Эксимерные модуляторы 6 кГц: точность резонансного заряда

Эксимерные модуляторы 6 кГц: точность резонансного заряда

Резюме

Резонансный источник питания заполняет накопитель энергии от низковольтной шины в течение межимпульсного интервала с точностью ±0.5% или лучше. При частоте 6 кГц этот интервал составляет 167 мкс, а 4.5 Дж на импульс соответствуют 27 кВт средней мощности, передаваемой через резонансный контур. Допуск контура влияет на напряжение в накопителе, переключение на нулевой ток зависит от точки пересечения с нулем, которая изменяется с температурой, а резонансный конденсатор пропускает полный зарядный ток при каждом импульсе.

1. Введение

Резонансный источник питания представляет собой высокочастотный входной каскад полностью твердотельного эксимерного модулятора. Он заряжает накопитель от низковольтной шины постоянного тока до контролируемого напряжения от 20 до 35 кВ в течение одного межимпульсного интервала от 100 мкс до 1 мс.

Точность напряжения должна достигать ±0.5% или лучше. При частоте 6 кГц источник питания совершает полный цикл заряда каждые 167 мкс, а для импульса мощностью 4.5 Дж требуется 27 кВт средней мощности через резонансный контур.

В топологии с последовательным резонансом или LCC-током переключение при выключении происходит при нулевом токе, что и обеспечивает работоспособность твердотельных переключателей при многокиловольтном напряжении шины. Этот же резонансный процесс чувствителен к емкости нагрузки, напряжению шины и допускам компонентов.

Отклонение в 2% в характеристиках резонансного контура сдвигает резонансную частоту на 1%. В течение 167 мкс зарядовое окно превращается в ошибку напряжения в блоке, и эта ошибка достигает лазера в виде дрожания энергии от выстрела к выстрелу.

2. Основной механизм

2.1 Полусинусоидальный импульс зарядки

В последовательно-резонансном источнике питания резонансный индуктор, резонансный конденсатор и емкость нагрузки образуют последовательную цепь. Зарядный ток представляет собой полусинусоиду, длительность которой определяется колебательным контуром:

T_charge = π × √(L_res × C_res)

где T_charge — длительность импульса в секундах, L_res — резонансная индуктивность в генри, а C_res — резонансная емкость в фарадах.

Пиковый ток зависит от напряжения шины и импеданса контура:

I_peak = V_bus × √(C_res / L_res)

где I_peak — пиковый зарядный ток в амперах, V_bus — напряжение шины постоянного тока в вольтах, C_res — резонансная емкость в фарадах, а L_res — резонансная индуктивность в генри.

Рассмотрим индуктор с индуктивностью 22.5 мкГн, конденсатор 100 нФ и шину 1.5 кВ. Полусинусоидальный импульс длится 4.71 мкс и достигает пикового значения 100 А, что соответствует среднеквадратичному значению 70.7 А за весь импульс.

2.2 Коэффициент усиления напряжения на импульс

Заряд, подаваемый в течение одной полусинусоиды, проявляется в виде скачка напряжения на накопительном блоке:

ΔV = (2 × I_peak × T_charge) / (π × C_load)

где ΔV — напряжение, полученное за импульс, в вольтах, I_peak — пиковый зарядный ток в амперах, T_charge — длительность импульса в секундах, а C_load — емкость накопителя в фарадах.

При токе 100 А и длительности импульса 4.71 мкс каждый импульс перемещает 300 мкКл. Сигнал поступает в блок конденсаторов емкостью 10 нФ с напряжением 30 кВ, что соответствует полной заданной точке в одном импульсе.

Накопленная энергия пропорциональна квадрату напряжения аккумуляторной батареи:

E_pulse = ½ × C_load × V_final²

где E_pulse — запасённая энергия в джоулях, C_load — ёмкость накопителя в фарадах, а V_final — напряжение батареи в вольтах. При 10 нФ и 30 кВ это составляет 4.5 Дж, поэтому поезд с частотой 6 кГц потребляет 27 кВт от шины.

2.3 Точность напряжения в зависимости от допуска по напряжению аккумулятора

Конечное напряжение батареи отслеживает погрешность резонансного контура. Каждый 1% погрешности в резонансной емкости или индуктивности сдвигает время заряда и резонансный ток, и батарея следует за ними с погрешностью примерно в 0.2%.

Таким образом, резервуар с допуском ±5% обеспечивает погрешность ±1%, что вдвое превышает требуемую точность для заданного значения. Резервуар с допуском ±1% удерживает погрешность ниже 0.2% и устраняет необходимость в дополнительном регулирующем элементе, который имеет свои затраты и потери.

Энергетическая погрешность увеличивается в два раза быстрее, чем погрешность напряжения. 0.5% погрешность блока данных превращается в 1% погрешности энергии на выходе лазера, что проявляется в виде видимых колебаний дозы от импульса к импульсу.

2.4 Переключение при нулевом токе и ток хвоста

На резонансной частоте момент перехода тока через ноль совпадает с моментом выключения переключателя, поэтому переключатель коммутирует без протекания тока. Допуски компонентов и температура смещают момент перехода тока через ноль от заданного момента выключения.

Переход через ноль, приходящий с задержкой в ​​10–20 нс, оставляет переключатель, по которому протекает остаточный ток, при полном напряжении шины. Потери при переключении возрастают на 30–50%, и при мощности 27 кВт это тепло попадает на переход и на радиатор, рассчитанный на меньшие параметры.

Контур управления, отслеживающий измеренное время перехода через ноль и изменяющий момент срабатывания переключателя, устраняет зависимость от точности измерения уровня в резервуаре в цепи управления.

2.5 Потери ЭПР в резонансном конденсаторе

Резонансный конденсатор пропускает весь зарядный ток, а его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) преобразует часть этого тока в тепло при каждом импульсе:

P_ESR = I_rms² × ESR × T_charge × PRF

где P_ESR — средние потери в ваттах, I_rms — среднеквадратичный ток за импульс в амперах, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в омах, T_charge — длительность импульса в секундах, а PRF — частота повторения в герцах.

При среднеквадратичном токе 70.7 А, длительности импульса 4.71 мкс и частоте 6 кГц потери составляют 0.0236 Дж на Ом на импульс, или 1.41 Вт при 10 мОм. Увеличение сопротивления в этом случае соответствует тепловому сопротивлению от перехода к окружающей среде:

ΔT = P_ESR × R_th(j−a)

где ΔT — повышение температуры в кельвинах, P_ESR — средние потери в ваттах, а R_th(j−a) — тепловое сопротивление от диэлектрика до окружающей среды в кельвинах на ватт.

В радиально-свинцовом корпусе при мощности 6 К/Вт температура повышается на 8.5 К при сопротивлении 10 мОм. В том же корпусе при сопротивлении 30 мОм после 30% дрейфа ЭПР рассеивается 4.24 Вт и температура повышается на 25 К, что является точкой, где температурный коэффициент диэлектрика начинает увеличивать погрешность.

Рис. 1 — При сопротивлении 10 мОм резонансный конденсатор с радиальными выводами нагревается до 8.5 К; та же деталь при сопротивлении 30 мОм достигает критической отметки в 25 К, в то время как корпус с винтовыми клеммами остается около 13 К.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Потеря точности напряжения из-за допустимых отклонений.

Во многих конструкциях резонансный конденсатор и индуктор указываются с допуском ±5%. В результате разброс резонансной частоты и времени заряда составляет ±1% от номинала батареи.

Эти колебания видны на выходе лазера как вариации энергии от импульса к импульсу. Обычно для их устранения используется этап пост-регулирования, что увеличивает стоимость, потери и требует второго контура управления для настройки.

Проблема 2: Увеличиваются потери при переключении на границе режима переключения с нулевым током.

Смещение резонансной частоты на 5% сдвигает точку пересечения тока с нулем на 10–20 нс относительно момента выключения переключателя. В этом случае переключатель коммутирует с током на выходе при полном напряжении шины.

Потери при переключении возрастают на 30–50%, и радиатор, рассчитанный на расчетное значение, оказывается недостаточно мощным. Температура перехода повышается, и потери снова увеличиваются.

Проблемный момент 3: Резонансное последовательное сопротивление конденсатора (ESR) нагревает деталь.

Резонансный конденсатор пропускает полный зарядный ток. При пиковом токе 100 А и среднеквадратичном токе 70.7 А его эквивалентное последовательное сопротивление генерирует 1.41 Вт при сопротивлении 10 мОм, и это тепло накапливается в небольшом объеме диэлектрика.

Там, где эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) изменяется с температурой, потери возрастают, и температура следует за ними. Трехкратное увеличение ESR приводит к тому, что потребляемая мощность того же элемента достигает 4.24 Вт, а повышение температуры на 25 К достаточно для увеличения погрешности емкости и времени зарядки одновременно.

Проблемный момент 4: Недостаточное демпфирование зарядки, превышающее заданное значение.

В цепи зарядки с недостаточным демпфированием происходит превышение заданного значения на 0.5–1% на последнем импульсе. Это перенапряжение повторяется при каждом цикле зарядки.

Затем в накопителе энергии происходит переходный процесс, превышающий расчетный уровень, и его диэлектрик, уже находящийся вблизи напряжения начала частичного разряда, немного изнашивается при каждом импульсе. Неисправность регистрируется как дефект конденсатора и начинается в демпфировании контура.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Ужесточить допуски на прочность резервуара.

Укажите резонансный конденсатор и индуктор с допуском ±1%, чтобы погрешность блока не превышала 0.2%. Используйте N4700 Диэлектрик I класса с температурным коэффициентом ±30 ppm/°C и пренебрежимо малым коэффициентом напряжения, благодаря чему емкость остается неизменной во всем рабочем диапазоне.

При вводе в эксплуатацию необходимо измерить и подобрать конденсатор и индуктор с суммарным допуском ±0.5%. Этап подбора требует одного измерения на единицу и исключает необходимость использования стабилизатора напряжения.

Стратегия 2: Отслеживание точки пересечения с нулевой отметкой в ​​контуре управления.

Используйте контур, который отслеживает момент пересечения резонансного тока с нулем и регулирует время срабатывания переключателя в реальном времени. Установите полосу пропускания так, чтобы она соответствовала тепловому дрейфу от 0.1 Гц до 1 Гц, что позволяет подавлять межимпульсные помехи и улавливать медленные движения.

Этот контур устраняет необходимость в жестких допусках в цепи управления. Точность расчета заряда по-прежнему должна быть обеспечена, и от этого больше не зависит синхронизация.

Стратегия 3: Снизить потери эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) в резонансном конденсаторе.

Выберите конденсатор с коэффициентом демпфирования (DF) ниже 0.1% и эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) ниже 5 мОм на резонансной частоте. Компонент с высоким номинальным током и низким тепловым сопротивлением отводит тепло I²R без использования монтажной поверхности.

В то время как радиально-выводной корпус при 6 К/Вт повышается на 8.5 К при 10 мОм, винтовой корпус при 3 К/Вт повышается на 4.3 К при тех же потерях, дверная ручка конденсаторы В банковской сфере применяется та же логика. пленочный конденсатор Другой кандидат на эту позицию — это [другой кандидат], и именно его ЭПР на резонансной частоте определяет критерии сравнения.

Стратегия 4: Смягчить зарядную цепь.

Добавьте элемент с низкой индуктивностью. толстопленочный резистор Последовательно с резонансным конденсатором, чтобы повысить коэффициент затухания до 0.5 или 0.6 и удержать перерегулирование ниже 0.2%. Резистор должен иметь эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) ниже 10 нГн, чтобы не создавать собственного реактивного сопротивления.

Проверьте демпфирование при полном напряжении. Измерение подтверждает сопротивление контура, которое предполагает модель, и это единственный способ увидеть перерегулирование, поскольку его увидит лазер.

Стратегия 5: Ограничение перенапряжения

Поместите быстровосстанавливающийся диод Для ограничения перенапряжения заряда на заданном уровне используйте схему подключения к накопителю. Выберите компонент с временем обратного восстановления 35 нс или ниже и достаточно низким зарядом восстановления, чтобы он не вводил ток в зону перенапряжения.

Настройте ограничитель на 0.2–0.5% выше заданного значения. Это защитит аккумуляторную батарею и сохранит форму сигнала заряда неизменной, что важно, поскольку контроллер измеряет ту же самую форму сигнала для регулирования напряжения.

Стратегия 6: Мониторинг формы волны заряда и дрейфа ЭПР.

Измерьте зарядный ток и конечное напряжение батареи на каждом импульсе. Выведите из них потери на импульс и отследите эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) резонансного конденсатора по полученному значению, для чего потребуется низкоиндуктивный резистор для измерения параметров в контуре.

Установите порог срабатывания системы технического обслуживания на уровне 20% от отклонения ESR относительно базового значения при вводе в эксплуатацию. Это самый ранний видимый признак старения конденсатора, и он проявляется задолго до изменения емкости.

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 резонансной зарядки

Выбор на этом узле определяется четырьмя требованиями: достаточно точная и стабильная емкость, обеспечивающая корректность арифметических вычислений заряда, достаточно низкий коэффициент диссипации, чтобы потери ESR оставались в пределах допустимых тепловых нагрузок, достаточно низкий уровень частичного разряда для высокого значения dV/dt полусинусоидального сигнала на 100 А, и корпус, отводящий тепло I²R. Компания HVC производит продукцию, отвечающую этим требованиям, на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Емкость, отсортированная с точностью до ±1%, позволяет поддерживать резонансную частоту в пределах 0.5% от расчетной и удерживать погрешность блока ниже 0.2% без дополнительного регулятора.
• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C поддерживает постоянную резонансную частоту во всем рабочем диапазоне, благодаря чему точка пересечения нуля остается неизменной, а потери при переключении не возрастают.
• Коэффициент демпфирования ниже 0.1% и эквивалентное последовательное сопротивление ниже 5 мОм на резонансной частоте позволяют свести потери на конденсаторе к небольшой доле от 27 кВт, протекающих через бак.
• Испытание на 100% частичный разряд при токе 5 пКл или ниже охватывает высокие значения dV/dt, которые возникают при воздействии полусинусоидального тока силой 100 А на диэлектрик.
• HVRGHP Измерительные резисторы с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн позволяют измерить потери на импульс, а быстровосстанавливающиеся диоды с временем восстановления от 25 до 35 нс предотвращают выброс сигнала из блока.
• Корпуса винтовых клемм до 40 кВ прошли квалификацию в качестве замены японских винтовых конденсаторов Murata в программах полевого ремонта источников света. Компоненты HVC соответствуют параметрам Murata, высоковольтные серии TDK и Vishay.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные резонансные комплекты — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в характеризации резонансных цепей, измерении коэффициента демпфирования и эквивалентного последовательного сопротивления, а также в анализе конструкции демпфирования и фиксации.

Отправьте значения параметров контура, напряжение шины, емкость блока, заданное значение, ток и частоту повторения. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит кривую зависимости емкости от температуры для предлагаемого компонента, значение ESR на резонансной частоте, значение демпфирующего резистора и комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Насколько точным должно быть напряжение в аккумуляторной батарее?

±0.5% или лучше, и каждый 1% погрешности бака обходится в 0.2% от этой погрешности. Бак с погрешностью ±5% расходует ±1% и дважды не достигает цели, поэтому бак с погрешностью ±1% или подобранная пара являются наиболее практичным решением. Погрешность энергии изменяется в два раза быстрее, чем погрешность напряжения, потому что E_pulse = ½ × C_load × V_final².

В2: Что определяет длительность импульса заряда?

T_charge = π × √(L_res × C_res). При индуктивности 22.5 мкГн и емкости 100 нФ полусинусоида длится 4.71 мкс, а пиковый ток равен V_bus × √(C_res / L_res), что составляет 100 А от шины 1.5 кВ. Этот импульс перемещает 300 мкКл в блок, или 30 кВ на 10 нФ.

В3: Какую мощность рассеивает резонансный конденсатор?

P_ESR = I_rms² × ESR × T_charge × PRF. При 70.7 А среднеквадратичного значения, 4.71 мкс и 6 кГц потери составляют 1.41 Вт при 10 мОм. Радиально-выводной корпус с коэффициентом теплопроводности 6 К/Вт повышается на 8.5 К по сравнению с этим значением, а дрейф в 30 мОм увеличивает потери в этом же корпусе до 4.24 Вт и повышается на 25 К.

Вопрос 4: Что произойдет, если точка пересечения нуля сместится?

Переключатель отключается при наличии тока на выходе при полном напряжении шины, а потери при переключении возрастают на 30–50% при сдвиге на 10–20 нс. Дрейфа резонансной частоты на 5% достаточно, чтобы сместить точку пересечения на такое расстояние. Отслеживание измеренной точки пересечения нуля в контуре управления обеспечивает согласование синхронизации без увеличения натяжения резонансного контура.

В5: Как предотвратить переизбыток заряда?

Увеличьте коэффициент демпфирования цепи зарядки до 0.5 или 0.6 с помощью последовательно включенного резистора с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн. Это позволит удержать перерегулирование ниже 0.2%, а ограничительный диод, настроенный на 0.2–0.5% выше заданного значения, будет улавливать остаточное напряжение, не нарушая форму волны заряда, за которой регулирует контроллер.

В6: Какой самый ранний признак старения резонансного конденсатора?

Дрейф ESR. Измеряйте зарядный ток и конечное напряжение батареи при каждом импульсе, вычисляйте потери за импульс и отслеживайте ESR относительно базового уровня при вводе в эксплуатацию. Повышение на 20% является триггером для технического обслуживания, и оно появляется до того, как емкость изменится настолько, чтобы сдвинуть время зарядки.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., 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. Х. Накао, Ю. Ёнезава, Т. Сугавара, Ю. Накашима и Ф. Курокава, Метод онлайн-оценки деградации электролитических конденсаторов для прогнозирования отказов импульсных источников питания с цифровым управлениемIEEE Transactions on Power Electronics, том 33, № 3, стр. 2552-2558, 2018. https://doi.org/10.1109/tpel.2017.2691048.
8. М. Маркезони и др., Минимизация пульсаций напряжения на конденсаторе в преобразователе напряжения для высоковольтных систем постоянного тока., в материалах Международной конференции AEIT HVDC 2019 года (AEIT HVDC), стр. 1-6, 2019. https://doi.org/10.1109/aeit-hvdc.2019.8740647
9. Металлизированные пленочные импульсные конденсаторы MKP — основные характеристики продуктаKEMET Electronics, https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors .
10. США 6,937,027, Гибридный датчик для обнаружения высокочастотных частичных разрядов, Hanyang Hak Won Co., Ltd., выдано в 2005 г., https://www.freepatentsonline.com/6937027.html.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com