Как определить пригодность отечественных высоковольтных компонентов для использования в источниках питания CO2-лазеров

Как определить пригодность отечественных высоковольтных компонентов для использования в источниках питания CO2-лазеров

Резюме

Высоковольтный компонент бытового производства может пройти проверку LCR-метром на частоте 1 кГц, но при этом выйти из строя при питании от CO2-лазера на частоте 100 кГц и напряжении 20 кВ. Шесть групп испытаний позволяют устранить этот пробел: входное экранирование, высоковольтное смещение, форма сигнала, повышение температуры, частота повторения и старение в течение 1,000 часов. Допустимые отклонения составляют ±2% для емкости, 10 пКл для частичных разрядов и 15 °C для повышения температуры корпуса. В этой статье приводится порядок испытаний, их количество и необходимые записи.

1. Введение

Источник питания CO2-лазера управляет резонансными элементами на частоте 100 кГц и напряжении в несколько киловольт. Обычно в производство попадает аналог, прошедший всего одну проверку на стенде. Эта проверка измеряет емкость и потери на частоте 1 кГц и мало что говорит о характеристиках элемента на частоте 100 кГц при наличии смещения.

Одна и та же схема отказов повторяется в разных проектах. Первая партия работает 8 часов, и резонансная частота изменяется. Вторая партия показывает более высокий уровень частичных разрядов, чем контрольная партия. Третья партия теряет сопротивление изоляции во влажном помещении. Все три партии прошли одинаковые стендовые испытания.

Проблема заключается в методе. Поставщик может использовать качественный технологический процесс и при этом отгрузить партию, отличающуюся от образца, поскольку температура спекания, состав суспензии и давление упаковки меняются от партии к партии.

Шесть тестовых групп позволяют устранить этот пробел. Каждая группа включает в себя контрольную точку, условия тестирования и запись результатов, поэтому второй инженер может повторить решение и получить тот же результат. Полный цикл тестирования занимает от 11 до 18 недель и состоит из трех этапов.

2. Основной механизм

2.1 Что охватывают шесть тестовых групп

Первая группа проводит проверку поступающих компонентов: внешний вид, маркировка, емкость, сопротивление и высоковольтный импульс. Вторая группа подает постоянное смещение и измеряет изменение емкости, коэффициента разряда и частичных разрядов. Третья группа устанавливает компонент в источник питания под напряжением и записывает сигналы колебаний, пробоя и поддержания напряжения.

Четвертая группа измеряет температуру корпуса через 30 минут при полной нагрузке. Пятая группа запускает источник питания с частотой повторения 1 кГц в течение одного часа. Шестая группа подвергает деталь воздействию тепла, термических циклов и влажности с учетом смещения.

Занятия в первой и второй группах проходят в течение 1-2 недель. Занятия в третьей-пятой группах проходят в течение 3-6 недель. Занятия в шестой группе длятся еще 8-12 недель и могут начаться сразу после завершения занятий во второй группе.

2.2 Формулы за воротами

Резонансная петля источника питания определяет значение накопительного элемента:

f_res = 1 / (2π · √(L · C))

Где f_res — резонансная частота в Гц, L — индуктивность петли в Гн, а C — емкость накопителя в Ф. Изменение емкости на 1% сдвигает f_res на 0.5%, так что входящий затвор с допуском ±2% удерживает резонансную точку в пределах 1%.

Постоянная времени разряда зависит от сопротивления разрядника и емкости накопителя:

τ = R · C

Где τ — постоянная времени разряда в мкс, R — сопротивление разрядного резистора в Ом, а C — емкость в нФ. При наличии сопротивления 10 кОм, подключенного к конденсатору емкостью 4700 пФ, τ = 47 мкс, а напряжение в узле падает ниже 50 В примерно за 0.4 мс.

При каждом разряде в детали выделяется тепло:

P_loss = I_rms² · R_ESR

Где P_loss — омические потери в Вт, I_rms — среднеквадратичный ток через компонент в А, а R_ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в мОм. При 5 А и 50 мОм потери достигают 1.25 Вт, которые корпус винтовых клемм передает на шасси с небольшим увеличением.

2.3 Склонность к предвзятому поведению определяет проходной балл

В универсальном керамическом элементе происходит потеря емкости при постоянном напряжении смещения. Потери могут достигать 30% при половине номинального напряжения, а коэффициент детерминации может удвоиться. В этом случае резонансная точка смещается далеко за пределы диапазона ±2%, и проверка при 0 В никогда этого не покажет.

Диэлектрик I класса сохраняет свои значения при смещении напряжения. Кривая емкости остается близкой к линейной, коэффициент диэлектрической проницаемости остается ниже 0.15%, а уровень частичного разряда остается на уровне 10 пКл или менее при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное.

2.4 Стареющие ворота

Последний этап — это испытание на старение. Деталь работает 500 часов при 85 °C под нагрузкой, проходит 500 термических циклов в диапазоне от −40 °C до +125 °C и 1,000 часов при 85 °C и 85% относительной влажности с приложением напряжения.

Допускается отклонение емкости на ±5%, эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) на ±30%, а коэффициента запаса прочности (DF) на ±0.05%. Уровень частичного разряда (PD) должен оставаться в пределах двукратного значения от первоначального, а сопротивление индуктивности (IR) должно быть выше половины первоначального значения. Деталь, не прошедшая проверку хотя бы на одном из затворов, дисквалифицируется.

Рис. 1 — Три этапа квалификации и их контрольные точки, от проверки новых деталей на 1-й и 2-й неделях до 12 недель целенаправленного старения.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Данные, полученные на стенде при 1 кГц, не описывают характеристики компонента при 100 кГц.

Измеритель LCR на частоте 1 кГц показывает одну точку. CO2-лазер работает на частоте 100 кГц, при напряжении 20 кВ и токе в несколько ампер. Значения ESR, ESL и DF в этой точке могут отличаться от лабораторных значений на порядок.

Само измерение несложно. Анализатор импеданса с источником смещения за несколько минут выдает одинаковые значения на рабочей частоте.

Проблема 2: Распределение золотых образцов, скрывающих множество дефектов.

Поставщик часто отбирает первые образцы вручную. Эти единицы находятся в центре распределения, поэтому данные по образцам выглядят превосходно. Партии поступают из всего распределения, и уровни ESR и PD распределены равномерно.

Разница в емкости в 2% в тестовой партии может достигать 8% в основной партии. В этом случае резонансная точка смещается на 4%, и источник питания выходит из строя из-за пульсаций, которые были пройдены в тестовой партии.

Проблема 3: Старшая группа бежит последней и блокирует расписание.

Для работы с группой пожилых людей требуется от 8 до 12 недель. Проект, начатый в конце программы, не сможет оправиться от провала контрольного этапа, поэтому сроки сдвигаются на целый квартал.

Запустите группу старения параллельно с процессом сборки системы. Запустите её сразу после завершения группы смещения и используйте время ожидания для обработки осциллограмм и тепловых характеристик.

Проблема 4: Невозможно отследить имеющиеся записи.

В большинстве программ используется критерий «пройдено» или «не пройдено», и больше ничего. Когда через два года обнаруживается неисправность в полевых условиях, никто не может найти условия испытаний, исходное значение или правило, которому соответствовала деталь.

Деталь, для которой нет документации, может быть признана исправной или списанной. Вся партия выводится из эксплуатации, пока инженеры гадают на кофейной гуще.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Разделить шесть групп на три этапа.

На первом этапе проводится проверка и применяется смещение. На втором этапе проверяется работоспособность детали в реальных условиях. На третьем этапе подтверждается срок службы. Каждый этап имеет свой контрольный пункт, поэтому некачественная деталь может быть исключена из программы на ранней стадии.

Фаза	Тесты включены	Типичная продолжительность	Критерии доступа
Фаза 1, экспресс-скрининг	Входящий контроль и смещение HV.	1 в 2 недель.	Статические значения и значения смещения соответствуют спецификации.
Этап 2, проверка системы.	Форма волны, повышение температуры, частота повторения.	2 в 4 недель.	Значения параметров системы находятся в пределах допустимых значений для исходной детали.
Фаза 3, надежность	Долгосрочное старение.	8 в 12 недель.	Значения после старения находятся в пределах порогового значения.

На первом этапе отклоняется от 10% до 20% кандидатов. На втором этапе отклоняется еще от 5% до 10%. Только те части, которые прошли все три этапа, поступают в основную группу.

Стратегия 2: Сравнивать с исходной деталью на каждом этапе.

Проверка по техническим характеристикам хуже, чем проверка по характеристикам уже используемой в проекте детали. Сначала запишите исходные значения при тех же условиях, а затем измерьте характеристики заменяющей детали.

Тестовый предмет	Базовая линия	Заменить ворота
Емкость на частоте 100 кГц с учетом смещения	C_ref.	В пределах ±3% от C_ref.
DF на частоте 100 кГц с учетом смещения	DF_ref.	1.5× DF_ref или меньше.
ЭПР при 100 кГц с учетом смещения	ESR_ref.	1.3× ESR_ref или меньше.
ПД при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное.	PD_ref.	10 пКл или меньше, и 1.5× PD_ref или меньше.
Увеличение количества случаев при полной нагрузке	ΔT_ref.	ΔT_ref плюс 5 °C или меньше.
Пульсации выходного сигнала при полной нагрузке	Ripple_ref.	Ripple_ref плюс 0.5% или меньше.

Стратегия 3: Отбирать пробы из первых трех партий по одной.

Разница между партиями проявляется в объеме, поэтому каждая из первых трех поступающих партий получает свою собственную пробу. Первая партия содержит все шесть групп, а вторая и третья партии — группы с высокой скоростью реакции.

серия	Размер образца	Tests	Gate
Лот 1	15 штук или более.	Все шесть групп.	Передайте эстафету каждой группе.
Лот 2	10 штук или более.	Экранирование, смещение, повышение температуры.	Передайте эстафету каждой группе.
Лот 3	10 штук или более.	Экранирование, смещение, повышение температуры.	Передайте эстафету каждой группе.

Удерживайте диапазон отклонений по всем трем партиям в пределах 50% от заданного диапазона. Если одна партия отличается от двух других, остановите импорт и запросите у поставщика информацию о первопричине и необходимых мерах по устранению проблемы.

Стратегия 4: Используйте один шаблон данных для каждой части.

Один шаблон, один формат, один архив. Шаблон содержит данные о детали, условия испытаний, исходные значения, заключение и две подписи. Храните файл не менее пяти лет.

Записать элемент	Контент
Данные о деталях	Модель, номер партии, поставщик, дата получения.
Условия испытаний	Температура, влажность, смещение, частота, нагрузка.
Исходные значения	Измеренное значение на единицу и на тест.
Judgment	Пройдено или не пройдено по каждому подразделению, с применением контрольного пункта.
Тестировщик и рецензент	Две подписи с датами.

Стратегия 5: Провести квалификацию совместно с поставщиком.

Передайте полные рабочие параметры: частоту, напряжение, ток, температуру и форму сигнала. Запрос, содержащий только емкость и напряжение, оставляет поставщика в неведении относительно реальной нагрузки.

Проведите аудит процесса на месте один раз. Проверьте состав диэлектрической смеси, кривую спекания и испытательное оборудование, затем подтвердите, что линия может повторить обработку выборочной партии. Повторно проверяйте одну поступающую партию каждые шесть месяцев после начала серийного производства.

Поместите быстровосстанавливающийся диод и балласт градуировочный резистор в один и тот же план, поскольку все три типа деталей имеют один общий источник поставок и одну общую пошлину.

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. Детали HVC для программы замены на внутреннем рынке.

Компания HVC производит три семейства пассивных компонентов, используемых в источниках питания для CO2-лазеров, с учетом входящих данных и записей о партиях, необходимых для программы квалификации. Завод занимает площадь 6,000 м² в Дунгуане, а диапазон напряжений составляет от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Заводские данные по частичным разрядам показывают значение 5 пКл или менее при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Группа по проверке смещения подтверждает соответствие отчету поставщика и результатам выборочной проверки.
• Значение TCC составляет ±30 ppm/°C, а DF ниже 0.1%. Резонансная точка сохраняется на протяжении всего периода прогрева, поэтому затвор с допуском ±2% остается открытым на протяжении всей смены.
• Комплекты, подобранные с точностью до ±2%, с отчетом о соответствии для каждой партии. Первые три партии поставляются с собственным техническим паспортом.
• Значение ESL ниже 8 нГн в N4700 диск и HVCT8G Диапазоны винтовых клемм, что обеспечивает чистоту группы сигналов на частоте 100 кГц.
• Координированные компоненты. резисторы выборки HVRGXP А резисторы HVRGFP, используемые для выравнивания напряжения, проходят по той же схеме соединений, что и конденсаторы.
• Перекрестная ссылка на данные Вишай, Мурата и TDK Номера деталей позволяют разместить базовую деталь и ее заменитель в одной таблице.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты — в течение 6–10 недель, в то время как для импортных брендов этот срок составляет 20–30 недель. К каждому заказу прилагаются данные о емкости, IR и PD на единицу продукции.

Отправьте рабочую частоту, напряжение смещения, профиль нагрузки и исходный номер детали. HVC вернет план квалификации, шаблон данных и пленочный конденсатор вариант установки низковольтной железной дороги в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему измеритель LCR на частоте 1 кГц не выявляет проблему?

Поскольку компонент работает на частоте 100 кГц при напряжении смещения 20 кВ, и как частота, так и поле изменяют его ESR, ESL и DF, показания на частоте 1 кГц отражают лишь одно из многих условий. Измерьте те же значения с помощью анализатора импеданса и источника смещения на рабочей частоте.

В2: Сколько образцов мне нужно из первой партии?

Для всех шести групп достаточно пятнадцати или более штук. Образец должен охватывать всю партию, поэтому берите единицы из разных лотков и записывайте дату изготовления каждой из них. Десяти штук достаточно для второй и третьей партий, содержащих только быстросортные группы.

В3: С каким логическим элементом PD должен взаимодействовать заменитель?

Конденсатор не превышает 10 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, и не более чем в 1.5 раза превышает частичный разряд исходного компонента. Компонент, расположенный выше этого затвора, при каждом разряде вводит импульс тока в цепь заземления, и шум проявляется в рентгеновском или оптическом сигнале в виде медленного дрейфа.

Вопрос 4: Может ли одна партия пройти проверку, а следующая — нет?

Да, и это распространенная ситуация. Температура спекания, состав суспензии и давление упаковки изменяются между циклами, поэтому распределение смещается. Отбор проб первых трех партий по одной позволяет выявить это смещение до увеличения объема, когда корректирующие действия еще недороги.

В5: Какой из логических элементов отбраковывает наибольшее количество деталей?

Группа смещения. Деталь с диэлектриком класса II может потерять 30% своей емкости при половине номинального напряжения, и при этом коэффициент демпфирования может удвоиться. На первом этапе по этой причине отбраковывается от 10% до 20% кандидатов.

Вопрос 6: Как долго должны храниться результаты испытаний?

Минимум пять лет, в одном электронном формате, с исходными значениями и обеими подписями. В случае отказа оборудования на третий год необходимы исходные условия испытаний и измеренные значения, иначе партия не может быть сдана в эксплуатацию, и весь парк техники выводится из эксплуатации.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 60825-1:2014, Безопасность лазерной продукции — Часть 1: Классификация оборудования и требованияЖенева: МЭК, 2014.
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. Y. Zhou, B. Chen, C. Tian, ​​J. Yuan и Y. Chen, Параллельный линейный преобразователь с диодным ограничением для испытаний на выдерживаемое напряжение и измерения частичных разрядов электрооборудования.Высокое напряжение, том 8, № 1, стр. 171-182, 2023. https://doi.org/10.1049/hve2.12312
8. Использование низких напряжений для проверки высоковольтных конденсаторов (ток утечки).Форум сообщества EEVblog по электронике, https://www.eevblog.com/forum/testgear/using-low-voltage-levels-to-test-hv-capacitors-leakage-current/ .
9. 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 .
10. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com