Герметичная конструкция с CO2-лазером, обеспечивающая длительный срок службы газа и пульсации в источнике питания.

Герметичная конструкция с CO2-лазером, обеспечивающая длительный срок службы газа и пульсации в источнике питания.

Резюме

Герметичные трубки для CO2 продаются с расчетным сроком службы 20 000 часов и часто выходят из строя при 50–70% от этого показателя. Часть потерь связана с питанием. Пульсация в 500 мВ на шине 10 кВ увеличивает скорость разложения CO2 на 15–25%, а 30%-ный перерегулирование при воспламенении утраивает скорость распыления. В этой статье представлена ​​модель связи, выбор фильтра и частоты, ограничивающих ее, а также тепловой путь, который за ней следует.

1. Введение

Герметичные CO2-трубки используются в маркировочных машинах, гравировальных системах и медицинских лазерных установках. Производители заявляют о ресурсе трубок от 10 000 до 20 000 часов, однако данные пользователей показывают, что многие устройства достигают лишь 50–70% от этого показателя.

Первое объяснение обычно касается качества трубки: чистоты газа, материала электродов, процесса герметизации. Качеству выходного напряжения уделяется меньше внимания, однако именно оно определяет скорость всех процессов старения внутри трубки, которую нельзя заправить.

В процессе старения газа участвуют три процесса. CO2 диссоциирует на CO и O под действием электронов, при этом O расходуется на стенке трубки. Ионы распыляют металл электрода на стенки и окна. Адсорбированные на стенках H2O, N2 и H2 отрываются во время разряда и изменяют состав газа.

В данной статье представлена ​​модель взаимосвязи между пульсациями в подаче газа и сроком службы газа, четыре типа отказов, встречающихся в полевых условиях, варианты фильтров и частот, ограничивающие их, а также тепловая конструкция, устраняющая остальную нагрузку.

2. Основной механизм

2.1 Пульсация напряжения и скорость разложения CO2

В герметичной трубке происходит разряд постоянного или квазипостоянного тока. Пульсации выходного напряжения превращаются в пульсации тока, а пики тока переносят электроны с большей энергией в газ.

R_diss = n_CO2 · n_e · ⟨σ_diss · v_e⟩

где R_diss — скорость разложения, n_CO2 — числовая плотность CO2, n_e — плотность электронов, σ_diss — сечение диссоциации при столкновении с электронами, а v_e — скорость электронов. Угловые скобки обозначают усреднение по распределению энергии электронов.

Сечение диссоциации достигает пика в диапазоне от 5 до 10 эВ. Увеличение мгновенного тока на 10 % повышает плотность электронов на 10 %, и средняя энергия электронов возрастает вместе с этим, поэтому скорость разложения увеличивается на 15 % до 25 %.

При ресурсе более 20 000 часов это изменение сокращает фактический срок службы газа на 3,000–5,000 часов. Трубка преждевременно выходит из строя, даже если все электрические параметры находятся в пределах допустимых значений.

2.2. Срок службы газа в зависимости от пульсаций

Зависимость между волновым коэффициентом и сроком службы газа близка к линейной, и один эмпирический коэффициент подходит для большинства источников поставок.

L_gas ≈ L_0 / (1 + k_ripple · V_ripple_pp / V_DC)

где L_gas — ожидаемый срок службы газа, L_0 — срок службы при нулевой пульсации, V_ripple_pp — амплитуда пульсаций напряжения, V_DC — рабочее напряжение постоянного тока, а k_ripple — коэффициент от 3 до 8, зависящий от частоты пульсаций и условий разряда.

При амплитуде пульсаций в 1 % срок службы снижается на 3–8 %. При 5 % он снижается на 15–40 %. Кривая показывает, что показатель пульсаций является первостепенным фактором в расчете срока службы трубки.

2.3 Скачки напряжения и скорость распыления

Скачкообразные колебания при выключении и нагрузке увеличивают выходное напряжение в 1.5–2 раза по сравнению с постоянным значением на десятки наносекунд. При этом увеличивается и поле пристеночного слоя, и ионы достигают катода с большей энергией.

Y_sputter ≈ (E_ion − E_threshold)² / E_ion

где Y_sputter — выход распыления, E_ion — энергия ионов, а E_threshold — пороговая энергия, составляющая примерно от 20 до 30 эВ для медных электродов.

Скачок энергии ионов с 200 эВ до 400 эВ увеличивает выход примерно в 3 раза. Каждый такой скачок длится недолго, и за несколько тысяч часов образуется достаточно металла, чтобы запотеть окно.

2.4 Частота пульсаций в зависимости от колебательного диапазона

Колебательные уровни CO2 релаксируют за 1–10 мкс, что помещает чувствительный диапазон между 100 кГц и 1 МГц. Пульсации в этом диапазоне повторно возбуждают молекулы перед их релаксацией и поддерживают высокую колебательную температуру.

τ_vib ≈ 1 / (k_v-v · [M])

где τ_vib — время колебательной релаксации, k_v-v — скорость колебаний, а [M] — общая плотность числа частиц газа. При 1 атм значение находится в диапазоне от 1 мкс до 5 мкс.

При частоте источника 100 кГц третья гармоника находится на частоте 300 кГц, а пятая — на 500 кГц, обе в пределах полосы пропускания. Гармоники имеют меньшую амплитуду, чем основная, и их связь с газом по-прежнему доминирует в тепловом потоке.

2.5 Эффективность подачи и температура окружающей среды трубки

Источник тепла с КПД 80 % выделяет более чем в три раза больше тепла, чем источник с КПД 93 %. Это тепло уходит через воздух или воду и поднимает воздух вокруг трубки.

Повышение температуры на стенке трубки на 10 °C увеличивает коэффициент диффузии газа примерно на 5 %, поэтому CO2 быстрее достигает стенки, и больше адсорбированной на стенке воды покидает поверхность. Эффективность, тепловая конструкция и срок службы газа работают как единая цепочка.

Рис. 1 — При токе 50 мА член ESR определяет пульсации напряжения: фильтрующая часть с сопротивлением 10 Ом оставляет 500 мВ и повышает скорость разложения CO2 на 15–25%.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Высокое значение ЭПР фильтра приводит к увеличению амплитуды пульсаций сопротивления.

Резистивная составляющая следует за током нагрузки и эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) фильтрующей части.

V_ripple = I_load · ESR

где V_ripple — резистивная пульсация напряжения, I_load — ток разряда, а ESR — коэффициент потерь фильтрующего конденсатора. При 50 мА и 10 Ом этот коэффициент достигает 500 мВ.

При напряжении 10 кВ 500 мВ составляет 50 ppm, и на бумаге это выглядит безобидно. Измеренная скорость разложения возрастает на 15–25 % при чистом питании, поэтому этот показатель следует учитывать при расчете срока службы лампы.

Проблемная точка 2: Гармоники попадают в полосу релаксации.

При частоте источника 100 кГц частота его 3-й и 10-й гармоник находится в диапазоне от 300 кГц до 1 МГц, что охватывает колебательный диапазон CO2. Амплитуда в этих порядках мала, и резонансное взаимодействие с газом приводит к тому, что каждый милливольт наносит больший вред, чем милливольт низкочастотной пульсации.

Проблемный момент 3: Перерегулирование при зажигании утраивает скорость распыления.

В момент зажигания нагрузка за микросекунды падает от разомкнутой цепи до нескольких сотен Ом. Контур управления с низкой полосой пропускания или малым запасом по фазе на этом этапе выходит за пределы допустимых значений на 20–50%, и пик попадает на электроды. Каждое событие зажигания вызывает выброс частиц, который невозможно предсказать при стационарном режиме работы.

Проблемная точка 4: Цепочка термообработки заканчивается жалобой клиента.

Низкоэффективный источник питания нагревает область трубки. Нагретый газ быстрее рассеивается и выделяет больше воды. Мощность лазера падает, поэтому пользователь повышает напряжение зарядки, ток разряда увеличивается, и доля CO2 снижается быстрее. В результате трубка выходит из строя значительно ниже номинального уровня, и вину за это возлагают на источник питания.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите фильтрующий элемент с низкими потерями на рабочей частоте.

Выбор фильтра определяет величину пульсаций сопротивления на протяжении всего срока службы машины. Сравните семейства фильтров на частоте 10 кГц, на которой сосредоточена энергия пульсаций.

Параметр	Класс II X7R	электролитический	Класс I N4700
ЭПР на частоте 10 кГц	От 5 до 20 Ом	От 1 до 5 Ом	От 0.1 до 1 Ом
Температурный коэффициент	от -30 % до +15 %	от -20 % до +20 %	±30 частей на миллион/°C
Частичная разрядка	Средняя	Не оценен	Температура ниже 5 пКл при увеличении напряжения в 1.5 раза по сравнению с номинальным значением.
срок службы	От 5,000 до 10,000 ч	От 3,000 до 8,000 ч	Более 60 000 ч

A Диэлектрик класса I Эта деталь сохраняет свои значения при постоянном напряжении, поэтому установленный конденсатор на 4700 пФ — это тот же самый конденсатор на 4700 пФ, который используется в работе при напряжении 10 кВ.

Стратегия 2: Выберите частоту переключения вне диапазона.

Выберите частоту так, чтобы третья гармоника находилась ниже 100 кГц, или добавьте фильтр нижних частот выше 100 кГц, чтобы снизить энергию гармоники.

Частота переключения	3-я гармоника	7-я гармоника	Риск пересечения
50 кГц	150 кГц	350 кГц	Низкий
100 кГц	300 кГц	700 кГц	Средний
200 кГц	600 кГц	1.4 МГц	Высокий

Конструкция с частотой 50 кГц и КПД 93 % удерживает гармоническую энергию в пределах полосы пропускания и не влияет на срок службы лампы.

Стратегия 3: Преодоление перерегулирования зажигания

Добавьте активный ограничитель на выходе. Когда напряжение превысит пороговое значение, ограничитель включится и поглотит избыточную энергию, что удержит перерегулирование в пределах 5 %. Вместо подачи полного ступенчатого сигнала, подавайте на выход линейно возрастающее напряжение при зажигании и установите запас по фазе контура выше 45°, чтобы ступенчатое изменение нагрузки не вызывало колебаний.

Стратегия 4: Экранирование частичного разряда при 5 пКл.

Фильтрующий элемент с плохим частичным разрядом создает высокочастотный ток в цепи заземления, и этот ток передается в разрядную цепь через высоковольтный кабель. Элемент, экранированный ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, не производит измеримого разряда в трубку.

Протяните зажим и отрезок с помощью резистор выборки HVRGXPТаким образом, контур управления считывает истинный выходной сигнал, и значение перерегулирования является действительным.

Стратегия 5: Разорвать тепловую цепь

Ступень LLC с низкопотерными компонентами повышает КПД с 80% до 93%, что снижает тепловыделение на 60%. HVCT8G Корпус с винтовыми клеммами отводит тепло на алюминиевую подложку и снижает тепловое сопротивление части на 50 %, что уменьшает температуру в самой горячей точке на 15 °C. Отделение модуля питания от корпуса лампы снижает температуру окружающей среды на 10 °C–20 °C.

Возврат тока зарядного устройства через выпрямительный диод с временем восстановления менее 100 нс, поэтому зарядное устройство не извлекает заряд обратно из фильтрующего блока при каждом цикле.

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. Долговечные компоненты HVC для герметичных лазерных источников питания.

Срок службы герметичной трубки составляет 20 000 часов, поэтому каждая фильтрующая деталь в системе должна прослужить дольше. Компания HVC производит детали класса I для таких условий эксплуатации на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывая диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESR ниже 1 Ом на частоте 10 кГц. Резистивные пульсации на шине 10 кВ падают до 50 мВ при 50 мА, что составляет 5 ppm от выходного сигнала.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Высокочастотный разрядный ток не попадает в цепь заземления, поэтому источник электромагнитных помех внутри источника питания устраняется.
• Срок службы более 60 000 часов. Деталь служит дольше, чем фильтрующая трубка, поэтому замена фильтра в течение срока службы трубки не требуется.
• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C. Повышение температуры на 40 °C за время смены приводит к изменению значения менее чем на 0.12 %, поэтому частота среза сохраняется от холодного запуска до горячей линии.
• Корпус с винтовыми клеммами. Корпус HVCT8G крепится к радиатору винтами M4 или M5, что снижает тепловое сопротивление на 50 % и уменьшает температуру в самой горячей точке на 15 °C.
• Координированные части. А градуировочный резистор балансирует последовательный каскад, микросхема HVRGXP считывает выходные данные, а пленочный конденсатор охватывает низковольтное звено постоянного тока, поэтому весь пассивный комплект поставляется из одного источника.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты фильтров и делителей — в течение 6–10 недель. К каждому заказу прилагаются данные об эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) на рабочей частоте и отчет о частичном разряде при 5 пКл.

Передайте напряжение на лампе, ток разряда, класс выходной мощности и целевой срок службы. HVC вернет лист выбора фильтра с номерами деталей. Перекрестная ссылка для испытаний на долговечность были использованы компоненты Murata DHS и Vishay HVCC, а также два образца для испытаний на долговечность.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой уровень пульсаций может выдерживать герметичная трубка для CO2?

Сопротивление выходного сигнала должно быть ниже 50 ppm. При напряжении 10 кВ это составляет 500 мВ, а при токе нагрузки 50 мА требуется фильтр с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) менее 10 Ом. При сопротивлении менее 1 Ом сопротивление падает до 50 мВ, что составляет 5 ppm, и срок службы газового конденсатора достигает номинального значения.

В2: Почему значение ESR фильтра важнее, чем значение емкости?

Поскольку пульсации зависят от тока и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), а емкость определяет накопление заряда для разрядного импульса, компонент с сопротивлением 10 Ом добавляет 500 мВ пульсаций при токе 50 мА, независимо от того, какая емкость находится рядом. Емкость должна обеспечивать питание импульса, а ESR должно оставаться низким на протяжении всего срока службы.

В3: Какую частоту переключения следует использовать в герметичном лазерном источнике питания?

В диапазоне от 50 кГц до 80 кГц третья гармоника остается ниже 150 кГц и не попадает в полосу релаксации CO2 между 100 кГц и 1 МГц. Выше 100 кГц в полосу входят третья и пятая гармоники, и требуется фильтр нижних частот.

Вопрос 4: Как предотвратить перерегулирование зажигания?

Добавьте на выходе активный ограничитель, который включается, когда напряжение превышает пороговое значение, и плавно увеличивайте выходное напряжение при зажигании вместо ступенчатого изменения. Установите запас по фазе контура выше 45°. Оба ступенчатых изменения позволяют удерживать перерегулирование в пределах 5 % и устраняют выбросы при каждом зажигании.

В5: Влияет ли частичный разряд в фильтрующем конденсаторе на срок службы газа?

Да, через электромагнитные помехи. Импульсы разряда вводят высокочастотный ток в цепь заземления, и этот ток передается через высоковольтный кабель в разрядную цепь, где проявляется в виде пульсаций тока. Компонент, экранированный до уровня ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, устраняет источник помех.

В6: Что нужно проверить в первую очередь, если трубка преждевременно вышла из строя?

Измерьте пульсации выходного сигнала на нагрузке с помощью широкополосного датчика и запишите на той же записи выброс при включении зажигания. Затем сравните температуру окружающей среды лампы с рассеиваемой мощностью источника питания. Пульсации выше 50 ppm, выбросы выше 5 % и температура окружающей среды на 10 °C выше расчетной объясняют большинство случаев преждевременного выхода ламп из строя.

7. Рекомендации

1. МЭК 60825-1:2014, Безопасность лазерной продукции — Часть 1: Классификация оборудования и требованияЖенева: МЭК, 2014.
2. МЭК 61000-6-2:2016, Электромагнитная совместимость (ЭМС) — Часть 6-2: Общие стандарты — Стандарт помехоустойчивости для промышленных условийЖенева: МЭК, 2016.
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. Накао, Ю. Ёнезава, Т. Сугавара, Ю. Накашима и Ф. Курокава, Метод онлайн-оценки деградации электролитических конденсаторов для прогнозирования отказов импульсных источников питания с цифровым управлениемIEEE Transactions on Power Electronics, том 33, № 3, стр. 2552-2558, 2018. https://doi.org/10.1109/tpel.2017.2691048
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. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
10. 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.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com