Многоканальные конденсаторные батареи для зарядных устройств YAG-лазеров широкого диапазона

Многоканальные конденсаторные батареи для зарядных устройств YAG-лазеров широкого диапазона

Резюме

Лабораторная платформа на основе Nd:YAG-лазера должна обеспечивать 100 мДж энергии для выравнивания, 500 мДж для работы методом накачки-зондирования и 1 Дж для испытаний на порог повреждения, что соответствует десятикратному разбросу запасенной энергии. Одно лишь управление напряжением позволило бы изменять напряжение зарядного устройства от 200 В до 2000 В и вывести низкоэнергетические выводы из режима переключения при нулевом напряжении. В данной статье выводится уравнение для выводов, время резонансного заряда, потери и пусковой ток рекомбинации 316 А, а затем описывается пятиточечная процедура проектирования.

1. Введение

Лазеры Nd:YAG исследовательского класса представляют собой многоэнергетические приборы. Лабораторная платформа обеспечивает 100 мДж для юстировки, 500 мДж для стандартных экспериментов по накачке-зондированию и 1 Дж для пороговых стадий повреждения или усиления.

Энергия импульса импульсной лампы поступает от конденсаторной батареи PFN через W = ½CV². Для покрытия диапазона энергии 10:1 только за счет напряжения зарядное устройство будет переключаться между 200 В и 2000 В относительно фиксированной батареи.

Такое соотношение создает нагрузку на изоляцию в верхней части цепи и лишает резонансный зарядник рабочей точки в нижней части. Одна настроенная ступень зарядки не может обеспечить одинаковый уровень энергии с одинаковой эффективностью.

В исследовательских и медицинских лазерах на основе YAG-лазера используется многоканальный блок хранения. Хранилище разделено на подблоки, которые релейная или MOSFET-матрица рекомбинируют, так что каждый энергетический уровень работает при почти оптимальном соотношении емкости и напряжения.

2. Основной механизм

2.1 Уравнение энергетического отвода

Накопленная энергия аккумуляторной батареи и емкость, необходимая для достижения заданной энергии при заданном напряжении, связаны следующим соотношением:

W = ½ × C × V²

где W — запасённая энергия, C — ёмкость аккумуляторной батареи, а V — напряжение зарядки. Решение уравнения относительно ёмкости даёт значение отвода:

C = 2 × W / V²

где C — требуемая емкость, W — целевая энергия, а V — напряжение на отводе.

Далее следуют три канонических уровня. Для 100 мДж при 200 В емкость составляет 2 × 0.1 / 200², или 5.00 мкФ. Для 500 мДж при 1500 В она составляет 2 × 0.5 / 1500², или 0.44 мкФ. Для 1 Дж при 2000 В она составляет 2 × 1.0 / 2000², или 0.50 мкФ.

В таблице показана проблема проектирования. Один и тот же джоуль можно хранить при 0.5 мкФ и 2000 В или при 50 мкФ и 200 В, поэтому матрица охватывает более чем один декадный диапазон емкости и один декадный диапазон напряжения одновременно. Ни один фиксированный блок не покрывает все три строки, поэтому рекомбинация отводов превосходит больший фиксированный блок.

2.2 Резонансное усиление зарядного устройства на выводах

Большинство YAG-зарядных устройств представляют собой последовательно-резонансные LC- или LCC-преобразователи, которые передают энергию в каждом полупериоде, при этом выходная мощность определяется сдвигом частоты переключения относительно резонанса колебательного контура. Время зарядки зависит от колебаний контура:

t_ch = 2π × √(L_tank × C_eff)

где t_ch — период заряда, L_tank — индуктивность контура, а C_eff — эффективная емкость отраженной нагрузки.

При изменении напряжения на отводе изменяется и отраженная нагрузка, и контроллеру необходимо переместить рабочую точку. На низковольтных отводах преобразователь часто оказывается ниже границы переключения при нулевом напряжении, где потери при жестком переключении многократно возрастают, а КПД падает примерно с 92% до менее 70%.

Таким образом, многоканальная конструкция связывает закон управления зарядным устройством с таблицей ответвлений. Эти два параметра не могут быть спроектированы отдельно, и кривая усиления каждого ответвления должна быть включена в протокол ввода в эксплуатацию.

2.3 Модель потерь и тепловых процессов в каждом кране

Потери в конденсаторе включают в себя резистивный и диэлектрический составляющие:

P_loss = I_rms² × ESR + 2π × f × C × V² × tanδ

где P_loss — рассеяние, I_rms — среднеквадратичный ток, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, f — рабочая частота, C — емкость, V — среднеквадратичное напряжение, а tanδ — коэффициент рассеяния. Повышение температуры происходит по тепловому пути:

ΔT = P_loss × R_th

где ΔT — повышение температуры относительно окружающей среды, P_loss — рассеяние тепла, а R_th — тепловое сопротивление между диэлектриком и окружающим воздухом.

На выводе 1 Дж конденсатор 0.5 мкФ, заряженный до 2000 В, обеспечивает ток около 1000 А в петле импульсной лампы сопротивлением 2 Ом. При частоте 10 Гц и времени разряда 2 мкс коэффициент заполнения составляет 2×10^-5, поэтому среднеквадратичное значение тока I_rms равно 1000 × √(2×10^-5), или 4.5 А. При керамическом эквивалентном последовательном сопротивлении 10 мОм резистивные потери составляют 0.2 Вт, а при 15 К/Вт повышение температуры составляет 3.4 °C.

Пленочный конденсатор с сопротивлением 60 мОм на той же частоте рассеивает около 1.2 Вт и нагревается на 18 °C. Это повышение приводит к смещению емкости и расстройке вывода в течение нескольких минут непрерывной работы.

2.4 Энергия пускового тока и перераспределения при переходе через контакт

Когда матрица объединяет две подсистемы, находящиеся под разными напряжениями, событие соединения высвобождает энергию перераспределения в контур:

E_redist = ½ × C_eq × ΔV²

где E_redist — высвобожденная энергия, ΔV — разность напряжений между двумя подсистемами, а C_eq — последовательное соединение двух емкостей.

Последующий пусковой ток зависит от индуктивности контура:

I_inrush = ΔV × √(C_eq / L_loop)

где I_inrush — пиковый пусковой ток, ΔV — разность напряжений, C_eq — эквивалентная емкость, а L_loop — индуктивность коммутационной петли.

Объединение субблоков емкостью 0.5 мкФ и 2 мкФ с рассогласованием 500 В через петлю индуктивности 1 мкГн дает C_eq = 0.4 мкФ и пусковой ток 316 А. Этот импульсный ток создает напряжение на контактах реле, каналах MOSFET и взаимодействует со всеми паразитными индуктивностями в матрице.

Рис. 1 — Один энергетический диапазон, три отвода: 0.50 мкФ при 2000 В для 1 Дж, 0.44 мкФ при 1500 В для 500 мДж и 5 мкФ при 200 В для 100 мДж.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Искажение формы сигнала на низковольтных ответвлениях.

Дрожание на переднем крае и провисание на верхней границе полосы пропускания появляются только при определенных уровнях энергии и только после многократной смены отводов. Резонансное усиление смещается в зависимости от отраженной нагрузки каждого отвода, а низковольтные отводы выходят за пределы области переключения при нулевом напряжении.

Эффективность падает, импульс становится чувствительным к нагрузке и температуре, и система, которая проходит проверку при 1 Дж, теряет повторяемость при 100 мДж.

Проблема 2: Тепловой разгон из-за чрезмерного СОЭ

Самонагрев, равный ESR × I_rms², повышает температуру диэлектрика, что приводит к изменению емкости и расстройке импеданса отвода. Несоответствие увеличивает ток, что, в свою очередь, снова повышает температуру.

Приборы, работающие в полевых условиях, демонстрируют измеримое ухудшение характеристик после 30 минут непрерывного многократных циклов измерения, и измерение постоянного тока этого не выявляет: емкость в состоянии покоя выглядит нормально, в то время как форма импульса изменяется под нагрузкой.

Проблема 3: Снижение надежности при 10⁵–10⁶ выстрелах

После примерно 10^5 выстрелов частота отказов возрастает из-за совокупного воздействия обратной полярности лампы, старения диэлектрика и деградации электродов. В многоканальной системе каждый отвод стареет со своей собственной скоростью.

Первым выходит из строя наиболее часто используемый ответвитель, и замена одного из подблоков означает демонтаж всей матрицы.

Проблема 4: Пусковой ток и распределение тока при переключении выключателей.

Импульсный разряд класса 316 A разрушает контакты реле, расплавляет малосигнальные реле и приводит каналы MOSFET-транзисторов к лавинному пробою. После рекомбинации несовпадающие параллельные группы также неравномерно распределяют ток.

Несоответствие емкостей между группами на ±5% концентрирует нагрев в одной группе и ускоряет ее выход из строя, поэтому согласование является одновременно мерой надежности и мерой переключения.

Проблемный момент 5: дрейф времени зарядки и снижение пропускной способности.

Каждый контакт создает разную нагрузку, поэтому время зарядки и определение окончания зарядки необходимо настраивать для каждого контакта отдельно. В производственных лазерах производительность снижается из-за заниженных значений времени зарядки.

В исследовательских лазерах происходит рассеяние энергии от выстрела к выстрелу, когда зарядное устройство пересекает границу отвода в середине последовательности, поскольку контур все еще настроен на предыдущий отвод.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диэлектрик и уменьшите номинальную мощность каждого отвода.

Используйте N4700 Для каждого отвода используются компоненты класса I. Их тангенс угла потерь остается на уровне 0.1% или ниже, что на два порядка ниже значений для компонентов класса II и пленочных материалов на импульсных частотах, поэтому потери в отводах остаются небольшими на любом энергетическом уровне.

Номинальное напряжение каждого отводного конденсатора должно составлять 60–70% от его номинального напряжения, что позволит получить отвод на 2000 В для компонента с напряжением 3–4 кВ. Низковольтные отводы имеют радиально-выводной или дисковый корпус, а высоковольтные — винтовой клеммный корпус.

Стратегия 2: Согласовать ESR, ESL и допуск по всем кранам.

Заказывайте пары из одной партии с допуском ±2% по емкости и 5% по ESR и ESL, чтобы параллельные группы распределяли ток после каждой рекомбинации. Проверьте согласование на частоте импульсов 100 кГц, поскольку скин-эффект и эффект близости по-разному изменяют ESR в корпусах разных размеров на частоте 1 кГц.

Сохраняйте совпадающие группы вместе в матричной структуре. Пара, разделенная на две зоны воздушного потока, теряет симметрию, для которой она была подобрана.

Стратегия 3: Разработка всей тепловой цепочки от начала до конца.

Проследите цепочку от диэлектрика к корпусу, радиатору и окружающей среде, поддерживая запас по температуре конденсатора относительно окружающей среды ниже 30 °C при наихудшем значении температуры и максимальной частоте импульсов. Разместите наиболее горячие точки на входе воздушного потока с наибольшей площадью медного слоя.

Смоделируйте тепловой цикл для каждого крана: кран, используемый при 30% нагрузке для работы в 1 Дж, нагревается иначе, чем кран, используемый при полной нагрузке (100 мДж). Указанные в техническом описании характеристики не охватывают всю матрицу.

Стратегия 4: Подавить разворот и смягчить переход.

Керамика N4700 обеспечивает устойчивость к реверсивному напряжению более чем на 80%, в то время как полипропилен — менее чем на 40%. пленочный конденсатор типы, поэтому изменение полярности лампы не сможет снизить надежность ответвления. Добавьте RC-демпфирующую цепь на выходе матрицы и рассчитайте ее размер так, чтобы перерегулирование не превышало 10% от напряжения ответвления.

Подходит для маленького размера градуировочные резисторы Распределение напряжения по каждой последовательной группе происходит таким образом, чтобы оно соответствовало сопротивлению, а не утечке конденсатора.

Стратегия 5: Последовательное осуществление перехода и мониторинг банка.

Никогда не замыкайте ответвление цепи до предварительной зарядки целевого аккумуляторного блока до уровня, отличающегося от напряжения источника не более чем на 5%. Это единственное правило устраняет пусковой ток класса 316 А, а ограничитель пускового тока покрывает первый заряд после рекомбинации.

Регистрируйте количество выстрелов на каждый кран и планируйте проверку до того, как самый загруженный кран достигнет показателя в 10^6 выстрелов. Контролируйте температуру корпуса как ранний индикатор и поддерживайте... выпрямительный диод с согласованным временем восстановления на пути зарядки, чтобы краны заряжались по одной и той же траектории.

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 многоотводных зарядных устройств

Выбор в этом узле обусловлен тремя требованиями: низкими потерями на каждом энергетическом уровне, распределением тока между рекомбинированными группами и корпусом, выдерживающим разрядный фронт 1000 А. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане для этого набора, охватывая диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Диэлектрик класса I N4700 (T3M) 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 каждом напряжении отвода и уменьшает размеры тепловой цепи.
• Допуск на обратное напряжение выше 80%, в отличие от менее чем 40% для полипропиленовой пленки, поглощает обратное напряжение, возникающее при гашении лампы, без преждевременного разрушения диэлектрика, которое приводит к износу выводов пленки.
• Линейный температурный коэффициент, близкий к ±30 ppm/°C, обеспечивает дрейф емкости ниже ±0.35% в диапазоне температур от −25 °C до +125 °C, поэтому ни один вывод не приводит к расстройке его энергии или импеданса.
• Конструкция винтовых клемм с низким уровнем ESL (ниже 10 нГн) обеспечивает разрядную характеристику класса 1000 А на отводе 1 Дж и подавляет колебания во время рекомбинации.
• Допуск ±1% в пределах одной партии позволяет параллельным группам равномерно распределять ток и напряжение, что устраняет дисбаланс, приводящий к преждевременным отказам в матрице.
• Ресурс импульсов превышает 10^6 циклов благодаря эпоксидной герметизации и отсутствию электролита, поэтому в субблоках отсутствует путь высыхания, и их не нужно обслуживать электролитом в герметичном корпусе.

Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам VishayКерамика KEMET и Murata, используемая в высоковольтной технике, позволяет проводить сравнение «один к одному» при квалификации матрицы.

Для ответвлений от низковольтных кабелей также можно использовать большой диск или дверная ручка конденсаторы В тех случаях, когда компоновка требует болтового крепления клеммы, действуют те же правила снижения номинальной мощности.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты N4700 поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные группы с допуском ±1% — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете параметров энергоотвода, анализе коэффициента усиления зарядного устройства, моделировании пускового тока при переходе отвода к другому источнику питания и создании тепловой модели для каждого отвода.

Отправьте уровни энергии, напряжения на отводах, частоту импульсов, импеданс импульсной лампы и индуктивность матричной петли. HVC в течение пяти рабочих дней выдаст рекомендацию по каждому компоненту отвода с данными ESR и ESL, значением демпфирующей цепи и комплектом для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему бы не охватить диапазон от 100 мДж до 1 Дж, используя только регулирование напряжения?

Поскольку энергия подчиняется закону ½CV², для диапазона энергии 10:1 необходим диапазон напряжения 10:1 от 200 В до 2000 В на фиксированном блоке. Этот диапазон создает нагрузку на изоляцию в верхнем диапазоне, выводит низковольтные выводы из режима переключения при нулевом напряжении и снижает эффективность зарядного устройства примерно с 92% до менее 70%.

В2: Как рассчитывается емкость каждого отвода?

Исходя из формулы C = 2W / V², для 100 мДж при 200 В это составляет 5.00 мкФ, для 500 мДж при 1500 В — 0.44 мкФ, а для 1 Дж при 2000 В — 0.50 мкФ. Сначала выберите напряжение на отводе, затем определите емкость в соответствии с уровнем энергии.

В3: Какова величина пускового тока при переключении отводов?

316 А, когда субблоки 0.5 мкФ и 2 мкФ рекомбинируют с рассогласованием 500 В через петлю 1 мкГн, из ΔV × √(C_eq / L_loop). Предварительная зарядка целевого вывода до 5% от источника уменьшает рассогласование и устраняет этот скачок напряжения.

В4: Насколько сильно нагревание по методу ESR изменяет настройку крана?

Пленочный элемент с сопротивлением 60 мОм рассеивает около 1.2 Вт на выводе с энергией 1 Дж и нагревается на 18 °C, что приводит к изменению емкости и расстройке вывода в течение нескольких минут. Керамический элемент N4700 с сопротивлением 10 мОм теряет 0.2 Вт и нагревается на 3.4 °C при той же рабочей нагрузке.

В5: Почему необходимо сопоставлять параллельные группы с точностью до ±2%?

Поскольку несоответствие емкости ±5% между рекомбинированными группами приводит к неравномерному распределению тока, одна группа нагревается сильнее и выходит из строя раньше. Пары из одной партии с несоответствием емкости ±2% и эквивалентного последовательного сопротивления 5% обеспечивают равномерное распределение тока и проверяются на частоте 100 кГц, а не 1 кГц.

В6: Какой кран требует наибольшего внимания при обслуживании?

Наиболее часто используемый уровень импульса, обычно 500 мДж в медицинском или производственном лазере YAG. Регистрируйте количество импульсов на каждый импульс, проводите осмотр до того, как этот импульс достигнет 10^6 импульсов, и следите за температурой корпуса как ранним индикатором роста ЭПР.

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 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
6. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器. Источник: 中国标准出版社, 2021.
7. Б. Ван, Дж. Мэн и П. Чжао, Мониторинг состояния старения алюминиевых электролитических конденсаторов в преобразователях частотыIEEE Transactions on Power Electronics, том 37, № 4, стр. 4564-4574, 2022. https://doi.org/10.1109/tpel.2021.3121813.
8. Ф. Д. Киферндорф, М. Форстер и Т. А. Липо, Снижение пульсаций тока на конденсаторе шины постоянного тока с помощью преобразователя PAM/PWMIEEE Transactions on Industry Applications, том 40, № 2, стр. 607-614, 2004. https://doi.org/10.1109/tia.2004.824495.
9. AND9800/D — Выбор демпфирующего конденсатора для применения в системах управления двигателями (таблица 15, данные испытаний), onsemi, AND9800-D, https://m.onsemi.jp/pub/Collateral/AND9800-D.PDF .
10. США 10,529,487, Многослойный керамический конденсатор с внутренними электродами, имеющими различное расположение краев., Taiyo Yuden Co., Ltd., выдано в 2020 г., https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com