Расходные материалы для CO2-лазеров: замена снятых с производства колпачков Murata/TDK/Vishay.

Расходные материалы для CO2-лазеров: замена снятых с производства колпачков Murata/TDK/Vishay.

Резюме

Компания Murata закрыла свои линии DHS и DHR, TDK сообщает о более чем 40-недельном сроке поставки компонентов для сверхвысоковольтных и высоковольтных систем, а Vishay разослала уведомления о прекращении производства по некоторым номерам компонентов для высоковольтных систем. Компонент, соответствующий заявленным параметрам емкости и номинального напряжения, все еще может выйти из строя в полевых условиях, поскольку потери, эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) и поведение смещения определяют результат в диапазоне частот от 50 кГц до 200 кГц. В этой статье представлен четырехслойный параметрический анализ, условия тестирования, выявляющие слабые места, а также проверки партии и старения, которые позволяют принять окончательное решение.

1. Введение

Компания Murata закрыла свои линии по производству высоковольтной керамики DHS и DHR. TDK предоставляет котировки за последние 40 недель на детали для сверхвысоковольтного и высоковольтного отопления. Vishay Компания разослала уведомления о прекращении поддержки отдельных моделей HVCC. Каждая из этих деталей находилась в блоке питания CO2-лазера в течение десяти лет и более.

Первым делом большинство команд открывают техническое описание, находят компонент с той же емкостью и тем же номинальным постоянным током и устанавливают его. Источник питания срабатывает. Он проходит тест на выдержку. Три месяца спустя пульсации усиливаются, точка резонанса смещается, а демпфирующий резистор отрывает паяное соединение.

Статические значения перемещаются по странице технического описания. Динамические характеристики — нет. Компонент на 4700 пФ от другого поставщика может соответствовать заявленным характеристикам и при этом иметь в три раза большую эквивалентную индуктивность (ESL), в четыре раза большие потери на частоте 100 кГц и коэффициент смещения, который снижает емкость на 15 %.

В данной статье изложена четырехступенчатая система проверки запасных частей, причины отказов в полевых условиях, возникающие после проведения слабой проверки, пятиэтапный процесс проверки, а также данные о детали, позволяющие отследить принятие решения.

2. Основной механизм

2.1 Статические параметры: въездные ворота

На экране отображаются четыре числа: номинальная емкость, номинальное напряжение постоянного тока, диапазон рабочих температур и сопротивление изоляции. Эти значения напрямую взяты из технической документации и являются необходимыми.

Они также описывают деталь при комнатной температуре, при постоянном токе, без нагрузки. Источник питания CO2-лазера работает на частоте от 50 кГц до 200 кГц с пульсациями тока в несколько ампер. Статические показатели ничего не говорят о потерях или стабильности в этих условиях.

2.2 Динамические параметры на рабочей частоте

Импеданс конденсатора на рабочей частоте определяет как потери, так и фазу.

Z_C(f) = ESR + j · (2πf · ESL − 1 / (2πf · C))

где Z_C(f) — импеданс конденсатора на частоте f, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в Ом, ESL — эквивалентная последовательная индуктивность в Гн, C — емкость в Ф, а f — рабочая частота в Гц.

Выше собственной резонансной частоты компонент становится индуктивным и перестает фильтровать.

f_s = 1 / (2π · √(ESL · C))

где f_s — собственная резонансная частота, ESL — эквивалентная последовательная индуктивность в Гн, а C — емкость в Ф. Для 4700 пФ и 50 нГн f_s составляет 10.4 МГц, поэтому компонент по-прежнему ведет себя как конденсатор на частоте 100 кГц. В устаревшем компоненте с ESL 2 мкГн частота f_s снижается до 1.6 МГц, а реактивное сопротивление на частоте 100 кГц увеличивается на 1.3 Ом.

Коэффициент диссипации получен из той же модели.

DF = tan δ = ESR / X_C = 2πf · C · ESR

где DF — коэффициент рассеяния, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в Ом, X_C — емкостное реактивное сопротивление на частоте f, а C — емкость в Ф.

Потери внутри корпуса происходят по текущему пути.

P_loss = I_rms² · ESR

где P_loss — рассеиваемая мощность в Вт, I_rms — среднеквадратичный ток через деталь в А, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в Ом. При токе 20 А и частоте 100 кГц зазор ESR 10 мОм между старой и новой деталью добавляет 4 Вт тепла внутри корпуса.

2.3 Стабильность смещения при воздействии постоянного тока

Фильтрующий конденсатор в источнике питания 10 кВ работает при напряжении, близком к номинальному, на протяжении всего срока службы. Диэлектрики класса II теряют емкость при таком напряжении. Диэлектрик класса I, например, N4700 удерживает его в плоском положении.

C_actual = C_nominal · K_V(V_bias / V_rated)

где C_actual — емкость при рабочем напряжении смещения, C_nominal — значение, указанное в техническом описании, K_V — коэффициент смещения при данном соотношении напряжений, V_bias — приложенное постоянное напряжение, а V_rated — номинальное постоянное напряжение.

Резонансная частота изменяется вместе с емкостью.

Δf_r / f_r ≈ − 0.5 · (ΔC / C)

где Δf_r / f_r — относительное смещение резонансной частоты, ΔC / C — относительное изменение емкости, а множитель 0.5 следует из того, что f_r ∝ 1/√C. Коэффициент смещения 0.85 означает потерю емкости на 15 %, поэтому резонансная точка смещается на 7.5 %, а окно мягкого переключения сужается.

2.4 Долгосрочная надежность: медленно изменяющиеся переменные

Три числа описывают состояние детали в течение нескольких лет. Ни одно из них не проявляется при часовом стендовом испытании.

Частичный разряд ниже 10 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Термоциклирование в течение 1000 циклов от −40 °C до +125 °C с изменением емкости менее 2 %. Температурно-влажностно-смещенное воздействие в течение 1000 ч при 85 °C и 85 % относительной влажности с сопротивлением изоляции более 50 % от исходного значения.

Деталь, прошедшая все три проверки на этапе выборочного контроля, все равно может оказаться некачественной при серийном производстве. Остальные факторы определяются разбросом результатов от партии к партии.

Рис. 1 — Статическое согласование устраняет проблему только на уровне L1; уровень L2 в диапазоне частот от 50 кГц до 200 кГц при наличии смещения отличает деталь, которая служит долго, от той, которая выходит из строя через несколько месяцев.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Акции брокера, прошедшие проверку емкостным измерителем.

Как только производитель прекращает выпуск какой-либо линейки продукции, рынок заполняется выпаянными деталями, излишками барабанов и неавторизованными каналами сбыта. Маркировка и внешний вид соответствуют оригинальным деталям. Хранение в теплом, влажном воздухе ухудшает состояние внутреннего диэлектрика.

Ручной измеритель показывает нормальное значение. При напряжении смещения менее 10 кВ частичный разряд значительно превышает 10 пКл, и деталь выходит из строя в течение нескольких месяцев.

Проблема 2: Экран, который останавливается на значениях емкости и номинального напряжения.

В диапазоне частот от 50 кГц до 200 кГц показатели ESL и ESR определяют, выдержит ли деталь испытание временем. Вариант с идеальной емкостью и соответствующим номинальным постоянным током, но с утроенным показателем ESL по сравнению с оригиналом, смещает точку резонанса и увеличивает потери в резонансной петле.

Проблема 3: Слабое место выходит из строя постепенно, а не сразу.

Опасный режим отказа — это когда компонент работает, но недолговечен. Новый компонент исправно работает при комнатной температуре на стенде. Однако со временем его повышенные потери приводят к повышению температуры корпуса, изменению емкости в зависимости от температуры, смещению резонансной точки, и один термический цикл может привести к срабатыванию защиты или выходу из строя какой-либо детали.

Проблема 4: После переключения объема появляется разброс между партиями.

Первая партия из 20 штук может выглядеть неплохо. После перехода на оптовые закупки показатели ESR, DF и частичного разгрузки различаются между партиями, и вся система меняется в зависимости от поступающего материала.

Проблема 5: Страховой случай "от контакта до контакта" покрывает только сам пакет услуг.

Некоторые поставщики продают готовые к установке аналоги. Их габариты, расстояние между выводами и маркировка совпадают. Различия заключаются в электрических характеристиках: ESR и ESL на высоких частотах, а также коэффициенте смещения диэлектрика.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Проверка в четыре этапа, от детали до системы.

Одного теста недостаточно для замены. Проведите четыре этапа последовательно и остановитесь при первой же неисправности.

Уровень проверки	Тестовый контент	Критерии прохождения	Типовое оборудование
L1 Статический скрининг.	Емкость, напряжение, ИК-излучение, визуальный эффект.	Соответствует оригинальным спецификациям.	Измеритель LCR, тестер высокого напряжения.
Динамические параметры L2.	ESR, ESL, DF на рабочей частоте.	В пределах 1.2 раза больше исходной детали.	Анализатор импеданса.
Проверка на уровне платы L3.	Форма волны, повышение температуры, эффективность электроснабжения.	Температура должна повыситься не более чем на 5 °C по сравнению с исходной.	Осциллограф, тепловизионная камера.
Система L4 стареет.	Работа под полной нагрузкой в ​​течение 500 часов и более.	Никакого заноса, никаких поломок.	Старая стойка, регистратор данных.

Стратегия 2: Проведение тестирования с учетом предвзятости и с высокой частотой.

Измерение с частотой 1 кГц, напряжением 1 В (среднеквадратичное значение) и нулевым смещением описывает деталь, которой нет в данном приложении. Перенесите условия тестирования в рабочую точку.

Параметр	Тест технической документации	Тест замены
Частота тестирования.	1 кГц.	От 50 кГц до 200 кГц.
Испытательное напряжение.	1 В действ.	500 В до номинального напряжения.
Смещение постоянного тока.	0 V.	Рабочее напряжение смещения: от 5 до 10 кВ.
Температура окружающей среды.	25 ° C.	25 °C плюс повышение рабочей температуры.

Стратегия 3: Перед закупкой большого количества товара проверьте три партии поступающих товаров.

Возьмите не менее 10 образцов из каждой из первых трех партий и сравните их на одном и том же стенде.

серия	Дрейф емкости	DF на частоте 100 кГц	ЭПР на частоте 100 кГц	ПД при 1.5-кратном увеличении номинального значения
Лот 1.	В пределах ±2 %.	Показатель не выше 0.15 %.	На уровне 1.2 раза или ниже исходного значения.	При температуре 10 пСм или ниже.
Лот 2.	В пределах ±2 %.	Показатель не выше 0.15 %.	На уровне 1.2 раза или ниже исходного значения.	При температуре 10 пСм или ниже.
Лот 3.	В пределах ±2 %.	Показатель не выше 0.15 %.	На уровне 1.2 раза или ниже исходного значения.	При температуре 10 пСм или ниже.

Разброс между партиями должен оставаться в пределах 50 % от заданного диапазона спецификаций. Больший разброс указывает на возможные проблемы в полевых условиях в первый год серийного производства.

Стратегия 4: Сопоставление данных о деталях с данными системы.

Запишите базовые значения с исходным элементом: резонансную частоту, КПД, пульсации выходного сигнала и повышение температуры в каждом критическом узле. Закройте конденсатор умножителя, быстровосстанавливающийся диод и демпфирующий резистор. Установите выбранный образец и проведите повторные измерения при той же нагрузке, той же окружающей среде и том же коэффициенте заполнения.

Сравните три различия. Удерживайте резонансную частоту в пределах 1 %, изменение эффективности в пределах 0.5 % и повышение температуры в пределах 5 °C. Кандидат, прошедший все тесты на уровне отдельных компонентов, все равно может не пройти этот этап.

Стратегия 5: Проведите аудит процесса поставщика, а не только образца.

Спросите, кто занимается разработкой диэлектрика и кто управляет линией спекания. Запросите оборудование для частичного разряда, высоковольтного и высокотемпературного смещения в зоне испытаний, а также отчет об использовании этого оборудования на вашем предприятии.

Проверьте систему качества, сопоставив ее с действующим сертификатом, и изучите историю применения. Данные по источникам питания лазера, рентгеновского излучения и импульсной мощности показывают, что поставщик уже сталкивался с подобными нагрузками.

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 среднеквадратичного значения.
ЭПР на частоте 1 МГц.	Сопротивление ниже 50 мОм.	-
Индуктивность петли, длина струны 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 изменения DV/DT.	При напряжении выше 50 кВ/мкс.	при номинальном напряжении.

5. Комплект компонентов HVC для замены снятых с производства деталей.

Заменяемая деталь должна проходить через те же четыре слоя, что и оригинальная, как на стенде, так и в сети питания. Компания HVC производит пассивный комплект для этого типа напряжения на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, рассчитанном на напряжение от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент потерь ниже 0.1 %. Потери остаются ниже 0.1 % на частоте 100 кГц, поэтому добротность петли Q сохраняется, а амплитуда резонансного тока остается достаточно большой для разряда емкости устройства.
• TCC при −4700 ppm/°C ±1000 ppm/°C. Емкость сохраняется во всем промышленном диапазоне, поэтому резонансная точка не смещается во время цикла нагрева.
• Коэффициент смещения близок к 1.0. Значение K_V в сетке остается стабильным до 150 кВ, поэтому для замены детали не требуется кривая коррекции смещения.
• Частицы разряда ниже 5 пКл при напряжении в 1.5–2 раза превышающем номинальное. Заводская проверка на этом уровне обеспечивает запас прочности по сравнению с пределом в 10 пКл и замедляет старение диэлектрика.
• Варианты комплектации системы охлаждения. HVCT8G Серия винтовых клемм крепится на алюминиевом кронштейне с помощью винтов M4 или M5 и снижает тепловое сопротивление более чем на 50 % по сравнению с компонентами, содержащими свинец.
• Один подходящий набор. А резистор выборки HVRGHP читает разделитель, и толстопленочный резистор Он рассчитан на работу с демпферами и амортизаторами, поэтому одного цикла старения на 500 часов достаточно для замены всего комплекта.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты — в течение 6–10 недель, тогда как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в разработке плана поэтапной поставки, настройке тестов на частоте смещения и сравнении партий.

Укажите исходный номер детали, рабочую частоту, напряжение смещения и профиль нагрузки. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам таблицу перекрестных ссылок с номерами деталей, данными ESR и DF на рабочей частоте, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему согласование емкостей не работает в полевых условиях?

Потому что емкость — это лишь одно из множества значений. Можно подобрать компонент, который будет соответствовать емкости и номинальному напряжению, и при этом иметь в три раза большую эквивалентную последовательную индуктивность (ESL), в четыре раза большую частотную характеристику (DF) на частоте 100 кГц и коэффициент смещения, который снижает емкость на 15 % при рабочем напряжении. Эти три различия смещают резонансную точку и повышают температуру компонента. Выход из строя в полевых условиях происходит через несколько недель.

В2: Каким условиям испытаний должен соответствовать товар, подлежащий замене?

Рабочая точка, а не точка, указанная в технической документации. Измерьте ESR, ESL и DF в диапазоне от 50 кГц до 200 кГц при постоянном напряжении смещения от 5 до 10 кВ и при реальной температуре. Измерение на частоте 1 кГц, при напряжении 1 В среднеквадратичного значения и нулевом смещении не позволит отличить хороший вариант от плохого.

В3: Сколько партий мне нужно отобрать для анализа?

Три партии товара, не менее 10 штук в каждой. Сравните дрейф емкости, коэффициент декомпрессии (DF), эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и частичный разряд, и убедитесь, что разброс между партиями находится в пределах 50 % от диапазона технических характеристик. Обычно перед массовым браком наблюдается ситуация, когда две качественные партии сменяются третьей, отличающейся большим количеством бракованных изделий.

Вопрос 4: Достаточно ли замены контактов?

Нет. В описании "от вывода до вывода" рассматривается корпус, посадочное место и расстояние между выводами. Там ничего не говорится об ESR и ESL в диапазоне от 50 кГц до 200 кГц или о коэффициенте смещения. Механическое согласование следует рассматривать только как уровень L1, а электрические уровни использовать поверх него.

В5: Сколько времени занимает проверка на системном уровне?

Минимальный срок выдержки под полной нагрузкой составляет 500 часов, что примерно соответствует трем неделям работы на стойке в непрерывном режиме. Этот период позволяет выявить медленные причины отказов: рост эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), дрейф емкости и увеличение частичного разряда. 24-часовое испытание позволяет выявить только серьезные отказы.

В6: Какие данные поставщик должен передать вместе с деталями?

Протокол испытаний по каждой партии с указанием значений ЭПР, ДФ и частичного разряда на рабочей частоте и смещении, а также сертификат системы качества и список эталонных образцов для применения в лазерных, рентгеновских или импульсных источниках энергии. Без протокола испытаний по каждой партии сравнение партий не имеет базового уровня.

7. Рекомендации

1. МЭК 60825-1:2014, Безопасность лазерной продукции — Часть 1: Классификация оборудования и требованияЖенева: МЭК, 2014.
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. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влагиНадежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008
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. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общие технические характеристики, Изд. 6.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2021.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com