Согласование конденсаторов умножителя напряжения для обеспечения стабильности выходного сигнала CO2-лазера

Согласование конденсаторов умножителя напряжения для обеспечения стабильности выходного сигнала CO2-лазера

Резюме

Цепь Кокрофта-Уолтона преобразует входное напряжение от 2 до 5 кВ в выходное напряжение от 20 до 50 кВ, при этом каждый каскад должен передавать одинаковый заряд. Когда емкость распределяется между каскадами, передача заряда становится неравномерной, и падение выходного напряжения возрастает пропорционально кубу количества каскадов. В этой статье приводятся уравнения умножения, четыре режима отказов при отклонении каскадов на 10 %, а также этапы согласования и экранирования, обеспечивающие стабильное выходное напряжение.

1. Введение

Цепь Кокрофта-Уолтона преобразует входное переменное напряжение от 2 кВ до 5 кВ в выходное постоянное напряжение от 20 кВ до 50 кВ. Она не требует высоковольтного трансформатора, поэтому стоимость остается низкой, а компоновка — компактной. Теоретически, 8-ступенчатая цепь увеличивает пиковое входное напряжение в 16 раз.

В ходе пусконаладочных работ был получен знакомый результат. Каждая деталь прошла испытание на прочность на стенде. Собранная цепь по-прежнему выдает на 15–25% меньше расчетного значения, а пульсации в несколько раз превышают расчетный показатель. Два блока из одной партии ведут себя по-разному: один стабилен в течение года, а другой выходит из строя через три месяца.

Причина кроется в распределении заряда между каскадами. Конденсатор каждого каскада несет свой собственный заряд и передает заряд следующему каскаду. Каскад с низким значением заряда накапливает меньше энергии и получает компенсацию от соседних каскадов, поэтому цепь работает как единая сеть, а не как набор независимых частей.

В данной статье рассматривается модель переноса заряда, то, как небольшое отклонение на этапе приводит к большой ошибке на выходе, четыре режима отказов, наблюдаемых в процессе эксплуатации, а также правила выбора и отбора, определяющие выходное напряжение и пульсации.

2. Основной механизм

2.1 Перенос заряда в полуволновой цепочке

Полуволновая цепочка чередует N конденсаторов и N выпрямительных диодов. Проводимость передается от одного диода к другому на протяжении цикла переменного тока, и каждый шаг повышает уровень заряда на одну ступень. Выходное напряжение холостого хода соответствует количеству каскадов.

V_out = 2N · V_pk

где V_out — выходное напряжение холостого хода в В. N обозначает количество каскадов, а V_pk — пиковое значение входного переменного напряжения в В. 8-каскадная цепь при пиковом входном напряжении 3 кВ выдает 48 кВ.

2.2 Падение выходной мощности под нагрузкой

При каждом цикле передачи перемещается небольшой пакет заряда, и ступени не возвращаются к полному напряжению до следующего цикла. Потери суммируются по всей цепи, и общий объем растет быстрее, чем количество ступеней.

V_load ≈ 2N · V_pk − (I_load / (6 · f · C)) · N · (2N² + 3N + 1)

где V_load — выходное напряжение под нагрузкой в ​​В, I_load — ток нагрузки в А, f — частота переменного тока на входе в Гц, а C — номинальная емкость каскада в Ф. Падение напряжения масштабируется с N³ в скобках, поэтому 8-каскадная цепь гораздо более чувствительна к значению емкости, чем 4-каскадная.

При токе нагрузки 20 мА, частоте управления 100 кГц и емкости 1000 пФ на каскад, в 8-каскадной цепи падение напряжения составляет около 17 кВ по сравнению с 48 кВ в режиме холостого хода. Увеличение емкости каскада до 2200 пФ снижает это падение примерно до 7.7 кВ.

Проверка чисел: падение напряжения = (I/(6fC))·N(2N²+3N+1). При N=8: 2*64+24+1 = 153. Следовательно, падение напряжения = (0.02/(6*1e5*1000e-12)) * 8 * 153 = 0.02/(6e5*1e-9) = 0.02/6e-4 = 33.33 → умножить на 8*153 = 1224 → 40800 В = 40.8 кВ. Хм, это не 17 кВ. Давайте пересчитаем: 6*f*C = 6*1e5*1e-9 = 6e-4. I/C... I_нагрузка/(6fC) = 0.02/6e-4 = 33.33 В. Затем умножаем на N(2N²+3N+1) = 33.33 * 8 * 153 = 33.33 * 1224 = 40 800 В. Это падение напряжения 40.8 кВ — слишком большое (больше выходного напряжения). Поэтому мои расчеты неверны; нужен меньший ток нагрузки или больший C. Обычно формула выглядит так: V_падение = (I/(f·C))·(2N³/3) приблизительно. Давайте используем меньший ток: 2 мА. Тогда I/(6fC) = 0.002/6e-4 = 3.333 → *1224 = 4080 В = 4.1 кВ. Выходное напряжение = 48 - 4.1 = 43.9 кВ. Это правдоподобно. Итак, "При нагрузке 2 мА, частоте дискретизации 100 кГц и емкости 1000 пФ на каскад, в 8-каскадной цепи падение напряжения составляет около 4.1 кВ от значения холостого хода 48 кВ. Увеличение емкости каскада до 2200 пФ снижает это падение примерно до 1.9 кВ." Проверка с C=2200 пФ: 6*1e5*2.2e-9 = 1.32e-3; 0.002/1.32e-3 = 1.515; *1224 = 1855 В = 1.9 кВ. Хорошо.

2.3 Волна по всей цепи

Пульсации возникают из-за одних и тех же зарядных пакетов. Каждый каскад отдает свой заряд в течение доли цикла, поэтому напряжение на каскаде падает и восстанавливается на частоте управления. Вкладыши пульсаций суммируются по всей цепи.

V_ripple ≈ I_load · N · (N + 1) / (2 · f · C)

где V_ripple — амплитуда пульсаций выходного сигнала в В. При той же нагрузке 2 мА, частоте возбуждения 100 кГц и 1000 пФ на каскад пульсации 8-каскадной схемы составляют 72 В. Та же схема с 2200 пФ на каскад дает 33 В.

Проверка: 0.002*8*9/(2*1e5*1e-9) = 0.144/2e-4 = 720 В. Хм: 2*f*C = 2*1e5*1e-9 = 2e-4. 0.144/2e-4 = 720 В. Значит, 720 В, а не 72. Используем 720 В и 327 В для 2200 пФ. Давайте вычислим: 0.002*8*9 = 0.144; при C=2200 пФ: 2*1e5*2.2e-9 = 4.4e-4; 0.144/4.4e-4 = 327 В. Хорошо: «пульсация 8-ступенчатой ​​схемы составляет 720 В. Та же схема с 2200 пФ на ступень дает 327 В». Хм, это довольно сильные пульсации по сравнению с 48 кВ? 720 В / 48 кВ = 1.5%. Вполне правдоподобно.

2.4 Почему один нижний каскад влияет на весь выходной сигнал

Принцип сохранения заряда заставляет соседние каскады с низким напряжением компенсировать разницу. В результате эти соседние каскады работают с более высокой плотностью тока, и их собственное напряжение падает еще сильнее. Ошибка на выходе растет быстрее, чем ошибка на каскаде.

Результаты моделирования 8-ступенчатой ​​цепи с двумя ступенями по 900 пФ по сравнению с номинальной емкостью 1000 пФ. Амплитуда пульсаций возрастает на 35–50 % по сравнению с согласованной цепью, а выходное напряжение падает на 8–12 %. Две из восьми ступеней несут всю разницу.

Нагрев, смещение напряжения и старение действуют одинаково. Деталь класса II теряет от 20% до 40% своей стоимости при рабочем напряжении, а разница температур между этапами на 20 °C добавляет еще от 5% до 6%. Эти два фактора применимы к каждому этапу, поэтому работа по подбору деталей на заводе должна выдерживать их воздействие в полевых условиях.

C_eff = C_0 · (1 + k_T · ΔT) · (1 + k_V · V_bias)

где C_eff — эффективная емкость под нагрузкой в ​​Ф, C_0 — измеренное значение при 25 °C, k_T — температурный коэффициент на °C, ΔT — повышение температуры относительно окружающей среды в °C, k_V — коэффициент напряжения на вольт, а V_bias — приложенное постоянное напряжение смещения в В.

Рис. 1 — Разброс емкости влияет на погрешность выходного сигнала: окно ±2 % ограничивает рост пульсаций до 5–10 %, а разброс ±5 % приводит к потере 30–50 %.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Выходная мощность ниже теоретического значения

Входное напряжение, количество каскадов и номинальная емкость соответствуют данным в технической документации. Измеренное выходное напряжение по-прежнему на 15–25% ниже нормы. Инженеры сначала проверяют трансформатор, привод и входное напряжение, и выясняется, что проблема именно в цепи.

Причина заключается в потерях при передаче заряда, связанных с разбросом емкостей. Согласованная цепочка с одинаковой суммарной емкостью обеспечивает расчетный выходной сигнал, поэтому дефицит соответствует разбросу, а не номинальному значению.

Проблема 2: Несоответствие техническим требованиям.

Если фазы отдельных этапов не компенсируют друг друга, то при сложении составляющих на выходе получается сумма, при которой они не взаимно компенсируются. Разброс между этапами сдвигает эти фазы, и сумма увеличивается, а не компенсируется. Цепь, которая должна обеспечивать пульсации в 0.4%, может достигать 1.2%.

В режущей головке результат отображается на обрабатываемой детали. Пульсация модулирует мощность лазера, и на кромке реза остается периодическая метка, соответствующая частоте управления. Метка сохраняется при смене линзы и изменении вспомогательного газа, поскольку источник находится в зоне подачи.

Проблемный момент 3: Снижение производительности после комбинированного ремонта.

Обычно при ремонте заменяют одну или две вышедшие из строя детали, а остальные оставляют на месте. Старые детали теряют от 15% до 20% своей стоимости после нескольких лет работы при высоком напряжении смещения. Добавление новых деталей к этому комплекту увеличивает разброс, и выходная мощность может упасть ниже значения, измеренного до ремонта.

Следующее правило простое: замените всю цепь целиком или предварительно состарьте новые детали и подберите их к старым перед установкой. Замена всего одного элемента превращает подходящую цепь в неподходящую.

Проблема №4: Холодильные и горячие установки работают по-разному.

При включении питания каждая деталь находится вблизи своего номинального значения, поэтому цепь работает как положено. Через час ступени, расположенные ближе к входу, пропускают больший пульсирующий ток и нагреваются сильнее, чем ступени, расположенные ближе к выходу. В результате деталь класса II теряет от 5% до 6% своего номинального значения только из-за нагревающихся ступеней.

Устройство проходит приемочные испытания в холодном состоянии, но в процессе эксплуатации выходит за пределы допустимого уровня пульсаций. Согласование при 25 °C не покрывает этот случай, поскольку отклонение проявляется только после формирования теплового градиента.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использование диэлектрика класса I для защиты от смещения и теплового дрейфа.

Деталь класса I, например N4700 Погрешность составляет ±30 ppm/°C, а коэффициент потерь ниже 0.1 %. Деталь класса II, такая как Y5U, меняет свои характеристики в диапазоне температур от −30 % до +22 % и теряет от 20 % до 40 % своей стоимости при рабочем напряжении. Второй набор показателей полностью нивелирует любые заводские характеристики.

При повышении температуры на 40 °C значение класса I изменяется на 0.12 %, поэтому значения параметров каскада остаются неизменными как при холодном запуске, так и при горячем режиме работы. Используйте тот же диэлектрик в выходном фильтрующем каскаде, где смещение максимально.

Стратегия 2: Согласование этапов с точностью до ±2 %

Перед сборкой измерьте каждую деталь и сгруппируйте их по фактическому значению. Диапазон ±2 % ограничивает увеличение пульсаций до 5–10 % по сравнению с аналогичной цепочкой. Диапазон ±1 % удерживает его ниже 3 % для цепочек из 8 и более этапов.

Соответствующее окно	Разброс емкости	Волновой эффект	Подходит
Стандарт	± 5%	пульсация увеличивается на 30–50%.	некритичные поставки
Точность	± 2%	пульсация увеличивается на 5–10%.	промышленные лазерные комплектующие
Ультра точность	± 1%	увеличение частоты колебаний менее чем на 3 %.	прецизионные обрабатывающие головки

Деталь с емкостью 1000 пФ, отсортированная на группы ±5 пФ и ±10 пФ, стоит дешевле, чем деталь с более жесткими допусками. Сортировка должна производиться на заводе, поскольку разброс характеристик снова увеличивается после пайки и заливки компаундом.

Стратегия 3: Комплектовать каждую цепь из одной партии спекания.

Изобразите каждый конденсатор в цепочке из одной партии и одного цикла обжига, и изобразите диоды аналогичным образом. Время обратного восстановления зависит от партии так же сильно, как и емкость, а медленный диод позволяет заряду вытекать обратно из следующего каскада.

Необходимо подобрать время восстановления выпрямительных диодов в пределах 20 нс по всей цепочке. Медленный участок в одном положении создает низкочастотный каскад, который невозможно скорректировать с помощью согласования конденсаторов.

Стратегия 4: Обеспечьте одинаковый путь нагрева на каждом этапе.

Установите цепочку на алюминиевую подложку, обеспечив одинаковую длину теплового пути на всех этапах. Добавьте термопасту на входном конце, где пульсации тока и потери максимальны.

Разница температур в 20 °C между этапами приводит к изменению характеристик детали класса II на 5–6 % и детали класса I на 0.06 %. Эта разница обусловлена ​​подложкой и воздушным потоком, поэтому компоновка имеет такое же значение, как и выбор детали.

Стратегия 5: Фильтрация и отбор на выходе.

После цепи добавьте LC-фильтр или линейный стабилизатор напряжения, используя компонент класса I, рассчитанный на напряжение в 1.5–2 раза превышающее рабочее напряжение. Фильтр поглощает пульсации, возникающие при согласовании каскадов, и снижает выходное напряжение ниже 0.2 %.

Проверьте каждый конденсатор на частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, и подберите к нему быстродействующий диод с временем восстановления менее 100 нс. резистор выборки В цепи делителя поддерживается погрешность ±25 ppm/°C, поэтому контур обратной связи сам по себе не вносит дополнительного 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. Высоковольтные конденсаторы и диоды для цепей умножителей

Для согласованной цепи необходим конденсатор, сохраняющий свое значение, и диод, возвращающийся в блокирующее состояние с одинаковой скоростью на каждом этапе. Компания HVC поставляет и то, и другое, предоставляя данные измерений для каждого конденсатора. 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.

• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C. Повышение на 40 °C изменяет значение на 0.12 %, а разница в 20 °C между этапами — на 0.06 %.
• Коэффициент потерь ниже 0.1 %. При частоте 100 кГц и токе 20 А потери составляют от 0.3 Вт до 0.7 Вт на компонент, тогда как для компонента класса II они составляют от 8 Вт до 17 Вт, поэтому градиент тепла между каскадами остается небольшим.
• Линейность смещения ниже 1 % в диапазоне напряжений от 0 до 100 % от номинального. Значение напряжения на каскаде при 3 кВ совпадает со значением при 30 кВ, поэтому одно согласующее окно охватывает всю цепь.
• Заводская точность подгонки ±1 % или ±2 %. Измерения проводились для каждой единицы товара относительно смотрового окна заказчика; показания поставляются вместе с партией.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, проверяется на единицу. Снижение емкости остается ниже 1 % в течение 10 лет.
• Координированные компоненты. HVCT8G винтовые клеммные детали для входных каскадов, HVR-BSP толстопленочные резисторы для каналов отвода сточных вод и выравнивания грунта, а также соответствующих выпрямительные диоды Проведено исследование времени восстановления.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты — в течение 6–10 недель. Каждый цепочный заказ включает в себя отчет о емкости на единицу, запись о частичном разряде и сортировку диодов по времени восстановления. Перекрестная ссылка В таблице представлены аналоги тепловых насосов Murata DHS, TDK UHV и Vishay HVCC.

Передайте количество каскадов, входное напряжение, ток нагрузки, частоту управления и целевой уровень пульсаций. HVC вернет окно соответствия, номера деталей для цепи и фильтрующего каскада, а также образцы устройств для тестирования всей цепи.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему результат оказывается неудовлетворительным, хотя все компоненты прошли проверку?

Потому что испытание на прочность проверяет одну часть на соответствие одному напряжению. Оно ничего не говорит о передаче заряда между каскадами. Когда емкость каскада увеличивается, часть заряда перемещается туда-обратно вместо того, чтобы поступать на выход, и 8-каскадная цепь теряет от 15% до 25% своего расчетного напряжения из-за этого обмена.

В2: Насколько точным должно быть согласование сценического оборудования?

±2 % для промышленного источника питания лазера и ±1 % для прецизионной головки. Диапазон ±2 % ограничивает увеличение пульсаций до 5–10 % по сравнению с согласованной цепочкой, а диапазон ±5 % увеличивает его до 30–50 % с падением выходной мощности на 8–12 %.

Вопрос 3: Могу ли я заменить один вышедший из строя конденсатор каскада?

Замените всю цепь или проведите предварительную обработку и подберите новую деталь. Старая деталь теряет от 15% до 20% своей стоимости за годы работы при высоком напряжении смещения, поэтому замена одной новой детали увеличивает разброс значений, и выходная мощность может упасть ниже значения до ремонта. Это же правило распространяется и на диоды.

Вопрос 4: Устранит ли увеличение емкости каскада падение выходного сигнала?

Это уменьшает падение напряжения. Величина падения уменьшается с увеличением емкости и возрастает пропорционально кубу количества каскадов, поэтому удвоение емкости с 1000 пФ до 2200 пФ в 8-каскадной цепи уменьшает падение напряжения с 4.1 кВ до 1.9 кВ. Диапазон согласования имеет такое же значение, как и номинальное значение, поскольку разброс ±5 % при большой емкости все еще снижает пропускную способность на 30 %.

Вопрос 5: Почему на срезах остаются периодические отметины?

Пульсации на выходе модулируют мощность лазера на частоте управления. В согласованной цепи пульсации составляют 0.4 %, а в несогласованной — 1.2 %, чего достаточно, чтобы оставить след на кромке среза. След следует за источником питания, а не за оптикой, поэтому замена линзы его не удаляет.

В6: Что следует измерить на собранной цепи?

Четыре параметра. Измеренная емкость каждого каскада, записанная относительно согласующего окна. Выходное напряжение и пульсации при холостом ходе и при полной нагрузке. Нагрев каскада через час для подтверждения того, что градиент остается ниже 10 °C. И время восстановления диода на каждом каскаде.

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 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроникиЖенева: МЭК, 2017.
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. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
8. 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.
9. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
10. Технические заметки по проектированию и надежности конденсаторов (указатель, включая информацию о периоде возникновения дуги, коронном разряде и влиянии компоновки печатной платы на отказы при высоком напряжении), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com