Источники импульсных лазеров: коррекция коэффициента мощности и обратная связь по энергии.

Источники импульсных лазеров: коррекция коэффициента мощности и обратная связь по энергии.

Резюме

Импульсный эксимерный зарядник потребляет ток импульсами, которые не следуют за напряжением сети, поэтому нескорректированное питание работает с коэффициентом мощности от 0.5 до 0.7. Кроме того, он сбрасывает заряд конденсатора, оставшийся после каждого импульса. В этой статье рассматриваются расчеты реактивной мощности, топология активной коррекции коэффициента мощности, схема двунаправленного восстановления, четыре режима отказов и параметры конденсаторов, по которым протекает пульсирующий ток.

1. Введение

Источник питания эксимерного лазера заряжает свой накопитель до напряжения от 20 до 40 кВ, а затем разряжает его в лазерную головку с частотой от 1 до 6 кГц. Зарядный ток поступает короткими импульсами, не зависящими от формы сигнала напряжения на сетке.

Такой импульсный характер смещения тока от напряжения. Нескорректированный источник питания работает с коэффициентом мощности от 0.5 до 0.7, поэтому он потребляет больше кажущейся мощности, чем фактической потребляемой мощности.

Лазер мощностью 10 кВт с коэффициентом мощности 0.6 потребляет из сети 16.7 кВА. Распределительная система должна быть рассчитана на такой ток, и энергоснабжающая компания ежемесячно взимает плату за реактивную мощность.

Вторая часть потерь происходит на другой стороне импульса. Остаточный заряд в батарее обычно отводится в виде тепла. В этой статье рассматриваются реактивная арифметика, этап коррекции коэффициента мощности, преобразователь восстановления и нагрузка на конденсатор.

2. Основной механизм

2.1 Реактивная мощность и коэффициент мощности

При синусоидальном напряжении и токе, сдвинутом на угол φ, две составляющие мощности имеют следующий вид:

P = V_rms × I_rms × cos(φ)

где P — активная мощность, передаваемая на нагрузку, V_rms — среднеквадратичное напряжение сети, I_rms — среднеквадратичное входное напряжение, а φ — фазовый угол между ними.

Квадратурная составляющая подчиняется тем же двум величинам:

Q = V_rms × I_rms × sin(φ)

где Q — реактивная мощность, которая перераспределяется между источником питания и сетью без совершения полезной работы.

Коэффициент мощности равен этому косинусу. При φ = 53° коэффициент мощности равен 0.6, а добротность Q достигает 80% от кажущейся мощности, что приводит к нагреву кабелей, трансформаторов и входного выпрямителя.

2.2 Коррекция коэффициента активной мощности

В активной схеме коррекции коэффициента мощности используется повышающий преобразователь, работающий в диапазоне частот от 50 кГц до 200 кГц, который формирует входной ток в соответствии с входным напряжением. Контур управления измеряет оба параметра, вычисляет целевой ток и устанавливает коэффициент заполнения для его достижения.

Выходное напряжение регулируется до фиксированного уровня постоянного тока от 400 до 800 В, а второй преобразователь заряжает высоковольтную батарею от этой шины. Контур также должен поглощать импульсную нагрузку, поскольку батарея потребляет ток импульсами с частотой от 1 до 6 кГц. Накопленная энергия, перемещаемая за один импульс, составляет:

E = 0.5 × C × V²

где E — запасенная энергия импульса, C — емкость аккумуляторной батареи, а V — напряжение заряда.

2.3 Обратная связь по энергии и эффективность восстановления

После лазерного импульса батарея сохраняет от 10% до 30% своего заряда. Резистор-разрядник преобразует эту энергию в тепло. Двунаправленный преобразователь работает в повышающем режиме во время зарядки и в понижающем режиме во время восстановления, поэтому остаточная энергия возвращается на выходную шину коррекции коэффициента мощности.

Эффективность рекуперации — это произведение эффективности преобразователя и остаточной доли:

η_recovery = η_conv × E_residual / E_stored

где η_recovery — доля восстановленной энергии, η_conv — КПД преобразователя, E_residual — энергия, оставшаяся после импульса, и E_stored — полная накопленная энергия.

При КПД преобразователя 95% и остаточной доле 20% степень восстановления достигает 19% от накопленной энергии. Это повышает общую эффективность на 15–25% по сравнению с конструкцией с резистором сброса.

2.4 Пульсации тока и нагрев конденсатора

На этапе коррекции коэффициента мощности (PFC) аккумуляторная батарея заряжается током, несущим пульсации переключения в диапазоне от 50 кГц до 200 кГц, а восстановительный преобразователь добавляет свои собственные пульсации на выходе. Этот ток протекает через эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR) и превращается в тепло:

P_ripple = I_ripple² × ESR

где P_ripple — рассеянное напряжение в одном конденсаторе, I_ripple — среднеквадратичный пульсационный ток через него, а ESR — его эквивалентное последовательное сопротивление.

При токе 10 А среднеквадратичного значения и сопротивлении 10 мОм каждый конденсатор потребляет 1 Вт. Блок из десяти конденсаторов потребляет в общей сложности 10 Вт. Затем повышение температуры следует тепловому пути:

ΔT = P_ripple × R_th

где ΔT — повышение температуры ядра, а R_th — тепловое сопротивление окружающей среде. Поскольку эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) возрастает с температурой, потери также возрастают, и недоохлажденный аккумуляторный блок выходит из строя в течение нескольких тысяч часов.

Рис. 1 — 20% остаточного заряда возвращается в шину через двунаправленный преобразователь с КПД 95%, который восстанавливает 19% накопленной энергии на частоте 6 кГц.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Реактивная мощность, отображаемая в счете за электроэнергию.

Нескорректированная мощность электросети 10 кВт при коэффициенте мощности 0.6 составляла 16.7 кВА, что соответствует перегрузке на 67%. Энергетическая компания взимала плату в размере от 10 до 20 долларов за кВАР в месяц, что достигало 100-200 долларов в месяц при потребляемой мощности 10 кВАР.

Распределительное оборудование также пришлось завышать по мощности для тока, не совершающего работы. Обе эти статьи расходов вытекали из формы входного тока.

Проблемный момент 2: Петля префронтальной коры (ПФК), теряющая стабильность при импульсной нагрузке.

Активный каскад коррекции коэффициента мощности (PFC), разработанный для стабильной резистивной нагрузки, начал колебаться, как только батарея начала заряжаться импульсами. Входной ток колебался вместе с ним, коэффициент мощности упал ниже нескорректированного значения, и каскад сильно нагревался.

Сначала симптом проявился за пределами корпуса. Лампы на том же питающем кабеле мигали, а распределительный трансформатор издавал жужжащий звук — оба признака указывали на то, что контур управления испытывает сопротивление нагрузке.

Проблема 3: Потеря от переключения, которая нивелирует выгоду от восстановления.

Преобразователь с жестким переключением и рекуперацией энергии на частоте 100 кГц терял около 1 мДж за цикл, что составляет в среднем 100 Вт потерь. Оператор ожидал 20% рекуперации энергии, а измерил 10%.

Результат определялся не остаточной долей, а эффективностью преобразователя. Плавное переключение — это то, что приближает восстановленную долю к арифметическому значению.

Проблема 4: Волновой нагрев, распространяющийся по всему банку.

Пульсации тока 10 А среднеквадратичного значения на частоте 100 кГц, проходящие через конденсатор сопротивлением 10 мОм, рассеивают 1 Вт в каждой части и 10 Вт на блоке из десяти конденсаторов. При плохом охлаждении температура сердечника повышалась, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) увеличивалось вместе с ней, и потери снова возрастали.

В этот период емкость оставалась в пределах допустимых значений, поэтому обычная проверка емкости ничего не показала до тех пор, пока банк не вышел из строя.

Проблема № 5: Отсутствие контроля эффективности или температурного режима.

Зарядное устройство измеряло только выходное постоянное напряжение. Эффективность коррекции коэффициента мощности (PFC) упала с 96% до 92% за два года, и это никак не отразилось на показаниях. Первым сигналом тревоги стал отказ конденсатора внутри блока.

На контроллере доступны как входная, так и выходная мощность. Без этого сравнения деградация остается незаметной до тех пор, пока не произойдет остановка лазера.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Достичь коэффициента мощности выше 0.95 с помощью быстрой цифровой петли.

Используйте повышающий каскад, который формирует входной ток в соответствии с напряжением, и запустите контроллер с частотой дискретизации выше 100 кГц, чтобы он мог реагировать в течение одного импульса заряда. Коэффициент мощности выше 0.95 уменьшает реактивную составляющую до небольшой доли кажущейся мощности.

Измерьте результат на стене, используя лазер, работающий с частотой, соответствующей скорости производства. Показатель PF, полученный при статической нагрузке, не отражает условия установки.

Стратегия 2: Стабилизация контура относительно импульсной нагрузки.

Добавьте цепь прямой связи, которая считывает ток нагрузки и заранее регулирует коэффициент заполнения, и синхронизируйте переключение с сетью с помощью фазовой автоподстройки частоты. Проверьте схему на диаграмме Боде с запасом по фазе более 45°.

Затем повторите измерение, подав импульсы на блок с частотой 6 кГц. Импульсная нагрузка изменяет коэффициент усиления, поэтому запас, измеренный на статической нагрузке, не будет перенесен.

Стратегия 3: Восстановление остаточной энергии с помощью мягкого переключения.

Используйте резонансный или квазирезонансный преобразователь, обеспечивающий переключение при нулевом напряжении или токе, и стремитесь к КПД в 98%. SiC MOSFET-транзисторы поддерживают этот КПД при частоте переключения от 50 кГц до 200 кГц.

При КПД преобразователя 95% и остаточной доле 20% коэффициент восстановления составляет 19%. При 98% он составляет 19.6%, и именно эта разница определяет, окупится ли этап обратной связи.

Стратегия 4: Распределить пульсирующий ток между конденсаторами с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR).

Используйте N4700 Детали с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) ниже 10 мОм и тангенсом угла диэлектрических потерь (tanδ) ниже 0.1% распределяются между несколькими параллельно соединенными элементами. Десять конденсаторов, каждый из которых выдает 10 А среднеквадратичного значения, потребляют 1 Вт, что представляет собой управляемую тепловую нагрузку.

Подсоедините их короткими проводами и измеряйте температуру ядра, а не температуру корпуса. HVCT8G Винтовой корпус обеспечивает индуктивность петли ниже 8 нГн при расстоянии между клеммами 40 мм, что позволяет сохранить путь распространения пульсаций в соответствии с расчетами.

Стратегия 5: Измерение тока с помощью резисторов с низкой индуктивностью и контроль эффективности.

Используйте HVRGHP Толстопленочные компоненты с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн для измерения тока, установленные на выводах конденсатора. пленочный конденсатор в цепи обратной связи и быстровосстанавливающийся диод При времени отклика trr 25–35 нс потери преобразователя должны оставаться в пределах расчетного допустимого уровня потерь.

Отслеживайте входную и выходную мощность для определения КПД и регистрируйте температуру конденсатора. При КПД ниже 95% или повышении температуры на 10 °C устройство работает, а при температуре выше 70 °C отключается.

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. Высоковольтные накопительные конденсаторы для коррекции коэффициента мощности и восстановительных каскадов.

Выбор компонентов на этом узле определяется тремя требованиями: достаточно низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) для пропускания непрерывных пульсаций, емкостью, сохраняющей свое значение по мере нагрева батареи, и корпусом, выдерживающим обратное протекание цикла заряда-разряда. Компания HVC производит компоненты N4700 для этого набора на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение ESR ниже 10 мОм на частоте 1 МГц позволяет снизить потери I²R от пульсаций 10 А среднеквадратичного значения до 1 Вт на конденсатор, что и делает возможной тепловую схему с общим блоком конденсаторов.
• Значение tanδ ниже 0.1% сводит вклад конденсатора в нагрев блока к незначительной доле, поэтому конструкция системы охлаждения учитывает потери в преобразователе и не включает в себя сам блок.
• Погрешность TCC в пределах ±30 ppm/°C обеспечивает стабильность емкости во всем рабочем диапазоне, поэтому запасенная энергия на импульс и коэффициент восстановления не изменяются в зависимости от температуры окружающей среды.
• Частичные разряды ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Экранирование от частичных разрядов устраняет внутреннюю эрозию, которая в противном случае была бы вызвана высокочастотными пульсациями напряжения.
• Диапазон напряжения от 1 кВ до 150 кВ, с радиальными и винтовыми клеммами, поэтому одна диэлектрическая система обслуживает накопительный блок на 30 кВ, выходную шину коррекции коэффициента мощности и демпфирующие узлы.
• Подходит для замены в системах DUV-источников света ведущих производителей. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпусов ведущих производителей. Murata винтовые высоковольтные конденсаторы.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты из нескольких блоков — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в анализе пульсаций тока, тепловом моделировании блоков, проверке схем восстановления и проектировании контура управления коррекцией коэффициента мощности (PFC).

Отправьте данные о напряжении заряда, емкости аккумуляторной батареи, частоте повторения импульсов (PRF) и остаточной доле. HVC вернет вам лист с информацией о конденсаторах, включая номинальный уровень пульсаций для каждой детали, распределение ESR, номера деталей и комплект для оценки двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какого коэффициента мощности должен достигать импульсный эксимерный источник питания?

При коэффициенте мощности выше 0.95 с активным повышающим каскадом. При коэффициенте мощности 0.6 источник питания мощностью 10 кВт потребляет 16.7 кВА, что соответствует 67% перегрузке фидера и ежемесячной реактивной нагрузке в размере от 10 до 20 долларов за кВАР. При коэффициенте мощности 0.95 тот же лазер потребляет около 10.5 кВА.

В2: Почему активный контур коррекции коэффициента мощности становится нестабильным при такой нагрузке?

Поскольку нагрузка не является резистивной, батарея потребляет ток импульсами с частотой от 1 кГц до 6 кГц, и контур, компенсированный для постоянной нагрузки, воспринимает эти импульсы как возмущение. Добавьте прямую связь от тока нагрузки, синхронизируйтесь с сеткой и проверьте запас по фазе более 45° при импульсной работе лазера.

Вопрос 3: Какое количество энергии восстанавливается в результате обратной связи?

Используйте формулу η_recovery = η_conv × E_residual / E_stored. При КПД преобразователя 95% и остаточной доле 20% 19% накопленной энергии возвращается в шину. Резистор-разгрузчик не возвращает ни капли энергии и нуждается в теплоотводе для всей её потери.

Вопрос 4: Почему доля восстановленных ресурсов часто оказывается ниже расчетной?

Потому что потери при переключении вычитаются в первую очередь. Преобразователь с жестким переключением на частоте 100 кГц, теряющий 1 мДж за цикл, потребляет в среднем 100 Вт мощности, что снизило измеренное восстановление с 20% до 10%. Мягкое переключение и устройства на основе SiC в значительной степени компенсируют этот разрыв.

В5: Как определить необходимый размер аккумуляторной батареи для подавления пульсаций тока?

Исходя из формулы P_ripple = I_ripple² × ESR, при среднеквадратичном токе 10 А и сопротивлении 10 мОм каждый конденсатор рассеивает 1 Вт, поэтому десять конденсаторов пропускают 10 Вт. Разделите пульсации между параллельными частями с ESR ниже 10 мОм и проверьте температуру сердечника, а не температуру корпуса.

В6: Какие триггеры сервиса следует использовать на этом этапе?

Отключение при температуре конденсатора выше 70 °C. Техническое обслуживание необходимо проводить, когда КПД коррекции коэффициента мощности (PFC) падает ниже 95% или температура конденсатора повышается на 10 °C выше базового уровня при вводе в эксплуатацию. При дрейфе обоих параметров емкость остается в пределах допуска, поэтому температура и КПД являются полезными индикаторами.

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. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357.
7. Металлизированные пленочные импульсные конденсаторы MKP — основные характеристики продуктаKEMET Electronics, https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors .
8. JP 3979823 B2, 巻線装置及びそれを用いた高電圧パルス発生装置 (Намоточное оборудование и генератор высоковольтных импульсов, использующий его), Gigaphoton Inc., https://www.sumobrain.com/patents/JP3979823B2.html .
9. 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.
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com