Регулирование температуры конденсаторов с винтовыми клеммами в согласующих сетях для CO2-лазеров

Регулирование температуры конденсаторов с винтовыми клеммами в согласующих сетях для CO2-лазеров

Резюме

Возбуждаемый радиочастотным излучением CO2-лазер подает мощность в разрядную трубку через согласующую цепь, а согласующий конденсатор пропускает весь реактивный ток этой цепи. Деталь нагревается, ее емкость изменяется, и цепь отклоняется от точки настройки. В этой статье приводятся уравнения реактивного тока и тепловых процессов, четыре режима отказов, возникающих из-за нагрева конденсатора, а также этапы монтажа и охлаждения, позволяющие поддерживать точку согласования.

1. Введение

CO2-лазер, работающий на радиочастоте, передает свою мощность в разрядную трубку через согласующую цепь. Эта цепь преобразует импеданс источника 50 Ом в импеданс плазмы, который варьируется от сотен Ом до нескольких тысяч Ом.

Сеть, настроенная на стенде, затем начинает дрейфовать в процессе эксплуатации. Возвратные потери возрастают в течение 30-60 минут, эффективность ВЧ-сигнала падает, а мощность лазера увеличивается. Обычно в ответ на это требуется повторная настройка, но дрейф возвращается после следующей регулировки.

Причина кроется в согласующем конденсаторе. По нему протекает большой реактивный ток, поэтому он рассеивает тепло, и его емкость изменяется с температурой. Смещение емкости сдвигает точку согласования, несоответствие увеличивает ток, и деталь еще больше нагревается.

В данной статье рассматриваются реактивный ток в сети, тепловой путь от керамического сердечника к воздуху, четыре режима отказов, наблюдаемых в полевых условиях, и этапы проектирования, позволяющие поддерживать заданную точку согласования в течение всей рабочей смены.

2. Основной механизм

2.1 Реактивный ток через согласующий конденсатор

L-образная или π-образная цепь преобразует импеданс с помощью конденсаторов и индукторов. Плазма содержит реактивную составляющую, поэтому конденсаторы обеспечивают реактивную мощность за счет заряда и разряда в каждом цикле. На частотах 27.12 МГц или 40.68 МГц ток велик.

I_C = 2π · f · C · V_m

где I_C — реактивный ток в А, f — рабочая частота в Гц, C — согласующая емкость в Ф, а V_m — пиковое напряжение на компоненте в В. При частоте 27.12 МГц с компонентом 200 пФ и пиковым напряжением 5 кВ ток достигает пикового значения 170 А.

Большая часть этого тока является реактивной, поэтому он не передает реальной мощности плазме. Он по-прежнему протекает через эквивалентное последовательное сопротивление детали.

P_esr = I_rms² · ESR

где P_esr — потери проводимости в Вт, I_rms — среднеквадратичное значение тока в А, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в Ом. При 120 А среднеквадратичного значения каждые 10 мОм ESR добавляют 144 Вт тепла, а глубина проникновения на частоте 27.12 МГц составляет всего от 12 до 20 мкм, поэтому сопротивление определяется внутренней структурой.

2.2 Диэлектрические потери и их соотношение между материалами

Диэлектрик также преобразует часть реактивной мощности в тепло. Этот параметр зависит от коэффициента потерь материала и квадрата напряжения на нем.

P_df = π · f · C · V_pk² · DF

где P_df — диэлектрические потери в Вт, f — частота в Гц, C — емкость в Ф, V_pk — пиковое напряжение в В, а DF — коэффициент потерь диэлектрика. У N4700 этот показатель ниже 0.1 %, у X7R — от 2 % до 2.5 %, а у Y5V — от 3 % до 5 %, поэтому отношение потерь между компонентом класса I и компонентом класса II составляет от 20 до 60.

Это соотношение определяет разницу температур между ступенями и между компонентами в одном и том же блоке. Блок из четырех параллельно соединенных компонентов работает при четырех разных температурах, и значения емкости расходятся по мере нагрева.

2.3 Тепловой путь от ядра к воздуху

Повышение температуры происходит за счет потерь мощности и общего теплового сопротивления тракта. Тракт состоит из трех участков: от керамического сердечника к корпусу, от корпуса к монтажной поверхности и от этой поверхности к воздуху.

ΔT = P_loss · R_th

где ΔT — повышение температуры относительно окружающей среды в °C. P_loss — полная мощность потерь в Вт, а R_th — полное тепловое сопротивление в °C/Вт.

R_th = R_core-case + R_case-mount + R_mount-ambient

где R_core-case — сопротивление между сердечником и корпусом в °C/Вт. R_case-mount — сопротивление между корпусом и монтажной поверхностью, а R_mount-ambient — сопротивление между этой поверхностью и воздухом.

Температура на участке с выводами достигает 33–85 °C/Вт, при этом средний сегмент образован паяными соединениями и тонкими выводами. Температура на участке с винтовыми клеммами достигает 12–28 °C/Вт, поскольку металлический винт отводит тепло от сердечника непосредственно в подложку. При потерях 2 Вт температура на участке с винтовыми клеммами повышается на 24–36 °C, тогда как на участке с выводами — на 66–170 °C.

2.4 Тепловая петля, которая приводит к расстройке сети

Нагретая керамика теряет емкость, причем потери зависят от материала. У детали класса II, такой как X7R, емкость изменяется на 2–5 % на каждые 10 °C, тогда как у детали класса I — на 0.03 % за тот же период.

Изменение емкости смещает коэффициент преобразования импеданса от его расчетного значения, поэтому отраженная мощность возрастает. Усилитель затем подает больший ток на несогласованную нагрузку, и конденсатор поглощает большую часть этого тока, что снова повышает его температуру. Коэффициент потерь класса II также возрастает с нагревом: у X7R он составляет около 2 % при 25 °C и около 4–5 % при 85 °C.

Петля замыкается сама на себя. Если тепловой поток не разорвет ее, сеть будет постоянно отклоняться от точки настройки, и повторная настройка лишь сбросит ее на следующий час.

Рис. 1 — Крепление с винтовыми клеммами сокращает тепловой путь с 33–85 °C/Вт до 12–28 °C/Вт, поэтому потери в 2 Вт повышают температуру детали на 24–36 °C.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Точка сопряжения смещается по мере нагревания устройства.

При холодном состоянии устройство настраивается на КСВ ниже 1.1. После 30-60 минут работы КСВ достигает 1.5 или выше, усилитель переходит в защитный режим, и лазер теряет выходной сигнал. Каждая повторная настройка позволяет продлить время работы устройства не более чем на час.

Дрейф емкости объясняет наблюдаемую закономерность. Деталь класса II, смещающаяся на 3 % при повышении температуры на 60 °C, сдвигает коэффициент трансформации на несколько процентов, чего достаточно, чтобы вывести потери на отражение за пределы допустимых значений.

Проблема 2: Холодная поверхность над горячим ядром

Показания инфракрасного датчика температуры корпуса в 60 °C выглядят безопасными по сравнению с пределом в 105 °C. Внутренний сердечник нагревается на 20–40 °C сильнее в случае использования свинцового элемента, поэтому керамика может нагреваться выше 100 °C, в то время как корпус остается холодным.

Винтовой клеммный разъем сужает этот зазор до 5–10 °C, поэтому одно и то же показание передает больше информации. Разница обусловлена ​​площадью контакта: винтовое соединение проводит тепло по широкой поверхности, а паяное соединение — по тонкому выводу.

Проблемная точка 3: Неравномерное распределение тока в параллельном блоке.

В мощных сетях реактивный ток распределяется между несколькими компонентами. Компоненты с более низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) пропускают больше реактивного тока и нагреваются сильнее, чем их соседи. После образования разницы температур значения ESR ещё больше расходятся, и один компонент получает ещё большую долю тока.

Затем в блоке компонентов происходит сбой в самой горячей части, которая обычно находится посередине группы. Зазор в 15 мм между компонентами и согласованный набор значений замедляют этот процесс.

Проблемный момент 4: Повреждение кожи и загрязнение поверхности.

На частоте 27.12 МГц ток протекает в слое проводника толщиной от 12 до 20 мкм. Внутренние выводы и винты, не рассчитанные на такую ​​глубину, создают дополнительное сопротивление, которое преобразуется в тепло в месте соединения, а не в керамике.

Пыль и влага создают второй путь утечки. Загрязненная поверхность пропускает ток утечки, а горизонтально установленная деталь собирает и то, и другое. Вертикальный монтаж и влагозащитное покрытие обеспечивают высокое сопротивление поверхности.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диэлектрик класса I для согласования.

Деталь класса I, например N4700 Обладает коэффициентом потерь ниже 0.1 % на частоте 27.12 МГц и температурным коэффициентом ±30 ppm/°C. Эти два свойства одновременно снижают источник тепла и дрейф емкости.

При повышении температуры на 40 °C емкость изменяется на 0.12 %, поэтому коэффициент трансформации остается на заданном уровне. В материале класса II аналогичный параметр изменяется на несколько процентов в этом диапазоне.

Стратегия 2: Закрепить на металлической подложке с помощью винта.

Закрепите деталь винтом M4 или M5 на алюминиевой пластине толщиной не менее 3 мм и нанесите на место соединения термопасту с теплопроводностью 3 Вт/м·К или выше. Металлическая дорожка заменяет паяное соединение и тонкий вывод.

Тепловой сегмент	Свинцовая деталь	Винтовая клеммная часть
От ядра к корпусу	от 8 °C/Вт до 15 °C/Вт	от 5 °C/Вт до 8 °C/Вт
Корпус к монтажной поверхности	от 10 °C/Вт до 30 °C/Вт	от 2 °C/Вт до 5 °C/Вт
Поверхность крепления к воздуху	от 15 °C/Вт до 40 °C/Вт	от 5 °C/Вт до 15 °C/Вт
Всего	от 33 °C/Вт до 85 °C/Вт	от 12 °C/Вт до 28 °C/Вт

Стратегия 3: Выберите метод охлаждения, исходя из потерь мощности.

Естественная конвекция подходит для сетей с выходной мощностью ВЧ ниже 200 Вт. Принудительная вентиляция со скоростью 2–3 м/с подходит для сетей мощностью от 200 до 1000 Вт и предотвращает повышение температуры ниже 15 °C. Водонагревательная плита подходит для сетей мощностью более 1000 Вт и предотвращает повышение температуры ниже 5 °C.

Метод охлаждения следует определить до утверждения механической компоновки, поскольку выбор подложки зависит от этого. HVCT8G Нагрев детали на пластине толщиной 3 мм от сердцевины до воздуха составляет от 12 °C/Вт до 18 °C/Вт, что на 60–70 % меньше, чем у детали, содержащей свинец.

Стратегия 4: Распределить текущие средства между соответствующими банковскими счетами.

Поддерживайте реактивный ток каждого элемента в группе ниже 60 % от его номинального значения. Используйте компоненты из одной производственной партии с согласованной емкостью и распределите их по пластине так, чтобы каждый элемент имел отдельный тепловой путь.

Расстояние между компонентами должно составлять не менее 15 мм, а между компонентом и нагревающимся индуктором — не менее 20 мм. В схеме, использующей один и тот же тепловой путь, небольшая разница эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) превращается в большую разницу температур.

Стратегия 5: Вертикальная установка и экранирование каждой части.

Устанавливайте детали винтом вниз или вбок, чтобы пыль и влага стекали с корпуса. Нанесите влагозащитное покрытие на место установки сетевого модуля в открытом корпусе.

Проверьте каждую деталь на частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Поддерживайте демпфирующие и разрядные резисторы при том же температурном коэффициенте, что и конденсатор, и используйте... пленочный конденсатор для питания сети постоянным током.

A резистор выборки В цепи обратной связи по мощности поддерживается погрешность ±25 ppm/°C, поэтому контур не вносит собственного дрейфа.

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. Винтовые клеммные конденсаторы HVC для согласующих цепей

Для согласования параметров требуется низкий уровень диэлектрических потерь и короткий тепловой путь в одной и той же детали. Компания HVC производит серию HVCT8G на основе материала N4700 класса I с приваренным к керамическому сердечнику винтом M4 или M5. Производство осуществляется на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане и охватывает диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент потерь ниже 0.1 % на частоте 27.12 МГц. Диэлектрическая составляющая остается небольшой, поэтому температура компонента зависит от эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и конструкции системы охлаждения.
• Суммарное тепловое сопротивление от сердечника до воздуха составляет от 12 °C/Вт на алюминиевой пластине толщиной 3 мм. При потерях 2 Вт повышение температуры составляет от 24 °C до 36 °C, тогда как для элемента с выводами оно составляет от 66 °C до 170 °C.
• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C. Повышение температуры на 40 °C изменяет емкость на 0.12 %, поэтому коэффициент трансформации сохраняется, и сеть остается настроенной.
• Контактное сопротивление остается стабильным при термических циклах. После 1000 циклов от −40 °C до +125 °C изменение контактного теплового сопротивления составляет менее 3 %, в то время как для паяного соединения оно составляет от 30 % до 50 %.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, экранирован на единицу. При пиковом напряжении 5 кВ внутренние пустоты не превращаются в источник разряда.
• Координированные компоненты. HVR-BSP Резисторы для демпфирующей ветви, подобранной выпрямительные диоды для каскада питания, а также винтовые клеммы одинакового размера во всем диапазоне напряжений.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, подобранные комплекты — в течение 6–10 недель. К каждому заказу прилагается отчет о емкости, показания коэффициента потерь на рабочей частоте и запись о частичном разряде. Перекрестная ссылка В таблице указаны эквиваленты Vishay HVCC, TDK FHV и Murata для каждой позиции.

Укажите рабочую частоту, реактивный ток, напряжение, метод охлаждения и монтажную схему. HVC выдаст расчет тепловых характеристик, номер детали и два образца для испытания на нагрев.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему сеть начинает тормозить через час?

Поскольку согласующий конденсатор нагревается, и его емкость изменяется вслед за температурой, емкость компонента класса II изменяется на 2–5 % на каждые 10 °C, что сдвигает коэффициент трансформации и увеличивает отраженную мощность. Отраженная мощность увеличивает ток в компоненте, поэтому температура снова повышается.

В2: Насколько сильнее охлаждается деталь с винтовыми клеммами?

Тепловой поток в этом случае составляет от 12 °C/Вт до 28 °C/Вт, тогда как в случае с выводами — от 33 °C/Вт до 85 °C/Вт, поэтому при той же мощности потерь повышение температуры снижается на 50–70 %. При мощности 2 Вт температура в части с винтовыми клеммами повышается на 24–36 °C, а в части с выводами — на 66–170 °C.

В3: Можно ли измерить внутреннюю температуру корпуса?

На клеммах с винтовыми выводами — да, с точностью до 5–10 °C. На клеммах с выводами сердечник нагревается на 20–40 °C сильнее, поэтому показание на корпусе в 60 °C может скрывать температуру сердечника выше 100 °C. На клеммах с выводами измерьте тепловое сопротивление соединения или используйте термопару на корпусе.

Вопрос 4: Сколько частей должны совместно использовать реактивный ток?

Поддерживайте реактивный ток каждой детали ниже 60 % от номинального и используйте столько деталей, сколько требуется для достижения этого предела. Изготавливайте детали из одной партии с совпадающими значениями и размещайте их на расстоянии не менее 15 мм друг от друга, чтобы каждая деталь имела свой собственный тепловой путь. Согласуйте значения с точностью до ±2 %.

В5: Что оказывает наибольшее влияние на нагрев — коэффициент потерь или эквивалентное последовательное сопротивление?

Это зависит от материала и напряжения. Диэлектрическая составляющая зависит от коэффициента потерь, поэтому деталь класса II при коэффициенте потерь 2 % выделяет в 20–60 раз больше диэлектрического тепла, чем деталь класса I при коэффициенте потерь 0.1 %. Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭСС) зависит от квадрата тока, и при 120 А среднеквадратичного значения каждые 10 мОм вносят вклад в 144 Вт.

В6: Что следует измерить в первом образце?

Четыре параметра. Температура корпуса и сердечника после одного часа работы на полной мощности ВЧ, с разницей не более 10 °C между ними. КСВН от холодного запуска до работы в горячем состоянии. Показатель коэффициента потерь каждой детали на рабочей частоте. И контактное тепловое сопротивление до и после цикла термической обработки.

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 62477-1:2022, Требования безопасности для силовых электронных преобразовательных систем и оборудования — Часть 1: Общие положенияЖенева: МЭК, 2022.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, 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. Й. Шнак, С. Брукнер, Х. Сунксен, У. Шуман и Р. Мальвиц, Анализ и оптимизация технологии электролитических конденсаторов для высокочастотного интегрального инвертора.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 11, no. 6, pp. 999-1011, 2021. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2021.3084371
8. ANP109: Импедансные спектры различных технологий конденсаторов, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, https://www.we-online.com/ANP109.
9. 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.
10. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com