Возбуждение радиочастотой 13.56 МГц для современных источников питания CO2-лазеров

Возбуждение радиочастотой 13.56 МГц для современных источников питания CO2-лазеров

Резюме

В современных CO2-лазерах произошел переход от возбуждения постоянным током к возбуждению радиочастотным полем на частоте 13.56 МГц, поскольку переменное поле распределяет разряд по большей площади и уменьшает распыление электродов. Усиление сохраняется только до тех пор, пока согласующая цепь остается согласованной с импедансом трубки по мере нагрева газа. В этой статье приводятся уравнения импеданса и отраженной мощности, четыре задачи, связанные с полем, этапы проектирования и параметры конденсаторов, обеспечивающие согласование в диапазоне нагрузок.

1. Введение

Первые CO2-лазеры работали от постоянного высокого напряжения. Источник питания подавал напряжение от 20 до 50 кВ на разрядную трубку, газ пробивался, и трубка генерировала луч. Эта схема проста и недорога, поэтому маломощные лазеры на стеклянных трубках до сих пор используют её.

Увеличение мощности и точности резки довели возбуждение постоянным током до предела. Разрядный ток концентрируется в локальных точках, а внутренние электроды подвергаются воздействию тепла и ионной бомбардировки в течение тысяч часов. Распыленный металл попадает на стенку трубки и изменяет характер разряда. Затем выходная мощность падает, а профиль пучка расширяется.

ВЧ-возбуждение создает переменное поле в газе частотой от нескольких мегагерц до нескольких десятков мегагерц. Поле передается через стенку трубки, поэтому ни один внутренний электрод не проводит весь ток. В пластинчатых, волноводных и герметичных CO2-лазерах наблюдается более равномерный разряд, меньшее количество горячих точек и меньшее загрязнение газа.

13.56 МГц — это диапазон ISM, и он находится в полезном диапазоне частот. Частота достаточно высока для быстрого отклика плазмы и достаточно низка, чтобы сделать силовые приборы и согласующие элементы практичными. В этой статье описывается механизм, четыре полевые проблемы, этапы проектирования и технические характеристики согласующего элемента.

2. Основной механизм

2.1 Возбуждение постоянным током и разрядная нагрузка

В системе постоянного тока напряжение источника практически постоянно. После пробоя ток входит в газ через один электрод и выходит через другой. Статическое соотношение простое:

I_DC = V_DC / R_discharge

где I_DC — ток разряда в мА, V_DC — напряжение трубки в кВ, а R_discharge — эквивалентное сопротивление газового столба в кОм. Газовый столб не ведет себя как фиксированный резистор. Его напряжение падает с увеличением тока, поэтому разница ΔV / ΔI становится отрицательной в рабочем диапазоне. Эта кривая создает эффект концентрации тока на кончике электрода.

2.2 Радиочастотное возбуждение и согласующая цепь

Источник ВЧ-сигнала подает на газ переменное поле. Усилитель генерирует ВЧ-мощность, цепь преобразует выходное сопротивление 50 Ом во входное сопротивление лампы, а разделительный электрод создает поле. Активная мощность, достигающая разряда, определяется следующим образом:

P_RF = V_RF · I_RF · cos φ

где P_RF — активная мощность в Вт, V_RF — среднеквадратичное значение ВЧ-напряжения в В, I_RF — среднеквадратичное значение ВЧ-тока в А, а φ — фазовый угол между ними в градусах. Большой фазовый угол означает, что большая часть энергии циркулирует между сетью и лампой, поэтому лишь небольшая её часть попадает в газ.

2.3 Почему 13.56 МГц — наиболее распространенный выбор

13.56 МГц — это один из диапазонов ISM, поэтому он находится в рамках общего нормативного регулирования. Его длина волны в свободном пространстве составляет около 22 м, что намного больше, чем длина волны оборудования. Тем не менее, 50 мм меди несут достаточный фазовый сдвиг, чтобы сместить точку согласования с высоким коэффициентом добротности на этой частоте. Конструкция по-прежнему имеет значение.

На частоте 13.56 МГц согласующий конденсатор емкостью 100 пФ показывает реактивное сопротивление 117 Ом. Изменение его значения на 5 % сдвигает это реактивное сопротивление примерно на 6 Ом, чего достаточно для смещения согласования. Реактивное сопротивление компонента показано ниже:

X_C = 1 / (2π · f · C)

где X_C — емкостное сопротивление в Ом, f — рабочая частота в Гц, а C — емкость в Ф. Таким образом, точность измерения емкости и тепловой дрейф определяют отраженную мощность всей цепи.

2.4 Отраженная мощность в несогласованной цепи

Выходной сигнал усилителя редко достигает лампы целиком. Несоответствие параметров приводит к тому, что часть прямой волны возвращается обратно по цепи. Коэффициент отражения показывает величину этой части:

Γ = (Z_L − Z_0) / (Z_L + Z_0)

где Γ — коэффициент отражения, Z_L — приведенное ко входу сопротивление трубки в Ом, а Z_0 — сопротивление системы 50 Ом. Отраженная мощность определяется следующим образом:

P_ref = |Γ|² · P_fwd

где P_ref — отраженная мощность в Вт, а P_fwd — прямая мощность в Вт. При |Γ| = 0.3 около 9 % прямой мощности возвращается в виде тепла. При |Γ| = 0.5 этот показатель достигает 25 %, и усилитель либо сбрасывает сигнал, либо срабатывает тепловая сигнализация. Потери приходятся на согласующие элементы и на кристалл усилителя.

Рис. 1 — Отраженная мощность следует квадрату коэффициента отражения, поэтому расчетный предел 0.22 позволяет сохранить коэффициент возврата ниже 5 % на частоте 13.56 МГц.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Спичка долго не застывает и быстро выходит из строя.

Измеренное при 25 °C сопротивление трубки не совпадает с сопротивлением, которое сеть воспринимает после 1 часа резки. На него влияют тепловая нагрузка газа, разрядный ток и входная мощность. Стационарная сеть, настроенная на стенде, может находиться вблизи оптимальной точки при малой нагрузке и отклоняться от нее при полной мощности.

Признаками неисправности в полевых условиях являются чистый КСВН при низкой мощности и быстрое увеличение отраженной мощности при полной мощности. В этом случае усилитель ограничивает выходную мощность или срабатывает. Работа начинается с составления карты импеданса в холодном состоянии, при номинальной мощности и в горячем состоянии.

Проблема 2: Потери в некоторых компонентах приводят к нагреву согласующей цепи.

На частоте 13.56 МГц согласующий конденсатор может пропускать реактивный ток до 20 А. Его потери зависят от последовательного сопротивления компонента:

P_loss ≈ I_C² · ESR

где P_loss — рассеиваемая мощность в Вт, I_C — среднеквадратичный ток через конденсатор в А, а ESR — последовательное сопротивление в Ом. ESR 50 мОм при 20 А обеспечивает мощность 20 Вт внутри одной детали. Деталь нагревается, её характеристики и потери изменяются, а точка согласования смещается дальше. Затем цикл повторяется.

Болевая точка 3: Короткий проводник перемещает точку сопряжения.

Несколько сантиметров меди невидимы на частоте 50 Гц. На частоте 13.56 МГц тот же стержень увеличивает реактивное сопротивление и сдвигает резонансную точку ветви. Добавление клеммы или перемещение детали на металлическую пластину может сместить оптимум с 13.56 МГц на 12.8 МГц или 14.2 МГц.

X_L = 2π · f · L_loop

где X_L — индуктивное сопротивление в Ом, f — частота в Гц, а L_loop — индуктивность контура в нГн. На частоте 13.56 МГц индуктивность 50 нГн дает 4.26 Ом. В цепи, работающей при сопротивлении от 8 Ом до 30 Ом, это сопротивление достаточно велико, чтобы нарушить фазовое соотношение, необходимое для согласования.

Проблема 4: Один только ВЧ-усилитель не продлевает срок службы лампы.

Возбуждение ВЧ-сигнала снижает распыление электродов только до тех пор, пока поле остается равномерным. Слабое согласование, пульсации на ВЧ-огибающей и медленный дрейф рабочей точки снова концентрируют поле. В результате лампа изнашивается со скоростью лампы постоянного тока, и модернизация не окупается.

Возвращенные устройства демонстрируют закономерность. Срок службы ламп увеличивается, когда усилитель, схема, разделительный электрод и схема петли гармоник спроектированы как единая цепь. Он остается неизменным, когда изменяется только усилитель.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Измерить импеданс трубки до проектирования сети.

Запишите импеданс при низкой мощности, номинальной мощности, полной мощности, холодном пуске и работе при высокой температуре. Затем параметры сети рассчитываются для определенного диапазона, а не для одного статического значения. Конструкция, построенная на основе одной контрольной точки, выходит из строя, как только газ нагревается.

Стратегия 2: Обеспечить регулируемость сети в диапазоне нагрузок.

Используйте переменные конденсаторы, коммутируемые блоки, регулируемый индуктор или тюнер с электроприводом, чтобы точка согласования следовала за нагрузкой. Поддерживайте отраженную мощность в пределах возможностей усилителя, обеспечивайте стабильную активную мощность, подаваемую на лампу, и не нарушайте пределы напряжения и тепловыделения каждой детали.

Скорость настройки должна лишь соответствовать тепловой постоянной времени газа. Быстрый тюнер создает новое переходное отражение, а медленный тюнер теряет нагрузку.

Стратегия 3: Выберите диэлектрик с низкими потерями и низким дрейфом для согласованных компонентов.

Согласующий конденсатор обменивается реактивной энергией на частоте 13.56 МГц в течение многих лет. Его тангенс угла диэлектрических потерь, температурный коэффициент, последовательное сопротивление и последовательная индуктивность должны измеряться одновременно. Диэлектрик класса I, например, N4700 Обладает стабильным значением и низкими потерями во всем рабочем диапазоне, что обеспечивает воспроизводимость точки согласования.

Для больших значений одного лишь номинального постоянного тока недостаточно. Необходимо проверить на стенде ВЧ-напряжение, ВЧ-ток и повышение температуры на частоте 13.56 МГц.

Стратегия 4: Включите в модель паразитную индуктивность и крепление.

Рассматривайте конденсатор, медную планку, винты и кронштейн как единую ВЧ-структуру. Петля с индуктивностью 50 нГн реагирует с сопротивлением 4.26 Ом на частоте 13.56 МГц, и этот член присутствует в каждом уравнении согласования. Делайте петли с высоким током короткими, широкими и симметричными, а длинные выводы — откажитесь от них.

В месте появления пика на выпрямителе, гасите его с помощью HVR-BSP Проверьте резистор в RC-цепи и сравните его пиковое значение с номинальными характеристиками компонента.

Стратегия 5: Проверьте соответствие с помощью измерителя мощности и анализатора сети.

Измерьте прямую мощность, отраженную мощность, КСВН, ВЧ-напряжение на каждом согласующем элементе, повышение температуры каждого элемента, а также импеданс лампы в холодном и горячем состоянии. Моделирование дает только начальные значения. Прототип является эталонным.

Повторите все действия после любой смены марки, корпуса или способа подключения. Два конденсатора с одинаковым номинальным значением могут отличаться по ESR, ESL и собственной резонансной частоте на 13.56 МГц.

Стратегия 6: Оценивать качество пучка, срок службы газа и стоимость технического обслуживания одновременно.

Эффективность ВЧ-цепи оценивается не только по эффективности усилителя. Необходимо проверить равномерность разряда, стабильность режима пучка, нагрев газа при одинаковой выходной мощности, распыление электродов, интервал замены ламп и частоту обслуживания. Конструкция, которая обеспечивает прирост электрической эффективности на 3 % и при этом каждые 6 месяцев выходит из строя согласующий элемент, обходится дороже в эксплуатации.

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 среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
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 МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для согласующей ВЧ цепи

На стабильность работы на частоте 13.56 МГц влияют два параметра: потери на рабочей частоте и стабильность характеристик при нагреве и напряжении. Компания HVC производит компоненты класса I для обоих параметров на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Тангенс угла диэлектрических потерь ниже 0.1 %. Эта деталь выделяет мало тепла на частоте 13.56 МГц, поэтому добротность контура остается высокой, а реактивный ток сохраняет свою амплитуду и фазу.
• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C. Деталь с номинальной емкостью 4700 пФ смещается на 8.5 пФ при повышении температуры на 60 °C, удерживая точку согласования в течение цикла нагрева.
• Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ниже 50 мОм на частоте 1 МГц. При реактивном токе 20 А деталь рассеивает около 20 Вт, а теплопроводность поддерживает температуру корпуса ниже 125 °C.
• Индуктивность петли ниже 8 нГн. HVCT8G Клеммные компоненты с винтовым креплением и комплекты дверных ручек позволяют укоротить сильноточный контур и уменьшить дополнительное реактивное сопротивление длинных проводов.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5–2 раза превышающем номинальное. Экран удаляет компоненты, которые могут деградировать под воздействием длительного ВЧ-излучения, поэтому согласование не смещается в течение всего срока службы.
• Координированные компоненты. резисторы выборки HVRGXP и быстровосстанавливающийся диод Можно подобрать соответствующие конденсаторы для цепи измерения, демпфирующего контура и выпрямительного каскада.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4-8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6-10 недель. К каждому заказу на радиочастотные компоненты прилагаются данные по коэффициенту диэлектрической проницаемости (DF), эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR) и собственному резонансу, измеренные на рабочей частоте, а также... Перекрестная ссылка таблица против серий Вишая, Мураты и TDK.

Отправьте топологию, прямую мощность, пиковое ВЧ-напряжение, карту импеданса лампы и место для монтажа. HVC предоставит схему согласования конденсаторов, варианты соответствующих резисторов и диодов, а также образцы в течение 5 рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему отраженная мощность возрастает при полной мощности?

Поскольку импеданс лампы падает по мере нагрева газа. Схема, настроенная при 25 °C на стенде, находится вблизи оптимальной точки при малой нагрузке и далеко от нее при полной мощности. Составьте карту импеданса в холодном состоянии, при номинальной мощности и в горячем состоянии, а затем рассчитайте параметры схемы для всего диапазона.

В2: Какое изменение емкости допустимо в согласующем контуре?

В рабочем диапазоне температур значение должно оставаться в пределах 2 %, что требует температурного коэффициента около ±30 ppm/°C. На частоте 13.56 МГц компонент с емкостью 100 пФ показывает сопротивление 117 Ом, а изменение значения на 5 % сдвигает это реактивное сопротивление на 6 Ом, чего достаточно для смещения согласования.

В3: Может ли конденсатор большей емкости снизить отраженную мощность?

Нет. Емкость устанавливает реактивное сопротивление на частоте 13.56 МГц, а эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) компонента преобразует реактивный ток в тепло. Компонент, пропускающий 20 А с ESR 50 мОм, рассеивает 20 Вт. Сначала уменьшите ESR и индуктивность контура, а затем настройте значение в соответствии с измеренной отраженной мощностью.

Вопрос 4: Какое значение индуктивности контура является чрезмерным?

В согласующем контуре, работающем при сопротивлении от 8 до 30 Ом, индуктивность составляет около 50 нГн. На частоте 13.56 МГц 50 нГн взаимодействуют с сопротивлением 4.26 Ом, чего достаточно для нарушения фазового соотношения. Винтовые клеммы и клеммы типа «дверная ручка» удерживают индуктивность контура ниже 8 нГн при расстоянии между клеммами 40 мм.

Вопрос 5: Работает ли диэлектрик II класса в согласующей цепи?

Только в тех случаях, когда допуск по значению невелик, а потери малы. Компонент класса II теряет емкость под действием напряжения смещения и приобретает потери при нагреве, поэтому точка согласования смещается одновременно с мощностью и теплом. Для любой ветви, определяющей согласование, используйте диэлектрик класса I.

В6: Какие данные следует записать на первом прототипе?

Пять наборов данных: прямая и отраженная мощность на трех уровнях мощности, КСВН, ВЧ-напряжение и повышение температуры каждого согласующего элемента, а также импеданс лампы в холодном и горячем состоянии. Повторите весь набор данных после смены марки, корпуса или длины выводов.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. CISPR 11:2015+A1:2016, Промышленное, научное и медицинское оборудование. Характеристики радиочастотных помех. Пределы и методы измеренияЖенева: МЭК, 2016.
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. C. Lv, J. Liu, Y. Zhang, W. Lei и R. Cao, Усовершенствованный метод прогнозирования срока службы металлизированных пленочных конденсаторов с учетом гармоник и процесса деградации.Microelectronics Reliability, vol. 114, p. 113892, 2020. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2020.113892
8. MIL-PRF-55681 Ред. H, Конденсатор, чип, многослойный, фиксированный, с керамическим диэлектриком, с установленной и неустановленной надежностью, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2025.
9. 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 .
10. Применение защитных конденсаторов X и Y: Виртуальный круглый стол (Часть 1 из 2) (совместно с Э. Дремером, TDK Electronics, и Д. Вестом, AVX), Power Electronic Tips, 15 октября 2020 г., https://www.powerelectronictips.com/x-and-y-safety-capacitor-applications-virtual-roundtable-part-1-of-2/ .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com