Выбор надежных конденсаторов для корабельных лазерных установок на основе YAG-лазера

Выбор надежных конденсаторов для корабельных лазерных установок на основе YAG-лазера

Резюме

Лазер противодействия, установленный на борту корабля, должен работать на полной энергии, в то время как платформа раскачивается и трясется с частотой 5–500 Гц при ускорении до 10 g, в воздухе, насыщенном солью, при перепаде температур в 111 °C. При этом конденсаторная батарея одновременно подвергается механическому, химическому и термическому напряжению. В данной статье выводятся понятия резонанса, усталости, расширения и излучения, а затем каждое из них сопоставляется с конструкцией, которая выдерживает эти воздействия.

1. Введение

Корабельная лазерная система противодействия должна обеспечивать полную энергию каждого выстрела, несмотря на то, что платформа кренится, раскачивается и подвергается ударам в диапазоне вибраций от 5 до 500 Гц при перегрузках до 10 g.

То же самое оборудование находится в насыщенном солью морском воздухе и работает в диапазоне температур от −40 °C до +71 °C, что составляет перепад в 111 °C. В этом случае высоковольтная конденсаторная батарея ведет себя одновременно как три структуры: механическая структура под циклической нагрузкой, химическая структура, подверженная воздействию солевого тумана, и тепловая структура в условиях постоянного циклического воздействия.

В такой комбинации первым обычно выходит из строя конденсатор. Пленочные конденсаторы изнашиваются в местах сгибов и выводов внутренних электродов, электролитические конденсаторы протекают из-за коррозии уплотнений, а конденсаторы с мягким креплением усиливают собственный резонанс до разрушения.

Решение заключается не в более прочном кронштейне. Это конструкция без слоев намотки, подверженных усталости, без утечки электролита и с выводами, выдерживающими нагрузку до 10 г с запасом.

2. Основной механизм

2.1 Инерционная сила и резонансное усиление

Конденсатор под действием ускорения ведёт себя как масса на пружине, где выводы или крепление образуют пружину, а тело является массой:

F = m × a

где F — сила инерции, m — масса тела, а — приложенное ускорение. Собственная частота данной системы определяется следующим образом:

f_n = (1 / 2π) × √(k / m)

где f_n — собственная частота, k — жесткость крепления, а m — масса.

Конденсатор в форме дверной ручки массой 50 г, подключенный к выводам с жесткостью 50 кН/м, имеет собственную частоту 159 Гц, которая находится в пределах корабельного спектра 5–500 Гц.

В резонансе движение усиливается механическим коэффициентом качества Q:

a_eff = Q × a_base

где a_eff — ускорение на теле, Q — добротность крепления, а a_base — ускорение на основании. При Q = 20 и 10 g на основании тело испытывает ускорение 200 g, что составляет 0.05 кг × 200 × 9.81 м/с², или около 98 Н на проводах.

Циклическая нагрузка такой величины вызывает изгиб, упрочнение и, в конечном итоге, разрушение выводных проводов и паяных соединений.

2.2 Циклическая усталость концевых соединений и стыков

Усталость свинца и припоя подчиняется соотношению Коффина-Мэнсона, согласно которому количество циклов до разрушения резко уменьшается с увеличением амплитуды деформации:

N_f = C × (Δε)^−b

где N_f — количество циклов до разрушения, Δε — амплитуда деформации, C — постоянная соединения, а b — показатель усталости, который варьируется от 2 до 3 для свинцовых и припоевых систем.

Удвоение амплитуды деформации, следовательно, сокращает срок службы в 4–8 раз. Тот же конденсатор, который выдерживает 10⁶ импульсов на стенде, выходит из строя после 10³–10⁴ циклов вибрации на корабле, потому что амплитуда деформации относится к платформе, а не к лаборатории.

Пленки, изготовленные методом намотки, создают внутренний путь для решения той же проблемы. Складки их свернутого электрода изгибаются и деформируются, что приводит к разрыву внутренних соединений, которые невозможно обнаружить при внешнем осмотре.

2.3 Термические циклы и несоответствие коэффициентов теплового расширения

Колебание температуры на 111 °C приводит к дифференциальному расширению между керамическим корпусом, эпоксидным покрытием, контактными площадками и платой:

ΔL = α × L × ΔT

где ΔL — дифференциальное перемещение, α — разница коэффициентов расширения, L — длина детали, а ΔT — колебание температуры.

Деталь размером 20 мм с разницей температур между керамикой и FR-4 в 9 ppm/°C перемещается на 9×10^-6 × 0.020 × 111, или примерно на 20 мкм за цикл. За сотни циклов это напряжение приводит к ползучести и растрескиванию припоя, а также к напряжению во внутреннем слое электродов.

Емкость также должна оставаться неизменной на протяжении всего диапазона колебаний. Диэлектрик класса II, изменяющийся на десятки процентов с повышением температуры, меняет энергию импульса от выстрела к выстрелу.

2.4 Радиационная стойкость для вариантов, используемых в авиации и космосе

Лазерные установки аэрокосмической отрасли предъявляют дополнительные требования к механическим характеристикам, включая суммарную дозу ионизации и повреждения от смещения. Органические диэлектрики и электролиты деградируют под воздействием ионизирующего излучения из-за газовыделения, изменения проводимости и дрейфа емкости.

Неорганическая керамическая решетка полупроводников N4700 класса I по своей природе устойчива к радиации и не содержит электролита, способного выделять газы или протекать. Повреждения, вызванные смещением носителей заряда, которые сокращают время жизни носителей в полупроводниках, не влияют на керамическую матрицу, поскольку ее работа зависит от диэлектрической решетки.

Для этих платформ керамический конденсаторный блок — единственная технология, которая одновременно отвечает требованиям к механическим, тепловым характеристикам и радиационному воздействию.

Рис. 1 — Часть, закрепленная на свинцовом стержне, достигает пиковой нагрузки в 200 г на частоте 159 Гц внутри корабельного диапазона; жесткое винтовое крепление выводит собственную частоту за пределы 500 Гц и удерживает нагрузку в 10 г.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Усталость проводов и электродов в частях плёнки для заживления ран.

При длительной вибрации с частотой 5–500 Гц и ускорением 10 g пленочные конденсаторы выходят из строя из-за усталости в местах сгибов внутренних электродов и в месте соединения вывода с пленкой. Внешние признаки отказа отсутствуют.

В состоянии покоя емкость и ЭПР выглядят нормально, а обрыв цепи или короткое замыкание происходит только во время следующего вибрационного импульса. Лазер падает в море, и в логах не регистрируются признаки неисправности.

Проблема 2: Резонансное усиление тяжелых компонентов с выводами для монтажа в отверстия.

Крупные электролитические и пленочные детали часто имеют собственные частоты в пределах корабельного диапазона, поэтому они превращают 10 г в 100–300 г у корпуса и вызывают растрескивание паяных соединений в течение сотен часов.

Чем тяжелее деталь, тем хуже усиление, поэтому для размещения устройств хранения больших объемов данных необходимы жесткие винтовые клеммные конструкции, собственная частота которых находится выше частотного спектра.

Проблемный момент 3: коррозия от солевого тумана и влажности.

Морской солевой туман разрушает свинцовое покрытие и уплотнения конденсаторов. В электролитических деталях коррозия уплотнений приводит к утечкам, потере емкости и короткому замыканию ячеек, часто в момент максимальной нагрузки.

Пленка на своих концах подвергается коррозии, что повышает контактное сопротивление и локальный нагрев до тех пор, пока защитное покрытие детали не прогорит.

Проблемный момент 4: Растрескивание соединений из-за термических циклов и смещение емкости.

Каждое колебание температуры на 111 °C вызывает перемещение на 20 мкм в каждом соединении. За сотни циклов припой деформируется и трескается.

Детали, диэлектрические свойства которых изменяются с температурой, также влияют на энергию импульса, посылаемого на лампу, поэтому точность энергии лазера зависит от температурной истории платформы.

Проблемный момент 5: Радиационная деградация в вариантах аэрокосмической техники.

В случае воздушных и космических полезных нагрузок ионизирующая доза вызывает деградацию органических диэлектриков и электролитов, изменение емкости и увеличение утечки до тех пор, пока аккумуляторная батарея не не пройдет квалификацию или не выйдет из строя в полете.

Повреждения накапливаются, и ни одна предполетная электрическая проверка не сможет их обнаружить, если только она не имитирует механическую дозу облучения.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использование монолитной керамической конструкции в местах, критически важных с точки зрения вибрации.

Выберите эпоксидную заливку N4700 Керамические детали для позиций PFN, демпфера и спускового крючка, где основной риск вибрационной усталости раневой пленки. В теле отсутствуют раневые слои и внутренние складки, которые могли бы подвергаться воздействию.

Используйте клеммы с винтовым креплением или клеммы типа «дверная ручка», поперечное сечение которых выдерживает циклическую нагрузку класса 98 Н без упрочнения. В тех случаях, когда для одного из основных элементов требуется большая емкость, чем экономически целесообразно обеспечить керамика, используйте керамику в качестве высокочастотной опоры, а остальную часть блока закрепите с помощью зажимов военного класса и фиксаторов натяжения.

Стратегия 2: Управляйте резонансом, а не только ускорением.

Повысьте собственную частоту каждого установленного конденсатора выше 500 Гц с помощью коротких жестких проводов, жесткого зажима или компаунда, чтобы ни одна часть не резонировала в пределах корабельного спектра. Часть, находящаяся выше полосы пропускания, будет испытывать нагрузку в 10 г вместо 100–300 г.

В тех случаях, когда заливка компаундом невозможна, добавьте силиконовую прокладку или вязкоэластичную подушку для поглощения добротности в месте крепления. Проверьте работу с помощью синусоидальной развертки и случайной вибрации, а не статической нагрузки.

Стратегия 3: Герметизация от солевого тумана и влажности по всей длине.

Для каждого конденсатора необходимо использовать эпоксидную заливку с защитой от солевого тумана, что исключает коррозию, возникающую в месте соединения электролита и герметика. Необходимо покрыть собранную плату защитным слоем и герметизировать корпус с помощью осушительного порта, поскольку в этом случае керамические компоненты не будут подвержены собственной коррозии.

После испытания на температурные циклы проверьте герметизацию на наличие трещин. Трещины в эпоксидной смоле в будущем приведут к разрушению в соляном тумане, а также к... пленочный конденсатор Именно в этом месте трещина наносит наибольший ущерб.

Стратегия 4: Расчет на полный диапазон колебаний температуры от −40 °C до +71 °C.

Выберите материал N4700 класса I с коэффициентом ±30 ppm/°C, чтобы емкость и энергия импульса оставались в пределах ±0.35% в военном диапазоне температур и чтобы при низких температурах не наблюдалось коллапса класса II.

Обеспечьте снятие натяжения в местах монтажа с помощью гибких выводов или пружинных контактов, чтобы расширение класса 20 мкм поглощалось снятием натяжения, а не паяным соединением. Проведите квалификацию с помощью 500 термических циклов и проверьте емкость, эквивалентное последовательное сопротивление и частичный разряд до и после процедуры.

Стратегия 5: Добавить требования к радиационной стойкости и выносливости для вариантов, предназначенных для аэрокосмической отрасли.

Для бортовых и космических полезных нагрузок необходимо обеспечить соответствие керамического блока уровню суммарной ионизирующей дозы платформы 50–300 крад(Si), поскольку неорганическая решетка N4700 не содержит органических диэлектриков или электролитов, которые могли бы подвергаться деградации.

Проведите испытание на долговечность импульса с 10^6 импульсами при максимальной энергии и наихудшей температуре одновременно с испытанием на вибрацию и зафиксируйте температуру корпуса в качестве индикатора, предшествующего отказу. Сохраните полный пакет данных о квалификации вместе с устройством, поскольку военным и космическим заказчикам требуется документальное подтверждение. резистор выборки Разделитель обеспечивает документально подтвержденную справку по каждой электрической проверке для данного комплекта.

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. Конденсаторы HVC N4700 для военных YAG-лазеров.

Выбор компонентов на этом узле определяется четырьмя требованиями: корпус без внутренних путей усталости, уплотнение, устойчивое к солевому туману, емкость, сохраняющая свои свойства при температуре выше 111 °C, и диэлектрик, выдерживающий ионизирующее воздействие. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для этого комплекта на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Монолитная керамическая конструкция не имеет намотанных слоев и внутренних складок электрода, поэтому отсутствует внутренний путь усталости, который приводит к выходу из строя намотанных пленочных деталей. Единственными механическими интерфейсами являются выводы, которые в винтовых клеммах имеют большую толщину и прочность.
• Эпоксидное покрытие устойчиво к воздействию солевого тумана и не удерживает электролит, поэтому отсутствует герметик, подверженный коррозии, жидкость, которая может вытекать, и механизм высыхания.
• Линейный коэффициент, близкий к ±30 ppm/°C, обеспечивает поддержание емкости и энергии импульса в пределах ±0.35% в диапазоне температур от −40 °C до +71 °C, что исключает коллапс класса II при низких температурах.
• Короткие, жесткие винтовые клеммы смещают собственную частоту выше диапазона 5–500 Гц. Серия от 1 кВ до 150 кВ включает дисковые клеммы, клеммы в виде дверных ручек и винтовые клеммы для любых способов монтажа.
• Неорганический диэлектрик устойчив к радиации, не содержит органических веществ и электролита, способного выделять газы, поэтому батарея выдерживает ионизирующую дозу, характерную для аэрокосмической полезной нагрузки.
• Длительность импульсного режима превышает 10^6 импульсов при частичном разряде ниже 5 пКл. дверная ручка конденсаторы Корпус закрывает критическую по нагрузке точку, где концевое поперечное сечение воспринимает циклическую нагрузку.

Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам VishayКерамика KEMET и Murata, используемая в высоковольтной технике, позволяет банку сохранять возможность сопоставления аналогичных предложений при получении одобрения.

В одной из корабельных программ противодействия замена пленочных конденсаторов PFN на керамические конденсаторы в эпоксидной смоле устранила отказы, вызванные вибрацией, которые в среднем происходили один раз на 20 000 выстрелов, и комплекс испытаний на вибрацию, солевой туман и термические циклы по стандарту MIL-STD-810G прошел проверку с первой попытки.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты N4700 поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, соответствующие требованиям, — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в анализе собственных частот и условий монтажа, планировании испытаний в условиях окружающей среды, квалификации по термическим циклам и солевому туману, а также консультируют по вопросам радиационной стойкости.

Отправьте спектр вибраций платформы, диапазон температур, данные о воздействии солевого тумана, монтажный чертеж и дозу облучения для вариантов, предназначенных для аэрокосмической отрасли. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит рекомендации по выбору детали и корпуса с механическими и электрическими данными, примечанием по монтажу и комплектом для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему конденсатор выходит из строя на корабле, но не на верстаке?

Поскольку амплитуда деформации относится к платформе. Соотношение Коффина-Мэнсона N_f = C × (Δε)^−b с показателем степени 2–3 означает, что удвоение деформации сокращает срок службы в 4–8 раз, поэтому деталь, которая выдерживает 10^6 ударов на стенде, может выйти из строя после 10^3–10^4 циклов вибрации в море.

Вопрос 2: Какую силу оказывает 10 г на вывод конденсатора?

98 Н для детали массой 50 г, когда крепление резонирует с добротностью Q = 20. Базовое ускорение 10 g становится 200 g на теле, а F = m × a дает 0.05 кг × 200 × 9.81 м/с². Эта циклическая нагрузка приводит к упрочнению, а затем к разрушению выводов и паяных соединений.

Вопрос 3: Какова должна быть собственная частота установленного конденсатора?

Частота выше 500 Гц, так что она находится за пределами диапазона колебаний судов и воздушных судов. Деталь дверной ручки весом 50 г, закрепленная на свинцовом креплении и обладающая жесткостью 50 кН/м, попадает на частоту 159 Гц, внутри диапазона, в то время как жесткий винтовой клеммник или герметичное крепление смещают резонанс выше этой частоты.

Вопрос 4: Какое значение теплового расширения имеет паяное соединение?

Примерно 20 мкм за цикл для детали размером 20 мм, при ΔL = αLΔT с разницей 9 ppm/°C и размахом 111 °C. За сотни циклов это движение приводит к ползучести и растрескиванию припоя, поэтому в местах монтажа следует использовать гибкие выводы или пружинные контакты.

В5: Почему керамический корпус лучше, чем пленочный, при вибрации?

Потому что в нем нет слоев намотки, которые могли бы подвергаться трению. Монолитный корпус не имеет внутренних складок электродов и соединения вывода с пленкой, поэтому отсутствует внутренний путь усталости, который приводит к разрыву пленочных частей под воздействием вибрации. Оставшиеся интерфейсы — это выводы, надежность которых обеспечивается винтовыми клеммными блоками.

В6: Что добавляет к квалификации аэрокосмический вариант?

Суммарная ионизирующая доза и повреждения от смещения, а также вибрация, термические циклы и соляной туман. Неорганическая решетка N4700 не содержит органического диэлектрика или электролита, которые могли бы выделять газы или разрушаться, поэтому керамический блок соответствует диапазону доз 50–300 крад(Si), в котором пленочные и электролитические компоненты не проходят квалификацию.

7. Рекомендации

1. Куффель, Э., Заенгль, В.С., и Куффель, Дж. Высоковольтная техника: основы, 2-е изд. Оксфорд: Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. Военно-морской стандарт RPF-49470D. Конденсатор, фиксированный, с керамическим диэлектриком, импульсный источник питания (общего назначения и термостабильный), стандартная и высокая надежность, общие технические характеристики.Вашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США, 2017.
6. 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.
7. А. Шимада, М. Сугимото, Х. Кудо, К. Тамура и Т. Сегучи, Методика оценки срока службы кабелей атомных электростанций с использованием радиационного старения.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 19, no. 5, pp. 1768-1773, 2012. https://doi.org/10.1109/tdei.2012.6311526.
8. К. Ван, Ю. Конг, П. Фу, Дж. Ван, А. Кумар, К. Олейничак и др., Оценка частичного разряда силового модуля на основе SiC MOSFET с напряжением 3.3 кВ при давлении на высоте полета и переменном напряжении частотой 60 Гц., в сборнике трудов Конгресса и выставки IEEE по преобразованию энергии (ECCE) 2023 года, стр. 5366-5371, 2023. https://doi.org/10.1109/ecce53617.2023.10362648.
9. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
10. 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 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com