Конденсаторы с низкими потерями для источников питания CO2-лазеров с воздушным и водяным охлаждением

Конденсаторы с низкими потерями для источников питания CO2-лазеров с воздушным и водяным охлаждением

Резюме

Температура корпуса в 65 °C кажется безопасной при номинальной температуре 125 °C, однако фильтрующие конденсаторы в источниках питания CO2-лазеров выходят из строя через шесть месяцев. Причина кроется в тепловом пути с высоким сопротивлением где-то между керамическим сердечником и воздухом. В этой статье рассматривается цепочка тепловых сопротивлений, модель потерь для конденсаторов, резисторов и диодов, правило срока службы Аррениуса и пять конструктивных решений, позволяющих поддерживать температуру сердечника ниже 100 °C.

1. Введение

Заводские испытания часто заканчиваются сканированием с помощью тепловизора. Максимальная температура достигает 65 °C, что значительно ниже допустимого диапазона 125–150 °C для компонентов, после чего устройство отгружается. Через шесть месяцев эксплуатации на объекте выходит из строя высоковольтный фильтрующий конденсатор.

Первая реакция — жалоба на качество. Затем замененная деталь выходит из строя по той же причине в течение нескольких месяцев. Анализ первопричин обычно показывает, что внутренний керамический сердечник нагревался гораздо сильнее, чем корпус. Корпус, нагревшийся до 65 °C, может находиться над сердечником, нагретым до 100 °C.

Причина заключается в нарушении теплового пути. Нагрев начинается в точке потерь внутри детали. Затем тепло проходит через керамику, эпоксидную смолу, медную фольгу, радиатор и воздуховод. Каждое звено добавляет тепловое сопротивление, и каждое сопротивление приводит к падению температуры на нем.

Зачастую одно звено оказывается гораздо хуже остальных. Зазор между компонентом и радиатором или узкая медная дорожка на плате становится узким местом. В этой точке накапливается тепло, которое нагревает все узлы, расположенные выше по потоку.

2. Основной механизм

2.1 Цепь терморезисторов

Путь от точки потерь до воздуха работает как последовательная цепь. Тепловой поток играет роль тока, разность температур — роль напряжения, а тепловое сопротивление — роль сопротивления.

T_junction − T_ambient = P_loss · (R_th,jc + R_th,cs + R_th,sa)

где T_junction — температура сердцевины детали, T_ambient — температура окружающего воздуха (типичная от 25 °C до 40 °C), P_loss — мощность самонагрева, R_th,jc — сопротивление между переходом и корпусом (определяется деталью), R_th,cs — сопротивление между корпусом и радиатором (устанавливается при монтаже), и R_th,sa — сопротивление между радиатором и воздухом (определяется потоком воздуха или воды).

Главное значение — это значение характеристик сердечника. Примите R_th,jc = 20 °C/Вт и P_loss = 2 Вт, и температура сердечника будет на 40 °C выше, чем у корпуса. Измерьте температуру корпуса при 65 °C, и температура сердечника составит 105 °C, что уже превышает допустимый предел снижения характеристик для детали, рассчитанной на 125 °C.

2.2 Модель потерь для трех пассивных компонентов

Высоковольтный керамический конденсатор рассеивает энергию как через последовательное сопротивление, так и через диэлектрик:

P_cap = I_rms^2 · ESR + 2 · pi · f · C · V_pk^2 · DF

где I_rms — среднеквадратичное значение тока, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, f — рабочая частота, C — емкость, V_pk — пиковое напряжение, а DF — коэффициент рассеяния. Для каскада LLC на частоте 100 кГц с резонансным током 20 А компонент X7R при DF = 2.0% потребляет около 4 Вт. Компонент N4700 при DF = 0.08% потребляет 0.16 Вт.

Высоковольтный толстопленочный резистор напрямую преобразует:

P_res = V^2 / R

где V — напряжение на резисторе, а R — его сопротивление. В делителе или балансировочной цепи резистор постоянно поддерживает высокое напряжение, поэтому этот член никогда не бывает пренебрежимо малым. При напряжении 10 кВ на резисторе сопротивлением 10 МОм мощность рассеивается 10 Вт.

Выпрямительный диод добавляет член обратного восстановления на каждом фронте переключения:

P_diode = V_F · I_avg + 0.5 · V_R · I_rr · t_rr · f_sw

где V_F — прямое падение напряжения, I_avg — средний прямой ток, V_R — обратное напряжение, I_rr — ток обратного восстановления, t_rr — время обратного восстановления, а f_sw — частота переключения. Сокращение t_rr с 500 нс до 80 нс устраняет большую часть второго члена.

2.3 Срок службы в зависимости от температуры ядра

В зависимости от температуры деградация диэлектрических свойств керамики подчиняется закону Аррениуса:

L = L0 · exp[ (Ea / k) · (1 / T − 1 / T0) ]

где L — время жизни при рабочей температуре T, L0 — время жизни при эталонной температуре T0, Ea — энергия активации (от 0.7 эВ до 1.2 эВ для керамических диэлектриков), а k — постоянная Больцмана, равная 8.617×10⁻⁵ эВ/К.

При Ea = 0.7 эВ скорость разряда примерно утраивается в диапазоне температур от 85 °C до 105 °C и возрастает примерно в десять раз в диапазоне от 85 °C до 125 °C. Как правило, каждые дополнительные 20 °C температуры активной зоны вблизи 100 °C приводят к увеличению срока службы в три раза. Таким образом, источник питания, работающий при температуре активной зоны на 20 °C выше, чем предполагал разработчик, обеспечивает треть ожидаемого срока службы.

2.4 Воздушное охлаждение против водяного охлаждения

Два метода охлаждения различаются на порядки величины по сопротивлению теплоотводу к воздуху.

способ охлаждения	Коэффициент теплопередачи	R_th,sa	Удельная мощность
Естественная конвекция.	5–25 Вт/(м²·К).	20–50 °C/Вт.	ниже 5 Вт/см².
Принудительная подача воздуха, низкая скорость.	25–50 Вт/(м²·К).	5–15 °C/Вт.	5–15 Вт/см².
Принудительная подача воздуха, высокая скорость.	50–100 Вт/(м²·К).	2–5 °C/Вт.	15–30 Вт/см².
Жидкостно-охлаждаемая холодная пластина.	500–5000 Вт/(м²·К).	0.1–1 °C/Вт.	30–200 Вт/см².

Холодильная пластина отводит тепло в 10–100 раз эффективнее, чем принудительная подача воздуха. При мощности менее 500 Вт воздушное охлаждение по-прежнему выигрывает по стоимости и сложности конструкции. В любом случае, цепочка от радиатора до теплоотвода должна оставаться непрерывной.

Рис. 1 — Температура сердечника в зависимости от потерь на самонагрев при температуре корпуса 65 °C; предел снижения мощности при 100 °C достигается при 2 Вт с температурой перехода к корпусу 30 °C/Вт.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Визуализатор считывает данные только с поверхности.

Инфракрасная камера измеряет поверхностное излучение. Для упакованного компонента существует фиксированный зазор между корпусом и сердечником, определяемый формулой ΔT = P_loss · R_th,jc. Высоковольтные керамические конденсаторы пропускают от 15 °C/Вт до 30 °C/Вт, поэтому потери в 2 Вт поднимают температуру сердечника на 30 °C–60 °C выше температуры корпуса.

Проблема 2: медные провода в плате становятся узким местом.

Стандартный медный проводник толщиной 1 унция имеет толщину 35 мкм и проводимость в плоскости 385 Вт/(м·К). Проводник шириной 5 мм имеет поперечное сечение всего 0.175 мм², поэтому его тепловое сопротивление высокое. Два узких провода, идущие к удаленному радиатору, могут добавить от 50 °C/Вт до 100 °C/Вт и полностью вывести радиатор из строя.

Проблема №3: ​​Конструкция воздуховодов приводит к рециркуляции горячего воздуха.

Когда вытяжной патрубок расположен рядом с воздухозаборником вентилятора, радиатор нагревает собственный подаваемый воздух. В результате температура внутри корпуса повышается с 25 °C до 50 °C и более за смену. Конструктор рассчитал сопротивление на уровне 25 °C, поэтому каждый дополнительный градус на входе повышает температуру сердечника на тот же градус.

Проблема №4: Водяное охлаждение приводит к образованию конденсата и коррозии.

Охлаждающая жидкость при температуре ниже точки росы конденсируется на холодной пластине и фитингах. Капающая вода на высоковольтном узле вызывает короткое замыкание изоляции. Ионы и растворенный кислород также вызывают коррозию внутренних каналов, что со временем повышает сопротивление R_th, а неплотно прилегающий фитинг протекает на цепи под напряжением.

Проблема № 5: Параллельно подключенные конденсаторы перегреваются.

Два конденсатора, соединенных параллельно, редко распределяют ток поровну. Конденсатор с более низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) пропускает больший ток, поэтому он сильнее нагревается. В этом случае диэлектрики класса II теряют запас по ESR и из-за нагрева происходит дрейф емкости, что приводит к еще большему перераспределению тока на тот же элемент.

Проблема 6: Оценка на основе неверного источника.

Во многих конструкциях номинальные характеристики зависят от температуры окружающей среды или корпуса. Температура сердечника — это показатель, определяющий деградацию. Некачественный тепловой путь может привести к повышению температуры сердечника на 30–60 °C по сравнению с корпусом, поэтому таблица снижения характеристик, построенная на основе показаний для корпуса при 70 °C, может описывать деталь, работающую при 130 °C.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Прекратить потери в источнике

Охлаждение отводит тепло после его появления. Меньшие потери предотвращают это. Переместите резонансный конденсатор из микросхемы класса II X7R с коэффициентом DF = 2.0% в другую микросхему. N4700 Потери класса I при коэффициенте DF = 0.08%. При частоте 100 кГц и токе 20 А потери в отдельности снижаются с 4.0 Вт до 0.16 Вт.

Стратегия 2: Закрепить деталь на металле

Компоненты со свинцовыми выводами отводят тепло через тонкие выводы и медную печатную плату, обеспечивая теплопередачу от 40 °C/Вт до 80 °C/Вт к радиатору. HVCT8G В семействе винтовых клемм корпус крепится к алюминиевой пластине или охлаждающей пластине винтами M4 или M5, что снижает сопротивление между корпусом и радиатором до 5–10 °C/Вт.

Стратегия 3: Разделение входящего и выходящего воздуха

Разместите приток воздуха на холодной стороне корпуса, обычно снизу или спереди, а отвод воздуха — на горячей стороне. Установите перегородку между радиатором и платой, чтобы холодный воздух проходил через ребра. Добавьте NTC-датчик на радиатор и увеличивайте скорость вращения вентилятора, когда показания превысят заданный порог.

Стратегия 4: Разработать систему циркуляции воды, предотвращающую образование конденсата.

Поддерживайте температуру охлаждающей жидкости как минимум на 3 °C выше точки росы окружающей среды, так чтобы T_water > T_dew + 3 °C. Используйте деионизированную воду или специальную охлаждающую жидкость с показателем текучести ниже 5 мкСм/см и заменяйте ее каждые шесть месяцев. Установите быстроразъемные самогерметизирующиеся соединения и датчик утечки под холодной пластиной.

Стратегия 5: Снижение мощности в зависимости от температуры тела.

Вычислите температуру сердечника по формуле T_junction = T_case + P_loss · R_th,jc, используя значение T_case, полученное с помощью термопары или скорректированного изображения. Поддерживайте температуру T_junction на уровне 80% или ниже от номинального значения, что составляет 100 °C для компонента, работающего при 125 °C. Поддерживайте рабочее напряжение на уровне 70% от номинального.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока.	Высоковольтный режим с коэффициентом усиления 1.5, рассчитанный на 60 секунд.
емкость	4700 пФ ±20% (472М).	1 МГц, 1 В среднеквадратичного значения.
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм.	25 ° C.
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 °С до +125 °С.	Серия IEC 60068-2.
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс.	при номинальном напряжении.

5. Низкопотерные компоненты HVC для тепловой схемы питания CO2-лазера

Тепловой запас обеспечивается низкими потерями и коротким путем к металлу. Компания HVC производит конденсаторы класса I N4700, толстопленочные резисторы и быстровосстанавливающиеся диоды для этих целей на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент диэлектрической проницаемости ниже 0.1%. Тангенс угла диэлектрических потерь остается ниже 0.1%, поэтому резонансный конденсатор рассеивает 0.16 Вт вместо 4.0 Вт, а повышение температуры тела остается ниже 15 °C без вентилятора.
• TCC ±30 ppm/°C. Изменение емкости остается ниже 0.3% во всем диапазоне, поэтому нагрев сердечника не смещает резонансную точку и не запускает петлю тепловой обратной связи.
• Корпус с винтовым креплением. В серии HVCT8G сопротивление между корпусом и радиатором снижается с 40 °C/Вт до 5 °C/Вт при использовании металлического соединения M4 или M5.
• Толстопленочные резисторы. HVR-BSP плоские толстопленочные резисторы Обеспечивает точность ±0.1% с дрейфом ≤15 ppm/°C и на 30% меньше самонагрева, чем стандартная струна.
• Выпрямительные диоды. А быстровосстанавливающийся диод Время восстановления 80 нс снижает потери в выпрямителе на 73% по сравнению с 500 нс, что облегчает нагрузку на источник питания.
• Тепловые данные и перекрестная ссылка. Компания HVC предоставляет данные по R_th,jc и R_th,cs, и компоненты соответствуют друг другу. Vishay Параметры HVCC, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV. A резистор выборки HVRGXP выполняет роль разделителя в том же наборе.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4-8 недель, а комплекты с винтовым креплением — в течение 6-10 недель, в то время как для вышеуказанных брендов этот срок составляет 20-30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете потерь, моделировании тепловых путей и анализе снижения номинальных характеристик.

Укажите уровень мощности, метод охлаждения, диапазон рабочих температур и целевой срок службы. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист выбора компонентов с данными DF и ESR для рабочей частоты, значениями теплового сопротивления и комплектом для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему температура корпуса в 65 °C всё равно выводит из строя конденсатор, работающий при температуре 125 °C?

Потому что сердечник нагревается гораздо сильнее, чем корпус. Потери внутри керамики превышают R_th,jc еще до того, как достигнут корпуса, и это сопротивление составляет от 15 °C/Вт до 30 °C/Вт на высоковольтном элементе. При потерях в 2 Вт сердечник нагревается на 30 °C–60 °C сильнее, чем корпус, поэтому показание 65 °C может означать температуру сердечника 125 °C.

Вопрос 2: Во сколько лет жизни обходится повышение температуры тела на 20 °C?

Примерно в три раза выше при температуре около 100 °C и энергии активации Ea = 0.7 эВ. Температура активной зоны подчиняется закону Аррениуса, поэтому скорость деградации резко возрастает с каждым дополнительным градусом. Источник питания, работающий при температуре активной зоны на 20 °C выше, чем предполагалось в проекте, обеспечивает примерно треть ожидаемого срока службы.

Вопрос 3: Всегда ли водяное охлаждение лучше воздушного?

Нет. Холодильная пластина обеспечивает температуру от 0.1 °C/Вт до 1 °C/Вт, в то время как принудительная вентиляция обеспечивает от 2 °C/Вт до 15 °C/Вт, что в 10–100 раз лучше. При потребляемой мощности менее 500 Вт воздушное охлаждение по-прежнему обходится дешевле и приводит к меньшему количеству отказов. Водяное охлаждение сопряжено с конденсацией, коррозией и риском протечек.

Вопрос 4: Как снизить самонагрев конденсатора?

Снизьте потери, а затем сократите путь. Переход от компонента класса II с коэффициентом пропускания DF = 2.0% к компоненту класса I N4700 с коэффициентом пропускания DF = 0.08% снижает потребляемую мощность с 4.0 Вт до 0.16 Вт в каскаде 100 кГц, 20 А. Крепление корпуса винтами к металлической пластине снижает сопротивление между корпусом и стоком с 40 °C/Вт до 5 °C/Вт.

Вопрос 5: Что вызывает тепловой пробой в параллельно соединенных конденсаторных батареях?

Неравномерное распределение тока. Деталь с более низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) пропускает больший ток и сильнее нагревается. В этом случае диэлектрик класса II теряет емкость и изменяет ESR под воздействием тепла, поэтому он потребляет еще большую часть тока. Выбор деталей класса I с низким температурным коэффициентом теплового расширения (TCC) ±30 ppm/°C разрывает этот замкнутый цикл.

В6: Какую температуру следует использовать в таблице снижения номинальной мощности?

Температура ядра. Вычислите её как T_case + P_loss · R_th,jc, при этом показания корпуса скорректированы с учётом поверхностного коэффициента излучения. Результат должен быть не выше 80% от номинальной температуры, которая составляет 100 °C для детали, рассчитанной на 125 °C, а рабочее напряжение должно быть на уровне 70% от номинального.

7. Рекомендации

1. МЭК 60825-1, Безопасность лазерной продукции — Часть 1: Классификация оборудования и требованияЖенева: МЭК, 2014.
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. Б. Ван, Дж. Мэн и П. Чжао, Мониторинг состояния старения алюминиевых электролитических конденсаторов в преобразователях частотыIEEE Transactions on Power Electronics, том 37, № 4, стр. 4564-4574, 2022. https://doi.org/10.1109/tpel.2021.3121813
8. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
9. Высоковольтные керамические конденсаторы для силовой электроники, Х. Лавиль (Exxelia), техническая статья EE Power, https://eepower.com/technical-articles/high-voltage-ceramic-capacitors-for-power-electronics/.
10. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com