Модульная конструкция генератора Маркса для возбуждения лазерных импульсов TEA.

Модульная конструкция генератора Маркса для возбуждения лазерных импульсов TEA.

Резюме

Лазер на CO2 с использованием TEA работает при давлении, близком к атмосферному, поэтому для пробоя требуется от 30 до 100 кВ, а основной разряд должен заполнить весь зазор в течение десятков наносекунд. Генератор Маркса заряжает свои каскады параллельно и соединяет их последовательно, что позволяет накапливать напряжение без трансформатора сетевой частоты. В этой статье приводятся уравнения накопления и импульсного режима, четыре варианта отказа в полевых условиях и правила проектирования каскадов.

1. Введение

TEA расшифровывается как поперечно возбуждаемый атмосферный. CO2-лазер с TEA работает при давлении газа, близком к атмосферному, поэтому плотность газа выше, чем в лазере с герметичной стеклянной трубкой, и напряжение пробоя также выше. Основной разряд должен покрыть всю площадь электрода за короткое время.

Поэтому источник питания не может просто повысить напряжение до десятков киловольт. Типичной системе требуется напряжение от 30 до 100 кВ на трубке, при этом фронт разряда поднимается за десятки и сотни наносекунд. Когда фронт развивается медленно, разряд начинается в точке максимального поля, образует узкую дугу, расходует накопленную энергию и повреждает поверхность электрода.

Полевые наблюдения показывают две распространенные закономерности. Напряжение холостого хода достигает 50 кВ, но импульс обрывается после подключения трубки. Или импульс выглядит корректно на осциллографе, в то время как лазер дает слабый свет, потому что передний фронт слишком медленный. Ни один из этих случаев не является проблемой номинального напряжения. Оба связаны с тем, как накопленная энергия достигает трубки.

Модульный генератор Маркса решает эту проблему, заряжая N параллельно соединенных конденсаторов, а затем снова соединяя их последовательно за несколько сотен наносекунд. Напряжения на каскадах суммируются, поэтому импульс появляется без использования большого трансформатора сетевой частоты. В этой статье рассматривается принцип каскадирования, энергетические и индуктивные составляющие, согласование каскадов и параметры компонентов, определяющие форму импульса.

2. Основной механизм

2.1 Параллельная зарядка и последовательная разрядка

Каждый каскад содержит один накопительный элемент, заряженный до напряжения V_c. Пока каскады заряжаются, переключатели поддерживают напряжение на всех элементах, подключенных к источнику зарядки, поэтому элементы соединены параллельно. При срабатывании переключатели снова соединяют элементы последовательно, и напряжения суммируются. Для N каскадов идеальный пиковый выходной сигнал равен:

V_out,ideal = N · V_c

где V_out,ideal — идеальное пиковое выходное напряжение в В, N — количество каскадов, а V_c — напряжение зарядки на каскад в В.

В идеальном случае десять ступеней, каждая из которых заряжена до 5 кВ, дают 50 кВ. Реальный импульс ниже, поскольку на него влияют эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), сопротивление переключателя, индуктивность контура, сопротивление нагрузки и разброс параметров запуска:

V_out,real = η_v · N · V_c

где V_out,real — измеренное пиковое значение V, а η_v — эффективность сборки генератора.

η_v — это не число, указанное в технической документации. Оно зависит от соответствия компонентов, времени срабатывания, механической конструкции и нагрузки, поэтому его необходимо измерять на собранном устройстве. Никакие вычисления не дают точного значения.

2.2 Накопленная энергия и емкость ступени

Энергия на одном из этапов следует за зарядом в накопительной части:

E_stage = 0.5 · C_s · V_c²

где E_stage — запасенная энергия одного каскада в Дж, C_s — емкость каскада в Ф, а V_c — напряжение зарядки в В.

Для N ступеней общая накопленная энергия в N раз больше этой величины. Только часть её достигает трубки, поскольку индуктивность и сопротивление контура определяют скорость высвобождения, и трубка тоже вносит свой вклад. Поэтому выбор части ступени основывается на четырёх параметрах: ёмкости, номинальном напряжении, пиковом токе разряда и внутренней индуктивности.

Слишком малая емкость приводит к тому, что пик импульса пропадает до того, как лазер сможет его использовать. Слишком большая емкость увеличивает время зарядки, габариты и ток переключения. Конструкция должна обеспечивать баланс между энергией импульса, временем нарастания, частотой повторения и тепловыделением.

Исходя из энергии, необходимой для импульса, произведите расчеты в обратном порядке:

C_s ≥ 2 · E_required / V_c²

где C_s — емкость ступени в Ф, E_required — энергия, передаваемая за импульс в Дж, а V_c — напряжение заряда на ступень в В.

Для 10-ступенчатой ​​схемы, которая должна выдавать 40 Дж на импульс, требуется 0.8 Дж на ступень. При напряжении 5 кВ на ступень C_s ≥ 64 нФ. Добавьте запас на потери в контуре и падение напряжения, затем проверьте результат, сравнив его с нагрузкой лампы при 100 кВ.

2.3 Индуктивность определяет фронт импульса

Реальная часть содержит эквивалентную последовательную индуктивность, а токовый контур добавляет свою долю. На входе ток изменяется быстро, поэтому индуктивность контура создает падение напряжения, которое никогда не достигает лампы:

V_L = ESL · di/dt

где V_L — индуктивное падение напряжения в В, ESL — индуктивность контура в Гн, а di/dt — крутизна тока в А/с.

Петля импульса с индуктивностью 50 нГн и током 1 кА, возрастающим за 50 нс, дает di/dt = 2×10¹⁰ А/с и V_L = 1000 В. Этот киловольт теряется из полезного импульса и проявляется в виде выброса и колебаний. В многоступенчатой ​​схеме этот член повторяется на каждом этапе, поэтому время нарастания увеличивается, а вершина импульса теряет свою плоскую форму.

2.4 Диапазон срабатывания определяет, суммируются ли напряжения.

В качестве переключателей ступеней используются искровые разрядники, газовые переключатели, твердотельные устройства или их комбинация. Каждый тип имеет задержку срабатывания и разброс времени работы. Когда одна ступень замыкается раньше следующей, компоненты не соединены последовательно в один и тот же момент, и выходной сигнал возрастает ступенчато:

ε_sync = Δt / t_r

где ε_sync — ошибка синхронизации, Δt — разница задержек между соседними этапами в секундах, а t_r — целевое время нарастания в секундах.

При целевом времени нарастания 100 нс, разброс в 10 нс уже дает ε_sync = 0.10. На выходе наблюдаются ступенчатые колебания или сильные звоны, первый замыкающийся переключатель несет большее напряжение, чем остальные, части каскада разряжаются на разную глубину, а зазор TEA пробивается неравномерно, что повышает вероятность локальной дуги.

Рис. 1 — Количество каскадов, запасенная энергия, индуктивность петли и разброс триггера определяют импульс Маркса под нагрузкой, а не напряжение холостого хода, считываемое щупом.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Высокое напряжение холостого хода, но слабый импульс под нагрузкой.

При отсутствии нагрузки щуп на выходе показывает 50 кВ или более. Подключите лампу, и пиковое значение упадет, а вершина импульса схлопнется. В большинстве случаев это объясняется двумя причинами: слишком малой эффективной энергией на каждом этапе и слишком большим сопротивлением или индуктивностью в цепи разряда. Показания разомкнутой цепи ничего не говорят о токе, который может выдать этап за 100 нс.

Болевой пункт 2: Медленный фронт сжимает разряд в одну дугу.

Высокая эквивалентная последовательная индуктивность (ESL), длинные соединения каскадов или поздние каскады — всё это растягивает фронт. В результате газ пробивается в самом сильном локальном поле, а не по всей площади разряда. В результате образуется яркая узкая дуга внутри трубки со слабым лазерным излучением. После достаточного количества импульсов на электродах остаются следы обгорания, и зазор становится сложнее активировать при том же напряжении.

Проблема 3: Распределение по стадиям снижает эффективность штабелирования.

Каждый каскад должен соответствовать своим соседям. Каскад с меньшей емкостью быстрее теряет напряжение во время импульса. Каскад с более высоким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) сильнее нагревается и ограничивает пиковый ток. Каскад с большей утечкой может никогда не достичь целевого значения заряда. Краткосрочный результат — более слабый импульс. Долгосрочный результат хуже: нагретый каскад сильнее нагревается, распределение напряжения становится более неравномерным, и один из каскадов может достичь пробоя изоляции.

Проблема 4: Частота повторения превышает скорость зарядки.

После каждого импульса каждый каскад должен перезарядиться, и тепло от ESR должно отводиться. Слишком большой зарядный резистор приводит к тому, что компоненты не достигают целевого напряжения до следующего импульса. Слишком маленький резистор увеличивает пиковый зарядный ток и рассеиваемую мощность резистора. Источник питания, который выглядит чистым при низкой частоте повторения, может демонстрировать падение амплитуды импульса и дисбаланс каскадов по мере увеличения частоты.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Рассчитать параметры сценической части, исходя из энергии и напряжения.

Установите количество каскадов, исходя из целевого выходного напряжения и напряжения зарядки каждого каскада. Затем определите емкость, исходя из энергии импульса, используя формулу C_s ≥ 2·E_required/V_c². Номинальное значение для каждого каскада должно быть выше V_c, а не равно V_c, поскольку неравномерное время переключения и отраженные волны приводят к перенапряжению. Запас примерно в 1.5 раза покрывает это, а высоковольтный щуп на одном из каскадов подтверждает реальное значение.

Стратегия 2: Создание короткой петли с низкой индуктивностью для каждого каскада.

Вместо тонких длинных проводов используйте короткие и широкие медные шины. Расположите прямой и обратный пути близко друг к другу, чтобы уменьшить площадь петли. Сделайте каждый каскад механически идентичным, чтобы ни один каскад не имел необычно длинного соединения. Подведите клеммы компонентов, клеммы переключателей и обратный путь к одному и тому же узлу и прикрепите компонент к пластине так, чтобы петля замыкалась на небольшой площади.

Стратегия 3: Сопоставьте этапы перед сборкой.

Используйте одну партию, одну спецификацию и один корпус для всей сборки. Перед сборкой зафиксируйте емкость, потери и сопротивление изоляции для каждого элемента. Поддерживайте емкость в пределах ±2% от расчетного значения, поддерживайте эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) каждого каскада близким к групповому значению и поддерживайте сопротивление изоляции таким образом, чтобы токи утечки при зарядке оставались одинаковыми. Согласование параметров предотвращает ситуацию, когда один каскад становится пределом для всей сборки.

Стратегия 4: Сделайте механизм срабатывания и защиту измеримыми.

Вместо наблюдения только за выходным сигналом используйте по одному токовому и одному высоковольтному пробнику на каждый каскад. Проверьте задержку запуска на соответствие допустимому диапазону, проверьте наличие повторного пробоя после замыкания ключа, сравните остаточное напряжение на каскадах после импульса и убедитесь, что сброс завершен перед следующим зарядом. Для искрового разрядника отслеживайте давление, влажность, расстояние между электродами и поверхность электрода. Для твердотельного ключа проверьте изолированное управление, контур управления затвором и перенапряжение выключения.

Стратегия 5: Разрабатывайте компоненты для зарядки, откачки воздуха и выравнивания грунта одновременно.

Зарядный резистор устанавливает время перезарядки и зарядный ток. Разрядный резистор устанавливает время разряда после выключения. Градационный резистор распределяет напряжение между последовательно соединенными компонентами или каскадами.

Размеры каждого элемента определяются энергией импульса и непрерывным рассеянием, используя формулу P_R(t) = V_R²(t)/R в наихудшей точке формы сигнала. Деталь, длительное время находящаяся под высоким напряжением с недостаточным запасом энергии, локально нагревается и изнашивает изоляцию, что приводит к пробою между каскадами.

Стратегия 6: Оценивайте пульс по трем показателям формы волны.

Одного лишь пикового напряжения недостаточно для описания выходного сигнала лазера Маркса. Измерьте время нарастания от 10% до 90% от пикового значения, падение амплитуды на плоской вершине в процентах от ширины импульса и амплитуду колебаний после основного импульса. Медленный фронт вызывает искрение, большое падение амплитуды делает энергию лазера нестабильной, а сильные колебания создают дополнительную нагрузку на электроды. Повторно измерьте все три параметра после любых изменений в детали, переключателе или соединении.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальная мощность (серия HVR)	50 Вт при 70 ° C	алюминиевый корпус, свободный поток воздуха
Значение сопротивления	10 кОм ±5 %	эталонная температура 25 °C
Рабочее напряжение	10 кВ переменного/постоянного тока	(CIJ)
Устойчивость к импульсам	30 кВ при 10 мкс	10 импульсов, класс IEC 60110
Температурный коэффициент (резистивный)	±50 частей на миллион/°C	от −55 °C до +155 °C
сопротивление изоляции	> 1 ГОм при 1000 В постоянного тока	мин. ползучесть 25 мм
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка

5. Компоненты HVC для каскада Маркса

Компания HVC производит компоненты каскадов, согласующих устройств и демпфирующих элементов для импульсных источников питания на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывая диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ. Ассортимент продукции включает в себя конструкции от нескольких каскадов до полноценных систем на 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• TCC составляет ±30 ppm/°C. Тепло, выделяемое при зарядке и разрядке, незначительно изменяет значение параметра ступени, поэтому ступени остаются в схожих электрических условиях в течение длительного периода времени.
• Коэффициент DF ниже 0.1%. Потери на импульс остаются низкими, поэтому температура каскада не повышается с увеличением частоты повторения, и дрейфовая цепочка от нагрева к дрейфу и к рассогласованию остается замкнутой.
• Крепление с низким уровнем звукового давления. HVCT8G В конденсаторах типа "дверная ручка" используются винтовые клеммы, которые укорачивают петлю относительно выводного элемента, что обеспечивает крутой фронт, необходимый для работы конденсатора с зазором типа TEA.
• Контроль частичных разрядов при 5 пКл или ниже при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. В стеке с напряжением от 30 до 100 кВ поле на острой границе уменьшает запас изоляции, а экранирование отдельных элементов удаляет части, которые начинают разряжаться преждевременно.
• Степень теплоизоляции соответствует этапу строительства. N4700 Керамические дисковые элементы работают в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ, поэтому при проектировании стека можно выбирать элемент для каждой ступени, вместо того чтобы снижать мощность одного элемента для каждой позиции.
• Сопутствующие элементы сцены. толстопленочные резисторы охватывают положения зарядки, прокачки и выравнивания, а также быстровосстанавливающиеся диоды Закройте позиции выпрямителя и изоляции.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты каскадов с данными о емкости и потерях — в течение 6–10 недель. Техническая поддержка включает в себя подбор каскадов, выбор компонентов для каждой позиции и тестирование образцов по измеренной форме сигнала, включая HVRGXP резисторы выборки для цепи измерения напряжения.

Передайте количество этапов, напряжение зарядки, ширину импульса, частоту повторения и доступное пространство. HVC вернет номера деталей. Перекрестная ссылка Проверка осуществляется на основе компонентов Vishay, Murata, TDK и KEMET, а также образцов, собранных на одном этапе, чтобы можно было валидировать стек по одному модулю за раз.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему импульс прерывается при подключении лазерной трубки?

Поскольку значение холостого хода не отражает энергию, которую может выдать каскад. Десять каскадов при 5 кВ дают 50 кВ в идеальном случае, а реальный пик следует за η_v·N·V_c. Сопротивление контура и индуктивность также играют свою роль, и лампа потребляет большой ток в течение 100 нс. Перед повышением напряжения зарядки проверьте емкость каскада, индуктивность контура и время срабатывания переключателя.

В2: Какая емкость необходима для каждого каскада?

Расчет производится исходя из энергии импульса: C_s ≥ 2·E_required/V_c². 10-ступенчатая схема, которая должна выдавать 40 Дж на импульс, требует 0.8 Дж на ступень, что при 5 кВ на ступень составляет 64 нФ. Добавьте запас на потери в контуре и падение напряжения, затем подтвердите значение на нагруженном сигнале. Одних только арифметических вычислений недостаточно.

В3: Как ESL влияет на фронт импульса?

Это приводит к падению напряжения, которое не достигает трубки. Петля 50 нГн с током 1 кА, возрастающим за 50 нс, дает di/dt = 2×10¹⁰ А/с и падение напряжения 1000 В. Делайте каждую петлю короткой и широкой, используйте компонент с низким уровнем ESL и рассматривайте компонент, переключатель и соединение как одну петлю. Длинные внешние провода нивелируют преимущества компонента с низким уровнем ESL.

Вопрос 4: Насколько точным должно быть совпадение сцен?

Поддерживайте емкость в пределах ±2% от расчетного значения и следите за тем, чтобы значения ESR каскадов были близки друг к другу. Каскад с меньшей емкостью быстрее теряет напряжение, а каскад с более высоким ESR сильнее нагревается, поэтому эффективность сборки снижается, а распределение напряжения изменяется. Используйте одну производственную партию и запишите данные по каждому изделию перед сборкой.

В5: Как установить время срабатывания триггера?

Сначала установите целевое время нарастания, затем удерживайте задержку между каскадами менее 10% от него. При t_r = 100 нс это окно в 10 нс. Используйте один токовый датчик на каждый каскад для измерения реальной задержки, проверяйте остаточное напряжение после каждого импульса и убедитесь, что сброс завершен перед следующим зарядом.

В6: Что следует записать на осциллограмме?

Для каждого изменения необходимо учитывать три параметра: время нарастания от 10% до 90% от пикового значения, спад амплитуды на протяжении всего импульса и амплитуду колебаний после основного импульса. Одно только пиковое напряжение не учитывает медленный фронт, спад амплитуды и сильные колебания, а каждый из этих факторов влияет на выходную мощность лазера или срок службы электрода.

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. МЭК 61071, Конденсаторы для силовой электроникиЖенева: МЭК, 2017.
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. И. Чен, Ф. Лин, Х. Ли, Ф. Лю, М. Чжан и З. Ли, Исследование самовосстановления и характеристик срока службы металлизированного пленочного конденсатора в условиях высокого электрического поля., в сборнике трудов конференции IEEE Pulsed Power Conference 2011 года, стр. 711-716, 2011. https://doi.org/10.1109/ppc.2011.6191497
8. США 3,721,871, Монолитный керамический конденсатор высокого напряженияДж. Херон, патент выдан в 1973 г., https://www.freepatentsonline.com/3721871.html.
9. Кучинский, Г. С., Высоковольтные импульсные конденсаторы. Ленинград: Энергия, Ленинградское отделение, 1973.
10. MIL-PRF-49470 Ред. D, Конденсатор, фиксированный, с керамическим диэлектриком, импульсный источник питания (общего назначения и термостабильный), стандартная и высокая надежность, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2017.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com