сети.

Проблема 2: Диапазон настройки, не достигающий необходимой нагрузки.

Диапазон преобразования L-образной цепи определяется коэффициентом настройки шунтирующей части. При соотношении C_min/C_max, равном 3:1, в некоторых состояниях лампы сопротивление не может достигать 50 Ом при любом угле наклона конденсатора. Остаточное отражение остается выше 5%, и ВЧ-транзисторы сильно нагреваются на протяжении всего срока службы.

Проблемный момент 3: Паразитный резонанс внутри настроечного механизма.

Индуктивность выводов и паразитная емкость образуют последовательный резонанс с корпусом детали. Если этот резонанс находится вблизи 13.56 МГц, часть перемещения остается неизменной, поскольку емкость практически не изменяется в этом диапазоне углов. Корпус с креплением на шпильках и индуктивностью соединения ниже 5 нГн смещает резонанс значительно выше полосы пропускания.

Проблемный момент 4: Механический срок службы регулируемых вакуумных компонентов.

Вакуумный переменный конденсатор обладает высокой добротностью (Q) и номинальным напряжением 15 кВ. Однако он стоит тысячи долларов, весит несколько килограммов, а его сильфон рассчитан на почти 1 миллион циклов. При 10 регулировках в минуту этот предел достигается примерно за 70 дней работы. Керамическая деталь с винтовыми клеммами не имеет сильфона, подверженного усталости.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Измерьте нагрузку в четырех точках электропитания.

Измерьте импеданс лампы с помощью векторного анализатора цепей (VNA) в четырех состояниях: холодном, при 10% мощности, 50% мощности и 100% мощности. Отметьте эти четыре точки на диаграмме Смита и выберите диапазон согласования, охватывающий все эти точки. Схема, рассчитанная для одной точки, выходит из строя в остальных трех.

Стратегия 2: Выберите диэлектрик на основе данных об измеренных потерях.

диэлектрический	TCC	DF на частоте 13.56 МГц	Пригодность для динамической сети
X7R (Класс II)	−7500 ppm/°C	от 1.5% до 2%	Снос и потери слишком велики для выполнения этой задачи.
C0G (Класс I)	±30 частей на миллион/°C	Ниже 0.1%	Пригоден для использования, но низкая диэлектрическая постоянная приводит к значительным потерям.
N4700 (класс I)	±30 частей на миллион/°C	Ниже 0.1%	Стабильная и компактная работа на частоте 13.56 МГц.

Для перестраиваемой и фиксированной шунтирующей частей выбирайте N4700. Его диэлектрическая проницаемость остается ниже 0.1% на частоте 13.56 МГц, а температурная характеристика (TCC) находится в пределах ±30 ppm/°C в диапазоне от −40 °C до +125 °C. Более высокая диэлектрическая проницаемость обеспечивает меньшую величину по сравнению с C0G при той же емкости.

Стратегия 3: Замкнуть контур отслеживания по отражательной способности.

Произведите выборку прямой и отраженной мощности с помощью направленного ответвителя. Вычислите коэффициент отражения как P_rev / P_fwd и измените направление его изменения в ту сторону, которая его понизит. Зафиксируйте положение, когда значение опустится ниже 0.01, и перезапустите поиск, когда оно снова повысится. Цикл «возмущение-наблюдение» позволяет установить соответствие на частоте 13.56 МГц менее чем за 2 секунды.

Стратегия 4: Параллельное добавление неподвижной детали.

Настраиваемые керамические компоненты имеют максимальную емкость около 500 пФ. Для лампы с низким сопротивлением установите фиксированный компонент N4700 параллельно настраиваемому, чтобы увеличить общую емкость шунта. Используйте один и тот же диэлектрик в обоих компонентах, чтобы они смещались в одном направлении, и согласующая дорожка оставалась скоординированной.

Стратегия 5: Создайте последовательный индуктор для обеспечения добротности и охлаждения.

Намотайте последовательный индуктор из посеребренной медной трубки. Значение AQ выше 200 обеспечивает низкие вносимые потери на частоте 13.56 МГц. Охлаждайте катушку сжатым воздухом, поскольку сопротивление меди возрастает с нагревом. Используйте каркас из ПТФЭ или керамики и избегайте попадания металлических частей в магнитное поле катушки.

Стратегия 6: Поддерживать потери на входе близкими к нулю.

Далее следует потеря сигнала:

IL = −10 · log(η)

Где IL — потери в дБ, а η — КПД передачи мощности. Когда коэффициент потерь в шунте снижается с 2% до 0.1%, потери в сети падают примерно с 0.3 дБ до уровня ниже 0.01 дБ. При мощности 5 кВт эта разница составляет примерно 330 Вт, которые теперь достигают лампы.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	Высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с.
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичного значения.
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	при температуре окружающей среды 25 °C.
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами 40 мм.
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 °C, 60% относительной влажности.
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия IEC 60068-2.
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении.

5. Компоненты HVC N4700 для согласования ВЧ-сигнала.

Точность согласования и отраженная мощность обеспечиваются шунтирующими элементами. Согласование зависит от двух параметров: потерь на частоте 13.56 МГц и стабильности при нагреве. Компания HVC производит компоненты N4700 для обоих параметров на заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ и емкость от 10 пФ до 10 нФ.

Измерение тока в том же контуре использует HVRGXP толстопленочные детали с коэффициентом заполнения VCR ниже 0.5 ppm/V.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент детерминации ниже 0.1% на частоте 13.56 МГц. N4700 Компоненты класса I поддерживают высокое значение добротности цепи при токе ВЧ менее 5 А, поэтому диапазон настройки остается широким.
• Диапазон температурной зависимости составляет ±30 ppm/°C. Согласование сохраняется в диапазоне от −40 °C до +125 °C, поэтому настроенная сеть остается настроенной в течение полного сдвига.
• Уровень электростатической проводимости ниже 5 нГн. HVCT8G Комплект для монтажа на шпильку подключается непосредственно к медной шине и смещает собственный резонанс выше полосы пропускания.
• Разрядность ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Низкий уровень разряда обеспечивает стабильность диэлектрика в течение многих лет воздействия радиочастотного излучения, поэтому кривая настройки не смещается.
• Скоординированные демпфирующие элементы. HVR-BSP Трубчатые резисторы поглощают резонансные пики на пути питания.
• Сверка с указанными торговыми марками. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Vishay Детали HVCC, Murata DHS и TDK UHV имеют одинаковые характеристики.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4-8 недель, а подобранные комплекты для настройки — в течение 6-10 недель, в то время как для вакуумных и импортных компонентов этот срок обычно составляет 20-30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в определении характеристик нагрузки, моделировании сети и выборе компонентов.

Укажите частоту, мощность ВЧ-сигнала, диапазон импеданса нагрузки и место для установки. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист соответствия с номерами деталей, данными DF и ESR на частоте 13.56 МГц, а также два образца для оценки.

Питание постоянного тока и выпрямительный каскад могут располагаться в одной стойке. быстровосстанавливающиеся диоды с t_rr ниже 100 нс.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему настроенный ВЧ-согласующий элемент начинает смещаться через несколько минут?

Поскольку шунтирующая часть нагревается, и её ёмкость изменяется. Деталь с температурным коэффициентом замещения (TCC) −7500 ppm/°C теряет около 15% своего значения при повышении температуры на 20 °C, что смещает точку согласования и увеличивает отражённую мощность. Деталь N4700 с температурным коэффициентом замещения ±30 ppm/°C смещается на 0.12% при повышении температуры на 40 °C, поэтому настроенное состояние сохраняется.

В2: Какова необходимая емкость шунта для лазерной трубки CO2 мощностью 5 кВт?

Этого достаточно, чтобы компенсировать проводимость нагрузки на частоте 13.56 МГц. Большинство быстродействующих осевых ламп мощностью от 1 до 10 кВт имеют емкость от 1 нФ до 3 нФ, при этом диапазон регулировки составляет от 10 пФ до 500 пФ. Начинайте с измеренного импеданса нагрузки, а не с таблицы.

В3: Какая индуктивность соединения будет достаточно низкой на частоте 13.56 МГц?

Если индуктивность не превышает 5 нГн, собственный резонанс компонента остаётся значительно выше рабочего диапазона. Корпус с резьбовым креплением M4 или M5 достигает этого значения при длине соединительного кабеля в несколько миллиметров. Длинные выводы длиной 50 мм могут добавить 40 нГн и более.

Вопрос 4: Можно ли использовать компоненты X7R в согласующей сети?

Нет. Микросхема X7R имеет температурный коэффициент теплового расширения (TCC) −7500 ppm/°C и коэффициент дрейфа (DF) от 1.5% до 2% на частоте 13.56 МГц. Дрейф смещает согласование в течение нескольких минут после прогрева, а потери увеличивают вносимые потери примерно с 0.01 дБ до 0.3 дБ. При мощности 5 кВт эти потери составляют приблизительно 330 Вт тепла внутри сети.

В5: Как измерить импеданс лампы?

Используйте векторный анализатор цепей (VNA) с калиброванным приспособлением на клеммах лампы. Запишите комплексное сопротивление в четырех состояниях: при низкой мощности, 10%, 50% и 100%. Отметьте эти четыре точки на диаграмме Смита и рассчитайте мощность сети так, чтобы она покрывала всю область. Одного измерения при низкой мощности недостаточно.

В6: Сколько времени требуется для стабилизации контура слежения?

Цикл «возмущение-наблюдение» обеспечивает согласование на частоте 13.56 МГц менее чем за 2 секунды при использовании шагового двигателя. Цикл сжимает поиск, когда коэффициент отражения падает ниже 0.05, и завершается небольшими шагами. При значении ниже 0.01 контроллер фиксирует положение и останавливает двигатель.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 60825-1:2014, Безопасность лазерной продукции — Часть 1: Классификация оборудования и требованияЖенева: МЭК, 2014.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Цян-Тао Лай, Цзюнь-Фа Мао и Му-Шуй Чжан, Компенсационная схема многослойного керамического конденсатора с блокировкой постоянного тока для высокоскоростных приложений.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 1, no. 5, pp. 742-751, 2011. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2011.2116016
8. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
9. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
10. США 10,529,487, Многослойный керамический конденсатор с внутренними электродами, имеющими различное расположение краев., Taiyo Yuden Co., Ltd., выдано в 2020 г., https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com