Высокочастотные YAG-лазеры: формирование импульсов по методу Блюмлейна-ПФН

Высокочастотные YAG-лазеры: формирование импульсов по методу Блюмлейна-ПФН

Резюме

Выходная энергия и ширина импульса Nd:YAG лазера с импульсной накачкой зависят от нарастания тока накачки, плоской вершины и частоты повторения импульсов. Схема формирования импульсов Блюмлейна подает на нелинейную лампу приблизительно прямоугольный импульс, и ее характеристики зависят не только от индуктивности и емкости. Допуск, коэффициент заполнения (DF), эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентная последовательная индуктивность (ESL), температурный дрейф и изменение полярности напряжения — все это влияет на импеданс импульса. В данной статье представлена ​​модель импеданса, три цепочки отказов и шесть этапов проектирования для случая 10–100 Гц.

1. Введение

Источник накачки на основе Nd:YAG-лазера использует накопительную батарею, источник питания, схему формирования импульсов, переключатель и ксеноновую импульсную лампу. Батарея подает в лампу от нескольких до десятков джоулей энергии в течение субмиллисекундного интервала. Целью проектирования является получение импульсного сигнала, а не только разряда.

Ток накачки должен повторяться. Медленный передний фронт снижает эффективность установления накачки, пульсации на плоской вершине изменяют энергию лазерного импульса, а колебания в хвостовой части создают дополнительную нагрузку на лампу и выключатель.

По мере увеличения частоты повторения задача переходит от одноимпульсной электрической схемы к электротермической. Конденсатор пропускает пульсирующий ток и имеет высокое значение dv/dt на каждом цикле. ESR преобразует часть этого тока в тепло, а температура, в свою очередь, изменяет емкость, диэлектрические потери и состояние изоляции. В результате характеристическое сопротивление сети отклоняется от расчетного значения.

Один из распространенных симптомов в полевых условиях: форма сигнала чистая, когда устройство холодное, и плоская вершина схлопывается, когда оно нагревается. Это изменение происходит из-за несоответствия между накопительным конденсатором, сетью и импульсной лампой.

Здесь необходимо различать два режима работы. Основной разряд импульсной лампы происходит с частотой 10–100 Гц с длительностью импульса 0.2–1 мс и энергией 1–50 Дж на импульс. Этап зарядки или импульсной обработки может переключаться на частоту 10–100 кГц с использованием блока постоянного тока 1800 В и IGBT-регулятора. Два частотных диапазона создают различную нагрузку, поэтому их тепловые характеристики и срок службы нельзя объединять.

2. Основной механизм

2.1 Двухлинейная структура и характеристическое сопротивление

Идеальная цепь Блюмлейна ведет себя как две линии передачи с одинаковым характеристическим импедансом. В практической конструкции линия аппроксимируется многосекционной LC-цепью, где каждая секция содержит последовательный индуктор и параллельный накопительный конденсатор. Для одной секции характеристический импеданс равен:

Z0 ≈ √(Lcell / Ccell)

где Z0 — характеристическое сопротивление в Ом, Lcell — эквивалентная индуктивность одной секции в Гн, а Ccell — эквивалентная емкость одной секции в Ф. Ширина импульса для n-секционной сети определяется следующим образом:

τp ≈ 2n · √(Lcell · Ccell)

где τp — ширина импульса в мкс, n — количество секций, Lcell — индуктивность секции в мкГн, а Ccell — емкость секции в мкФ. Обе оценки предполагают равное количество секций, быстродействующий переключатель и нагрузку, которая сохраняет справедливость модели линии передачи. Следовательно, допуск по емкости одновременно изменяет запасенную энергию Z0 и τp. Отклонения между секциями также создают отражения, которые проявляются в виде ступенек или колебаний на плоской вершине.

2.2 Накопленная энергия, ток и потери

Теоретическая энергия, запасенная при напряжении заряда, составляет:

E = ½ · C · Vcharge²

где E — запасённая энергия в Дж, C — ёмкость аккумуляторной батареи в мкФ, а Vcharge — напряжение заряда в В. Энергия, достигающая лампы, ниже, поскольку в процесс вступают выключатель, шина, кабель, дуга и конденсатор. Потери на конденсаторе следуют за среднеквадратичным пульсирующим током:

P_loss,ESR = Irms² · ESR

где P_loss,ESR — потери эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) в Вт, Irms — среднеквадратичный пульсирующий ток в А, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в Ом. Этап зарядки или импульсной обработки добавляет диэлектрический член:

P_loss,DF ≈ 2π · f · C · V² · tan δ

где f — доминирующая частота пульсаций в Гц, C — емкость в Ф, V — напряжение в В, а tan δ — коэффициент рассеяния. Номинальное напряжение само по себе не гарантирует пригодность для импульсного режима работы. Определите эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), коэффициент рассеяния (DF) и допустимый ток пульсаций на целевой частоте, а затем подтвердите их с помощью термического испытания.

2.3 Согласование нагрузки и импеданса импульсной лампы

Ксеноновая импульсная лампа имеет высокое сопротивление перед спусковым крючком. После кратковременного включения и зажигания основного разряда её эквивалентное сопротивление быстро падает и продолжает изменяться в зависимости от тока, давления газа, возраста лампы и энергии импульса. Таким образом, цепь работает против движущейся нагрузки и стремится к оптимальному согласованию в течение всего рабочего интервала.

Когда Z0 и динамическое сопротивление лампы различаются, импульс отражается на границе раздела сети и лампы. В результате возникает выброс на переднем фронте, наклонная плоская вершина или колебания в хвосте. Для локально линеаризованного состояния коэффициент отражения равен:

Γ = (ZL − Z0) / (ZL + Z0)

где Γ — коэффициент отражения, ZL — мгновенное сопротивление лампы в Ом, а Z0 — характеристическое сопротивление сети в Ом. Уравнение охватывает небольшой интервал нелинейной дуги, поэтому для проверки необходимо регистрировать Vlamp, Ilamp и напряжение на конденсаторе при нескольких напряжениях заряда, температурах лампы и частотах повторения.

2.4 ESL, паразитные эффекты и обратное напряжение

Практический конденсатор обладает как индуктивностью, так и сопротивлением:

ZC = ESR + j(ω · ESL − 1/(ω · C))

где ZC — импеданс выводов в Ом, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в Ом, ESL — эквивалентная последовательная индуктивность в Гн, C — емкость в Ф, а ω — угловая частота 2πf.

Быстрый фронт сигнала добавляет ESL-член к напряжению на клеммах и может вызвать резонанс с шиной, выключателем и индуктивностью рассеяния трансформатора. В последовательной или параллельной схеме асимметричное соединение приводит к тому, что разные ветви несут разные значения di/dt и разное обратное напряжение.

Когда отражение или резонанс приводят к тому, что напряжение на клеммах опускается ниже нуля, необходимо измерить переворот напряжения по реальной форме сигнала. Показатель переворота напряжения должен содержать опорное напряжение, длительность переворота, частоту повторения и допустимый дрейф параметров. Без соблюдения этих четырех условий фиксированный процент переворота напряжения не имеет инженерного смысла.

Рис. 1 — Схема Блюмлейна задает Z0 и ширину импульса на основе значений сечения, поэтому два плеча соединены попарно по емкости, ESR и ESL из одной партии.

3. Проблемы проектирования

Болевой момент 1: Неравные руки раскалывают плоскую вершину

Разница в емкости, эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR), эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) или напряжении заряда между двумя накопительными плечами приводит к асимметричному разряду. В этом случае форма сигнала поля демонстрирует неравномерное затухание напряжения в двух плечах, несколько пиков на переднем крае или ступенчатую плоскую вершину.

Разница емкостей изменяет локальную задержку распространения, а разница эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) изменяет распределение высокочастотного тока. При одновременном появлении обоих факторов отраженные волны суммируются на выходе в каждом цикле, что увеличивает разброс энергии накачки от импульса к импульсу и напряжение на переключателе.

Проблема 2: нагрев за счет ЭПР приводит к нарушению синхронизации сети.

Наиболее сложной задачей в этом классе является создание чистой формы сигнала при холодном запуске, которая начинает дрейфовать после часа работы. Повторяющиеся циклы заряда и разряда создают пульсирующий ток. ESR и диэлектрические потери преобразуют этот ток в тепло. Температура конденсатора затем изменяет емкость и tan δ, поэтому Z0 и задержка распространения сигнала смещаются, в то время как контроллер сохраняет свои настройки для холодного состояния.

Запишите температуру корпуса, время зарядки, пиковый ток, ток на пике и энергию оптического импульса в течение последовательных импульсов. Падение пикового тока при том же напряжении зарядки, увеличение времени зарядки и рост эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) относительно начального значения являются полезными ранними индикаторами.

Проблемный момент 3: транзиторные и паразитарные факторы усугубляют стресс, связанный с обратным процессом.

Переход импеданса от режима медленного разряда к основному происходит быстро, и выход сети, переключатель и шина совместно определяют переходное напряжение. Большая паразитная индуктивность создает величину L·di/dt, которая составляет 160 В при 20 нГн и 8 А/нс. Несоответствие импедансов добавляет к ней отраженную волну.

К симптомам, наблюдаемым в полевых условиях, относятся периодические отказы переключателей, постепенный дрейф емкости конденсатора, отказы триггера лампы и внезапная нестабильность формы сигнала при максимальной мощности. Увеличение номинального напряжения конденсатора не устраняет эту проблему. Измерьте реальные сигналы конденсатора и переключателя с помощью высокочастотного дифференциального пробника и запишите отдельно напряжение заряда, положительный пик, обратный пик и длительность переключения.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диэлектрик с низкими потерями и низким дрейфом

Начните с диэлектрика класса I N4700/T3M для любой цепи, требующей повторяемости импульсов. В качестве первого эталонного значения для выбора используется температурный коэффициент ±30 ppm/°C, а значение DF должно быть взято из технической документации и получено в результате испытаний на целевой частоте. Диэлектрик класса I обеспечивает линейную зависимость емкости от температуры, что и определяет Z0 и τp. Подтвердите плотность емкости и импульсную характеристику для конкретного компонента.

Стратегия 2: Соединение по импульсному импедансу, а не по номинальной емкости.

Возьмите конденсаторы одной цепи из одной партии, технологического процесса и корпуса. Сопоставьте их по емкости постоянного тока, эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR), температуре корпуса и сопротивлению изоляции, а также добавьте эквивалентное последовательное сопротивление (ESL) выводов и межсоединений для быстрого фронта сигнала. Запишите номер детали и данные испытаний каждого блока перед сборкой, поскольку эта запись станет базовым показателем для всех последующих интервалов обслуживания.

Стратегия 3: Разрабатывайте номинальное напряжение, реверс и балансировку одновременно.

Номинальное напряжение определяется исходя из напряжения заряда плюс перерегулирование, переворот и запас по старению. Для последовательного соединения необходимы балансировочные резисторы, покрывающие статическое рассеяние и динамическое распределение импульсов. Для параллельного соединения необходима симметричная шина и соединения одинаковой длины, чтобы токи в ветвях оставались равными. Показатель переворота ничего не значит, пока не определены форма сигнала, длительность и частота повторения, и один образец не представляет все корпуса.

Стратегия 4: Отрезать петлевой ESL и заглушить передний край.

Соедините конденсатор, выключатель, индукторы цепи и лампу, используя компактную схему и небольшую площадь контура. Проложите цепи с высокими токами через ламинированную шину или короткий широкий проводник, а измерительные провода расположите на расстоянии от пути разряда.

Корпус винтового клеммного разъема HVCT8G крепится болтами к шине, устраняя индуктивность выводов. В местах, где частота колебаний и перерегулирование повторяются, оцените RC-цепь демпфирования после расчета энергии и используйте HVR-BSP Импульсный резистор с корпусом низкой индуктивности.

Стратегия 5: Создать тепловую цепочку и провести тестирование в соответствии с профилем миссии.

Проведите тестирование всего пути от диэлектрика, корпуса и монтажного интерфейса до радиатора и окружающей среды. Проведите испытания при минимальной, номинальной и максимальной частотах повторения импульсов и соберите данные о запуске, установившемся режиме и охлаждении. На этапе зарядки измерьте пульсации тока и потери при частоте переключения 10–100 кГц.

Для лампового блока рассчитайте среднюю тепловую нагрузку, исходя из энергии импульса и профиля частоты 10–100 Гц. Измерьте тепловое напряжение на двух источниках тепла на некотором расстоянии друг от друга, прежде чем проводить балансировку системы.

Стратегия 6: Свяжите форму сигнала, параметры и срок службы.

Установите список допустимых значений, включающий баланс напряжения на двух плечах, пиковое значение тока лампы и его плоскую вершину, ширину импульса, время заряда, обратный пик, амплитуду колебаний, изменение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), сопротивление изоляции и уровень частичного разряда. Определите конечную точку испытания на долговечность как изменение емкости, изменение ESR, падение сопротивления изоляции или выход формы сигнала за пределы допустимых значений. Само по себе количество импульсов не является определением срока службы.

Определите место разряда с помощью... резистор выборки Таким образом, запись волновой формы и запись параметров используют одну временную базу.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока.	Высокотемпературный режим 1.5× в течение 60 с.
емкость	4700 пФ ±20% (472М).	1 МГц, 1 В среднеквадратичного значения.
ЭПР на частоте 1 МГц	Сопротивление должно оставаться ниже 50 мОм.	Четырехконтактное измерение.
Индуктивность петли (хорда E40)	Уровень намагниченности должен оставаться 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.	Испытания по стандарту IEC 60068-2.
Возможность импульсного DV/DT	При напряжении выше 50 кВ/мкс.	При номинальном напряжении.

5. Высоковольтные конденсаторы для импульсной лампы PFN

Для работы сети импульсных ламп необходимы стабильная емкость, низкие потери на частоте пульсаций и определенный запас по обратимости. HVC создает N4700 На собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, Китай, производятся высоковольтные керамические конденсаторы класса I (T3M) с напряжением от 1 кВ до 150 кВ, при этом диэлектрик, корпус, парное соединение и защита рассматриваются как единая система.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Типичный температурный коэффициент составляет ±30 ppm/°C, что обеспечивает сохранение значений Z0 и τp во всем рабочем диапазоне. Подтвердите окончательное значение на выбранной детали.
• Низкие потери на целевой частоте, с указанием коэффициента заполнения (DF), эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и допустимого пульсационного тока как для этапа зарядки в диапазоне 10–100 кГц, так и для импульса импульсной лампы.
• Корпуса HVCT8G с винтовыми клеммами и HVCT9G с радиальными выводами предназначены для шин с низким уровнем паразитных потерь или компактной компоновки, выбор зависит от напряжения, емкости и монтажного пространства.
• Сопоставление параметров емкости, эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), сопротивления изоляции и механических размеров позволяет уменьшить разброс характеристик между отдельными деталями, который приводит к дисбалансу рычага.
• Длительность импульсного режима превышает 10⁶ выстрелов, поэтому срок службы накопителя соответствует пятилетнему интервалу технического обслуживания промышленного лазера.
• Вспомогательные компоненты для той же сети, включая градуировочные резисторы для балансировки и восприятия, и HVR-BSPИмпульсные резисторы /BOP для расчета демпфирующего RC-элемента.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4–8 недель, а изготовленные на заказ пары для измерительного прибора Блюмлейна — в течение 6–10 недель. Каждая пара поставляется с совпадающими данными по емкости и ЭПР, поэтому оба измерительных прибора начинаются с одного базового значения. быстровосстанавливающийся диод Описывает работу зарядного выпрямителя и ограничителя тока на одном и том же этапе.

Отправьте напряжение заряда, энергию импульса, ширину импульса, частоту повторения основного разряда и частоту переключения этапа заряда. HVC вернет сетевой план с Z0, τp, коэффициентом потерь и данными о сопряжении, а также Перекрестная ссылка В соответствии с артикулами Vishay, Murata и TDK, в течение пяти рабочих дней необходимо предоставить комплект для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему плоская верхняя часть деформируется после нагрева лазера?

Поскольку температура конденсатора влияет на емкость и потери, Z0 и задержка распространения сдвигаются, в то время как контроллер сохраняет свои настройки в холодном состоянии. Запишите температуру корпуса, ток на пике и энергию оптического импульса для последовательных импульсов. Падение пика тока при том же напряжении заряда и возрастание ESR относительно начального значения указывают на этот дрейф.

В2: Как задать ширину импульса в сети Блюмлейна?

Исходя из τp ≈ 2n·√(Lcell·Ccell), где индуктивность секции измеряется в мкГн, а емкость секции — в мкФ, затем скорректируйте результат с помощью моделирования всей схемы и измерений на осциллографе. Оценка предполагает равное количество секций и быстродействующий переключатель, поэтому широкий диапазон допусков или медленный переключатель изменяют выходную ширину. Измерьте реальную форму сигнала на лампе.

В3: Какой процент обратного напряжения может выдерживать конденсатор?

Единого числового значения не существует. Показатель реверсии зависит от длительности, частоты повторения, температуры и допустимого дрейфа параметров, и в нем необходимо указать, является ли эталонным напряжение заряда или номинальное напряжение. Измерьте форму сигнала на клеммах с помощью дифференциального пробника и подтвердите долговечность образцов при заданной форме сигнала заказчика и индуктивности петли 20 нГн.

Вопрос 4: Какой уровень электростатического сопротивления (ESL) может выдержать разрядная петля?

Исходя из пика, который возникает на фронте сигнала, L·di/dt. Индуктивность контура 20 нГн при 8 А/нс добавляет 160 В к напряжению на клеммах, которое поступает как на выключатель, так и на конденсатор. Сделайте площадь контура небольшой, используйте ламинированную шину и выберите корпус винтовых клемм, например, Дверная ручка HVCT8G компоненты с наименьшей индуктивностью корпуса.

В5: Можно ли использовать одну сеть как для лампы, так и для зарядки?

Разделяйте их. Основной разряд импульсной лампы происходит с частотой 10–100 Гц, длительностью импульса 0.2–1 мс и энергией 1–50 Дж, а этап зарядки может переключаться с частотой 10–100 кГц на блоке постоянного тока 1800 В. Эти два диапазона по-разному воздействуют на диэлектрик, поэтому измеряйте пульсации на частоте переключения и тепловую нагрузку на частоте работы лампы, и никогда не объединяйте данные о сроке службы.

В6: Какой показатель доказывает соответствие сети?

Запишите напряжение на обоих плечах и плоскую вершину кривой тока лампы. Запишите разность напряжений между двумя плечами, время нарастания каждого плеча в диапазоне 10–90 %, неравномерность плоской вершины кривой, рассогласование пикового тока и частоту колебаний. Массив может пройти тест на емкость постоянного тока и при этом выдавать неравные импульсы, если пропустить сопряжение ESR и ESL. пленочный конденсатор Банк демонстрирует тот же эффект, поскольку механизм расположен в петле, а не в диэлектрике.

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. X. Чжао, Q. Чжан, J. Лонг, Y. Лей и J. Лю, Генератор высоковольтных двойных прямоугольных импульсов на основе MOSFET с индуктивным сумматором.«Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование», том 793, стр. 12-17, 2015 г. https://doi.org/10.1016/j.nima.2015.04.036
8. Зарядка конденсаторов и высоковольтные источники питания SpellmanSpellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-26, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-26 .
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com