Конденсаторы для сжатия магнитных импульсов для наносекундных YAG-импульсов

Конденсаторы для сжатия магнитных импульсов для наносекундных YAG-импульсов

Резюме

Для накачки YAG-лазера с коротким резонатором, модуляцией добротности и синхронизацией мод требуются импульсы значительно короче, чем те, которые обеспечивает обычный PFN, а магнитная компрессия импульсов достигает десятков наносекунд при пиковой мощности в мегаватты. Каждый насыщающий реактор передает энергию одного конденсатора следующему за более короткий интервал, поэтому конденсаторы сталкиваются с возрастающим напряжением, возрастающим dV/dt и глубоким переворотом. В этой статье выводятся условия блокировки, масштабирование на каждом этапе и напряжение на каждом этапе.

1. Введение

Для специализированных Nd:YAG-лазеров требуются импульсы накачки гораздо короче, чем 100–500 мкс, которые выдает обычный PFN-переключатель. Полупроводниковые переключатели работают в микросекундном режиме, а для перехода от этого режима к десяткам наносекунд при пиковой мощности в мегаватты необходим переключатель, способный проводить десятки килоампер с замыканием за доли наносекунды.

Для этой цели используется магнитоимпульсное сжатие. Цепочка насыщаемых индукторов блокирует зарядный ток до тех пор, пока каждый сердечник не исчерпает свою способность генерировать вольт-секунды, после чего насыщается и замыкается за наносекунды, поэтапно.

Демонстрационный образец мощностью 10 МВт с шириной сжатого импульса менее 200 нс показывает масштаб архитектуры. В данной статье показана трехступенчатая цепочка, работающая в диапазоне от 1 кВ и 4 мкФ до 27 кВ и 5.5 нФ.

Компрессионный конденсатор принимает на себя нагрузку каждого каскада. В последующих каскадах наблюдается более высокое напряжение, более высокое значение dV/dt и переворот напряжения, которые не выдерживают обычные пленочные или электролитические конденсаторы, поэтому выбор компонента определяет как ширину импульса, так и срок службы.

2. Основной механизм

2.1 Условия блокировки и баланс вольт-секунд

Насыщаемый индуктор с числом витков N включает сердечник с поперечным сечением A_e и удерживает напряжение заряда до тех пор, пока размах магнитного потока не достигнет доступного значения ΔB между точкой сброса и насыщением:

∫ V dt = N × A_e × ΔB

где интеграл представляет собой произведение вольт-секунд, приложенных к сердечнику, N — число витков, A_e — эффективное поперечное сечение сердечника, а ΔB — полезный размах магнитного потока.

Ненасыщенная индуктивность увеличивается в 10²–10⁴ раз по сравнению с насыщенным значением, поэтому зарядка каскада происходит медленно. Как только произведение вольт-секунд исчерпано, сердечник насыщается, и индуктивность схлопывается, что приводит к передаче накопленной энергии за короткий промежуток времени:

τ = π × √(L_sat × C_eq)

где τ — интервал передачи, L_sat — индуктивность насыщения, а C_eq — эквивалентная емкость ступени. Отношение времени зарядки ко времени передачи определяет коэффициент сжатия K.

2.2 Поэтапное масштабирование при постоянном импедансе

Этап, сохраняющий импеданс √(L / C), масштабирует все четыре величины одновременно:

C_n = C_(n-1) / K², V_n = V_(n-1) × K

где C_n — емкость ступени, C_(n-1) — емкость предыдущей ступени, K — коэффициент сжатия, V_n — напряжение ступени, и V_(n-1) — напряжение предыдущей ступени.

Масштабирование напряжения следует из закона сохранения энергии:

½ × C_(n-1) × V_(n-1)² = ½ × C_n × V_n²

где левая сторона — энергия до сжатия, а правая — энергия после него. При C_n = C_(n-1) / K² напряжение возрастает на K на каждом этапе.

Именно поэтому компрессор сжимает время и одновременно увеличивает напряжение. Три ступени с коэффициентом усиления K = 3 повышают выходное напряжение в 27 раз.

2.3 Пример решения задачи в три этапа

Примите 2 Дж на импульс, выходное напряжение 200 нс и пиковую мощность 10 МВт, входное напряжение 1 кВ и три каскада с коэффициентом усиления K = 3. Входной конденсатор составляет 2 × 2 Дж / (1 кВ)², или 4 мкФ, с интервалом передачи около 5.4 мкс.

Емкость делится на 9 на каждом этапе. На первом этапе емкость составляет 0.44 мкФ при 3 кВ, а τ составляет около 1.8 мкс. На втором этапе емкость составляет 49 нФ при 9 кВ, а τ составляет около 600 нс. На третьем этапе емкость составляет 5.5 нФ при 27 кВ, а τ составляет около 200 нс.

Энергия сохраняется на обоих концах: ½ × 4 мкФ × (1 кВ)² и ½ × 5.5 нФ × (27 кВ)², обе равны 2 Дж. Три компрессионных конденсатора относятся к трем классам напряжения, трем режимам dV/dt и трем семействам корпусов.

2.4 Режим работы каждого компрессионного конденсатора

Наклон кривой напряжения на каждом этапе соответствует изменению напряжения на этапе за время нарастания:

dV/dt = V_n / t_rise

где dV/dt — наклон напряжения, V_n — напряжение ступени, а t_rise — примерно половина интервала переключения.

На первом этапе напряжение составляет 3 кВ в течение 0.9 мкс, или 3.3 В/нс. На втором этапе напряжение составляет 9 кВ в течение 300 нс, или 30 В/нс. На третьем этапе напряжение составляет 27 кВ в течение 100 нс, или 270 В/нс.

Последний показатель исключает обычную конструкцию. Кроме того, на каждом этапе происходит резонанс нагрузки с глубоким перенапряжением, а конденсатор с номинальным коэффициентом перенапряжения ниже примерно 80% выходит из строя после тысяч циклов работы.

Правило отбора следующее: tanδ не выше 0.1% для эффективности, ESL ниже 10 нГн для быстрых фронтов, частичный разряд не выше 5 пКл для срока службы и устойчивость к реверсированию выше 80% для выживания кольца.

Рис. 1 — Лестничная схема AK = 3 пропускает 2 Дж от 4 мкФ при 1 кВ до 5.5 нФ при 27 кВ, повышая напряжение на ступени с 3.3 В/нс до 270 В/нс.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: дрейф при сбросе ядра и конструкция контура BH.

Аморфным и нанокристаллическим сердечникам необходима определенная рабочая точка BH и схема сброса. Если сердечник не возвращается в точку сброса на каждом цикле, доступное значение ΔB уменьшается, задержка насыщения смещается, а время на выходе становится нестабильным.

Дрожание переднего края и провисание верхней грани после многократной отладки являются признаком смещения рабочей точки ядра, и неисправность обычно интерпретируется как проблема с переключателем.

Проблема 2: dV/dt и обратное напряжение разрушают обычные конденсаторы.

При напряжениях около 270 В/нс пленочные конденсаторы подвергаются эрозии из-за внутреннего частичного разряда, а также происходит срезание краев электродов. Переключение напряжения при напряжении выше примерно 40% от номинального приводит к растрескиванию пленочного диэлектрика.

В полевых условиях компрессионные конденсаторы выходят из строя после 10⁴–10⁵ импульсов, потому что в их технических характеристиках не указаны значения dV/dt в наносекундах или глубокого перенапряжения. Эти нагрузки были исключены из спецификации, вместо того чтобы быть учтенными при проектировании.

Болевой пункт 3: Накопление тепла при высокой частоте пульса.

На частотах от десятков до сотен герц потери ESR × I_rms² накапливаются по всей цепи. Часть с сопротивлением 30 мОм, по которой протекает ток на заключительном этапе, изменяет свою собственную емкость в течение 30 минут непрерывной работы.

Затем коэффициент сжатия изменяется, и ширина выходного импульса меняется от выстрела к выстрелу, что проявляется в нестабильности результатов процесса, а не в виде серьезной ошибки.

Проблема 4: Снижение надежности при 10⁵–10⁶ выстрелах

Старение диэлектрика, деградация электродов и накопленное перемагничивание в совокупности приводят к более чем 10^5 импульсам. В многоступенчатой ​​цепи отказ одного компрессионного конденсатора является событием, затрагивающим всю систему.

Энергия, предназначенная для сжатия, сбрасывается в нагрузку в неформованном виде, и на последующих этапах возникают аномальные напряжения и напряжения.

Проблемный момент 5: Утечка предимпульсного сигнала, искажающая форму волны.

Если насыщенная индуктивность слишком высока или ESR и ESL конденсаторов замедляют передачу, часть энергии просачивается до завершения сжатия. Этот предварительный импульс предварительно ионизирует лампу и снижает контрастность основного импульса.

Симптомом является небольшая "ножка" на переднем крае, видимая только на осциллографе с полосой пропускания в ГГц, что замедляет диагностику.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диэлектрик и снизьте его характеристики в зависимости от нагрузки на этапе.

Используйте N4700 Диэлектрик первого класса используется на каждой ступени сжатия. Его потери в 10–100 раз ниже, чем у пленочного диэлектрика на частотах сжатия, что позволяет сохранить пиковую мощность по всей цепочке.

Снизьте номинальное напряжение каждого каскада до 60–70% от номинального напряжения, чтобы выходной каскад на 27 кВ принимал часть напряжения 40 кВ и сохранял запас на случай реверсирования и перерегулирования при насыщении. Проверьте снижение номинального напряжения по импульсной характеристике производителя, а не по номинальному напряжению постоянного тока.

Стратегия 2: Сопоставление ESR, ESL и толерантности по стадиям.

Парные компоненты из одной партии должны иметь допуск ±2% по емкости и 5% по ESR и ESL, чтобы параллельные группы переключались одновременно. 5%-ное несоответствие между параллельно подключенными конденсаторами искажает ток и добавляет предварительный импульс.

Используйте низкоэмиссионные корпуса с винтовыми клеммами (ESL ниже 10 нГн) везде, где dV/dt превышает 100 В/нс, и чередуйте конденсаторы с сердечниками, чтобы индуктивность контура стала частью расчетной индуктивности L_sat. быстрое восстановление Диод-фиксатор с временем восстановления менее 50 нс предотвращает добавление собственного импульса в ветвь затухания.

Стратегия 3: Разработка тепловой цепи для высокой частоты импульсов.

Проследите путь от диэлектрика к корпусу, радиатору и окружающей среде и удерживайте запас по температуре между конденсатором и окружающей средой ниже 30 °C при максимальной частоте импульсов. При частоте выше 50 Гц моделируйте среднюю мощность вместо пикового значения:

P_avg = P_shot × PRF

где P_avg — среднее рассеивание энергии, P_shot — энергия, теряемая за один импульс, а PRF — частота повторения импульсов. Показатель пиковой мощности теряет смысл, как только среднее значение превышает тепловой предел.

Необходимо добавить мониторинг температуры тела пациента, поскольку повышение температуры на 5 °C выше базового уровня является самым ранним признаком роста СОЭ.

Стратегия 4: Подавить реверсию и сгладить переходный процесс насыщения.

Керамика N4700 обеспечивает более 80% обратимости, в то время как полипропилен пленочный конденсатор Типы удерживают перерегулирование ниже 40%, поэтому для глубокого кольца лампы не требуется дополнительная схема ограничения. Добавьте RC-демпфирующую цепь, рассчитанную на удержание перерегулирования ниже 10% от напряжения каскада.

Эта сеть защищает сердечник и конденсатор от скачка напряжения при насыщении. Проверьте время восстановления ограничительного диода и поддерживайте его в рабочем состоянии. градуировочные резисторы путь между элементами серии в стеке.

Стратегия 5: Мониторинг цепи и проверка целостности импульса.

Используйте значение ресурса импульса в 10^6 импульсов в качестве порогового значения для технического обслуживания и регистрируйте количество импульсов на каждом этапе. Проверяйте ширину импульса и уровень предварительного импульса на осциллографе с полосой пропускания ГГц каждые 10^5 импульсов, при этом увеличение выходного τ на 5% является первым количественным предупреждением о дрейфе при сбросе ядра или деградации конденсатора.

Держите в запасе комплект запасных частей для наиболее быстро изнашивающейся цепи, чтобы при замене в полевых условиях не потребовалась повторная подгонка всей цепи.

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 компрессионных каскадов MPC.

Выбор на этом узле определяется четырьмя требованиями: наносекундные фронты, глубокое изменение направления тока, низкий уровень частичного разряда и стабильное соотношение сжатия. 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.

• Диэлектрик класса I N4700 с тангенсом угла диэлектрических потерь tanδ равным или ниже 0.1% и эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) ниже 10 мОм на частоте 100 кГц обеспечивает пренебрежимо малые потери при передаче, поэтому пиковая мощность сохраняется на каждом этапе.
• Конструкция с винтовыми клеммами и низким уровнем ESL (менее 10 нГн) поддерживает фронты сигнала класса 270 В/нс для быстродействующих каскадов и ограничивает отражение энергии, создающее предимпульс.
• Допуск на обратную зарядку выше 80% при частичном разряде ниже 5 пКл поглощает обратное направление полярности кольца лампы и наносекундное напряжение частичного разряда без эрозии, которая приводит к выходу из строя пленочных частей после 10⁴–10⁵ импульсов.
• Линейный коэффициент, близкий к ±30 ppm/°C, обеспечивает стабильность емкости каскада и, следовательно, коэффициента сжатия в диапазоне температур от −25 °C до +125 °C без термической расстройки ширины выходного сигнала.
• Допуск ±1% в рамках одной партии позволяет параллельным группам сжатия переключаться одновременно, а охват диапазона напряжений от 1 кВ до 150 кВ обеспечивает поставку всех каскадов из одной сертифицированной серии.
• Длительность импульсного режима превышает 10^6 выстрелов при использовании эпоксидной инкапсуляции и без электролита в точке наибольшей нагрузки источника импульсов. дверная ручка конденсаторы Корпус закрывает компактное место на заключительном этапе, где расстояние между клеммами определяет индуктивность контура.

Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам VishayКерамика KEMET и Murata, используемая в высоковольтной промышленности, позволяет проводить сопоставление «один к одному» при квалификации производственной цепочки.

Для каждого положения сжатия доступны номинальные импульсные характеристики, данные экранирования частичных разрядов и подобранные комплекты каскадов, при этом индуктивность петли указывается для фактической геометрии монтажа.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты N4700 поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты согласованных ступеней — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете коэффициента сжатия, анализе напряжений в ступенях, расчете dV/dt и снижении номинальной мощности при реверсировании, а также в разработке тепловой модели для работы на высоких скоростях.

Передайте энергию импульса, входное напряжение, целевую ширину импульса, количество каскадов и сопротивление нагрузки. HVC в течение пяти рабочих дней выдаст рекомендацию по выбору компонента для каждого каскада с данными ESL и PD, значением демпфирующей цепи и комплектом для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Сколько ступеней необходимо магнитному компрессору?

Три каскада с K = 3 преобразуют входной сигнал длительностью 5.4 мкс в 200 нс, что в сумме дает 27-кратное сжатие. Количество каскадов выбирается из отношения ширины входного и выходного импульсов, а размер каждого конденсатора определяется формулой C_n = C_(n-1) / K².

В2: Почему напряжение повышается поэтапно?

Энергия должна оставаться постоянной, в то время как емкость уменьшается, поэтому ½CV² заставляет напряжение повышаться. При C_n = C_(n-1) / K² напряжение каскада увеличивается на K, что превращает три каскада с K = 3 в 27-кратный умножитель и позволяет 1 кВ управлять выходным напряжением 27 кВ.

В3: Какое значение dV/dt получает выходной каскад?

270 В/нс при 27 кВ за 100 нс нарастания, против 30 В/нс при 9 кВ и 3.3 В/нс при 3 кВ. Именно такая скорость объясняет, почему на заключительном этапе требуется эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) ниже 10 нГн и диэлектрик, устойчивый к эрозии от частичного разряда.

В4: Какой допуск на обратную полярность необходим компрессионному конденсатору?

Напряжение выше 80% от номинального. На каждом этапе происходит резонансное колебание под нагрузкой, а деталь с номинальным напряжением ниже 40%, например, полипропиленовая пленка, трескается и выходит из строя после тысяч выстрелов. Керамика удерживает резонансное колебание без дополнительной схемы зажима.

В5: Как предотвратить искажение формы сигнала из-за предварительного импульса?

Поддерживайте низкую индуктивность контура и высокую скорость передачи. Чередуйте конденсаторы с сердечниками таким образом, чтобы индуктивность контура входила в расчетную величину L_sat, согласовывайте параллельные части с точностью до ±2%, чтобы они передавались согласованно, и проверяйте передний фронт сигнала на осциллографе с полосой пропускания ГГц.

В6: Какой интервал технического обслуживания подходит для компрессионной цепи?

Расчетный ресурс импульса составляет 10^6 импульсов, при этом ширина и предварительная проверка импульса выполняются каждые 10^5 импульсов. Увеличение выходного τ на 5% указывает на дрейф сброса сердечника или деградацию конденсатора, а температура корпуса является непрерывным индикатором, который необходимо регистрировать.

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. МЭК 60384-17:2019, Стационарные конденсаторы для использования в электронном оборудовании - Часть 17: Спецификация по разделам - Стационарные конденсаторы переменного и импульсного тока с металлизированной полипропиленовой пленочной диэлектрической прослойкой, 3-е изд. Женева: МЭК, 2019.
6. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
7. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器. Источник: 中国标准出版社, 2021.
8. Т. Кадзи, Х. Асаи, Т. Нозу, Х. Кодзима и Н. Хаякава, Напряжение начала частичного разряда при импульсном напряжении инвертора с учетом взаимодействия факторов окружающей среды.IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, том 140, № 7, стр. 349-356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349.
9. 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.
10. 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 .
11. AN-7006 — IGBT のピーク電圧の測定とスナバコンデンサの仕様 (Измерение пикового напряжения IGBT и характеристики снабберного конденсатора)Semikron, AN-7006 Rev-00, https://www.semikron.com/dl/service-support/downloads/download/semikron-application-note-igbt-peak-voltage-measurement-and-snubber-capacitor-specification-ja-2008-03-17-rev-00/ .
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com