Параллельное распределение тока модулятора в многомодульных драйверах эксимерных лазеров

Параллельное распределение тока модулятора в многомодульных драйверах эксимерных лазеров

Резюме

Драйвер эксимерного генератора на 40 кА обычно состоит из четырех параллельно соединенных модулей по 10 кА. Распределение паразитной индуктивности, распределение эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора и смещение синхронизации затвора приводят к нарушению равномерного распределения тока. В этой статье рассматриваются расчеты дисбаланса, четыре режима отказов в полевых условиях, этапы согласования и управления, позволяющие удерживать дисбаланс в пределах ±5%, а также параметры компонентов, от которых зависят эти этапы.

1. Введение

Для питания мощных эксимерных лазеров требуются пиковые токи от 20 кА до 50 кА. Ни один твердотельный переключатель или конденсаторный модуль не способен обеспечить такой уровень, поэтому четыре модуля работают параллельно, и каждый из них обеспечивает четверть необходимого тока.

Расчеты параллельной работы выглядят простыми. Четыре модуля по 10 кА образуют драйвер на 40 кА. В реальном оборудовании ток распределяется неравномерно, поскольку модули никогда не имеют одинаковых паразитных параметров.

Разница в индуктивности шин в 10 нГн перемещает ток силой 1 кА между двумя модулями. При этом один модуль пропускает 30% от общего тока, а другой — 15%, и первым изнашивается нагревающийся модуль.

В данной статье рассматриваются четыре механизма, создающие дисбаланс, четыре вида отказов, наблюдаемых в полевых условиях, а также этапы согласования и контроля, позволяющие удерживать расхождение в пределах ±5%.

2. Основной механизм

2.1 Асимметрия индуктивности шин

Каждый модуль подключается к общей нагрузке через собственную шину. Различная длина, ширина и трассировка обеспечивают этим путям разную индуктивность, и ток делится на импеданс:

ΔI = ΔL × di/dt / Z

где ΔI — дисбаланс тока, ΔL — разность индуктивностей между двумя путями, di/dt — наклон кривой тока, а Z — импеданс контура.

При ΔL = 10 нГн, di/dt = 10 кА/мкс и Z = 0.1 Ом дисбаланс составляет 1 кА. Для модуля с номинальным током 10 кА это составляет 10% от номинальной мощности и сохраняется на протяжении всей кампании.

2.2 Разброс ESR конденсатора

Значения эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) конденсаторов из одной производственной партии различаются примерно на ±10%. Модуль с наименьшим значением ESR имеет наименьшее сопротивление и принимает на себя наибольшую долю импульсного тока.

Разница в ESR ±10% сама по себе создает от 5% до 10% текущего дисбаланса. Затем она добавляется к индуктивному члену из §2.1, а не компенсирует его.

2.3 Нарушение синхронизации затвора

Задержка распространения сигнала и дрожание сигнала на затворе обуславливают разное время включения для каждого модуля. Модуль, который включается на 5 нс раньше, пропускает ток на 5 нс дольше и потребляет больше энергии:

ΔE = V × I × Δt

где ΔE — дополнительная энергия на импульс, V — напряжение шины, I — ток модуля, а Δt — разница во времени.

При напряжении 25 кВ, токе 10 кА и длительности импульса 5 нс дополнительная энергия составляет 1.25 мДж на импульс. Средняя мощность зависит от частоты повторения:

P_extra = ΔE × PRF

где P_extra — дополнительные рассеиваемые мощности, а PRF — частота повторения импульсов. При частоте 6 кГц модуль потребляет дополнительные 7.5 Вт, что повышает его температуру и ускоряет старение.

2.4 Потери, температура и цепь обратной связи

Потери проводимости в модуле пропорциональны квадрату тока:

P_loss = I² × ESR

где P_loss — рассеиваемая мощность модуля, I — ток модуля, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление конденсаторной батареи и проводки.

Модуль, пропускающий на 10% больше тока, рассеивает на 21% больше тепла. Повышение температуры затем следует по тепловому пути:

ΔT = P_loss × R_th

где ΔT — повышение температуры, а R_th — тепловое сопротивление окружающей среде.

Поскольку эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) возрастает с температурой, оно должно отводить ток от нагреваемого модуля. Этот корректирующий член слаб, а индуктивность, указанная в §2.1, вообще не изменяется с температурой, поэтому дисбаланс сохраняется, и нагреваемый модуль остается горячим. Энергия, которой обладает каждый модуль, подчиняется тому же соотношению накопления:

E = 0.5 × C × V²

где E — запасенная энергия в одном модуле, C — емкость его батареи, а V — напряжение заряда. Дополнительная энергия, поглощаемая одним модулем за импульс, повышает его температуру, поэтому количество модулей и пределы согласования определяют реальный запас прочности.

Рис. 1 — Разброс параметров шины в 10 нГн сам по себе перемещает 1 кА между двумя модулями по 10 кА; разброс параметров ESR и смещение затвора на 5 нс затем приводят к тому, что один модуль потребляет 30% от общего тока.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Асимметричная шина, которую нельзя исправить заменой компонентов.

Одна из шин модуля оказалась на 10 см длиннее остальных. Разница в индуктивности создавала постоянный дисбаланс, который невозможно было компенсировать с помощью конденсаторов, и перегруженный модуль дважды выходил из строя за один цикл эксплуатации.

Замененный модуль также вышел из строя, поскольку схема шины не изменилась. Дефект заключался в текущей карте, а не в модуле.

Проблемный момент 2: Распространение СОЭ в пределах допустимого отклонения

Партия конденсаторов соответствовала диапазону ESR ±10%, указанному в технической документации. Модуль, в который были установлены компоненты с наименьшим ESR, имел наибольшую долю таких компонентов, нагревался сильнее, чем соседние модули, и первым терял емкость.

Возвращенная деталь прошла все стендовые испытания. Ее эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) находилось на нижней границе допустимого диапазона отклонений, а причиной неисправности стал именно дисбаланс, который она вызвала.

Болевой пункт 3: Искажение сигнала на входе, добавляющее энергию к каждому импульсу.

Задержка распространения сигнала от затвора различалась на 5 нс между двумя модулями. В более раннем модуле ток протекал на 5 нс дольше, что добавляло 1.25 мДж на импульс и 7.5 Вт среднего рассеиваемого тока на частоте 6 кГц.

В сочетании с умеренным разбросом ESR общий энергетический дисбаланс между самым горячим и самым холодным модулем достиг 12%.

Проблемный момент 4: Тепловой разгон в перегруженном модуле.

Модуль, пропускающий на 10% больший ток, рассеивал на 21% больше тепла. Температура его сердечника повышалась, конденсаторы изнашивались быстрее, а ток продолжал расти, поскольку индуктивность оставалась неизменной.

Эксперимент завершился отказом модуля, который повредил шину и вывел из строя два соседних модуля. Для восстановления потребовалась полная пересборка оборудования.

Проблема № 5: Полное отсутствие данных о текущем состоянии каждого модуля.

Водитель измерял только суммарный ток нагрузки. Когда значение модуля отклонялось от нормы, суммарный ток оставался в пределах допустимых значений, поэтому сигнал тревоги не появлялся. Первым признаком дисбаланса был неисправный модуль.

Без канала связи для каждого модуля дисбаланс остается незаметным до тех пор, пока не возникнет аппаратная проблема.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Сделать автобус симметричным и доказать совпадение.

Проложите шины каждого модуля с одинаковой длиной, шириной и обратным путем. Смоделируйте паразитную индуктивность каждого пути, затем проверьте собранное оборудование с помощью анализатора импеданса на частоте 1 МГц.

Удерживайте разброс в пределах ±2 нГн. При скорости тока 10 кА/мкс это ограничивает дисбаланс, вызванный индуктивностью, до 0.2 кА, или 2% от модуля на 10 кА.

Стратегия 2: Сортировка конденсаторов по измеренному эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR).

Измерьте характеристики каждого конденсатора на частоте 1 МГц и соберите согласованные комплекты с точностью до ±2% от целевого значения. Поставляйте комплекты в виде модулей, а не отдельных деталей, чтобы исключить смешивание групп при установке.

Запишите карту ЭПР, полученную при вводе в эксплуатацию, и сравните ее с результатами измерений в процессе эксплуатации. Дрейф ЭПР — это самый ранний признак того, что модуль перегревается.

Стратегия 3: Выравнивание времени прохождения сигнала через все модули.

Используйте согласованные драйверы затвора с асимметрией распространения менее 2 нс и добавьте подстроечную цепь для каждого модуля. Остаточная задержка в 2 нс обходится в 0.5 мДж на импульс, что составляет 3 Вт при 6 кГц и находится в пределах теплового запаса.

Запишите измеренное искажение в качестве параметра технического обслуживания. Искажение увеличивается по мере старения резистора затвора или драйвера и проявляется до отказа какого-либо модуля.

Стратегия 4: Добавить токоограничивающие резисторы для отрицательной обратной связи.

Вставьте резисторы сопротивлением от 0.1 мОм до 1 мОм последовательно с каждым модулем. Напряжение на этом резисторе возрастает с увеличением тока, поэтому уменьшается доля наиболее горячего участка цепи, не требующего активного управления.

Используйте HVRGXP Толстопленочные компоненты с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн, чтобы обратная связь не искажала фронт импульса. А толстопленочный резистор Сохраняет свои свойства при термических циклах в ходе кампании с частотой 6 кГц.

Стратегия 5: Замкнуть активный цикл и отслеживать каждый модуль.

Измерьте ток каждого модуля с помощью шунта с низкой индуктивностью или катушки Роговского, подайте сигналы на ПИД-регулятор и отрегулируйте напряжение заряда или время срабатывания затвора для каждого модуля. Активное управление поддерживает остаточный дисбаланс в пределах ±5%.

Регистрируйте ток и температуру каждого модуля при каждом импульсе. Модуль, работающий на 5 °C горячее, чем его соседи, является сигналом к ​​обслуживанию, а дисбаланс выше ±10% останавливает драйвер до того, как модуль выйдет из строя.

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. Согласованные конденсаторы HVC для параллельного подключения эксимерных модулей

Выбор на этом узле определяется тремя требованиями: согласованным эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) между модулями, сохранением емкости при нагреве модуля и отсутствием индуктивности контура в корпусе. Компания HVC производит комплекты N4700 для этой комбинации на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Измерения и сортировка ESR проводятся на частоте 1 МГц, комплекты поставляются согласованными с точностью до ±2%. Это устраняет дисбаланс в 5–10%, который возникает при разбросе партий в пределах ±10%.
• Погрешность TCC в пределах ±30 ppm/°C обеспечивает стабильность емкости при нагреве модуля, поэтому распределение импеданса между модулями не изменяется с изменением температуры в течение смены.
• Значение tanδ ниже 0.1% позволяет свести вклад конденсатора в тепловыделение модуля к небольшой доле от общего, что обеспечивает умеренную тепловую обратную связь.
• ESL ниже 30 нГн в радиальных корпусах и ниже 8 нГн в винтовых корпусах, поэтому подобранный модуль не нарушает согласование шины ±2 нГн, предусмотренное Стратегией 1.
• Значение ESR ниже 10 мОм на частоте 1 МГц, что ограничивает член I²R, который обуславливает дополнительный нагрев болевой точки 4 на 21%.
• Диапазон рабочих напряжений от 1 кВ до 150 кВ в радиально-проводящих системах. HVCT8G форматы винтовых клемм, включая детали на 40 кВ, сертифицированные как подходящие для прямой замены. Murata Винтовые высоковольтные конденсаторы в полевых условиях эксплуатации источников ультрафиолетового излучения.

Если модулю необходим управляемый последовательный элемент, соедините их в пару. N4700 банк с быстровосстанавливающийся диод Номинальное время отклика составляет 25–35 нс, поэтому сеть совместного использования не вводит восстановительный заряд в следующий импульс.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты ESR — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в моделировании индуктивности шин, группировке ESR, анализе контуров распределения тока и тепловом анализе модулей.

Укажите количество модулей, пиковый ток, схему шин и частоту повторения импульсов (PRF). HVC предоставит вам подобранный комплект конденсаторов с картой ESR, номерами деталей и оценочным комплектом из двух модулей в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой размер текущего дисбаланса мне следует допустить?

При вводе в эксплуатацию поддерживайте отклонение в пределах ±5%, а ±10% рассматривайте как пороговое значение для обслуживания. При отклонении ±5% модуль пропускает в 1.05 раза больше тепла, чем требовалось, что приводит к увеличению тепловыделения примерно на 10%. При соотношении 30%/15% в несогласованном драйвере, нагревающийся модуль рассеивает на 21% больше тепла и изнашивается быстрее всего.

В2: Насколько точным должно быть согласование индуктивности шины?

Внутри диапазона ±2 нГн. При ΔL = 10 нГн при di/dt = 10 кА/мкс и Z = 0.1 Ом дисбаланс достигает 1 кА, что составляет 10% от модуля на 10 кА. При ±2 нГн та же формула дает 0.2 кА, или 2%, а оставшийся запас компенсирует ESR и разброс по времени.

В3: Какой допуск по ESR необходим для конденсаторов?

±2% в пределах подобранного комплекта. Небольшой разброс в ±10% сам по себе создает 5-10% дисбаланса тока и увеличивает индуктивность. Измеряйте на частоте 1 МГц, группируйте компоненты в комплекты, а затем устанавливайте их комплектами.

Вопрос 4: Почему последовательно включенный резистор способствует распределению тока?

Потому что это добавляет член, который увеличивается с током. Резистор 0.1 мОм вызывает падение напряжения на 1 В при 10 кА и на 1.1 В при 11 кА, что уменьшает запас по напряжению в перегруженном контуре и направляет ток к соседним резисторам. Значение ESL ниже 10 нГн сохраняет фронт импульса неизменным.

Вопрос 5: Как искажение синхронизации затвора приводит к выделению тепла?

Модуль, включающийся на 5 нс раньше, поглощает ΔE = V × I × Δt, что составляет 1.25 мДж при 25 кВ и 10 кА. При частоте повторения импульсов 6 кГц это означает дополнительные 7.5 Вт среднего рассеиваемого тока в одном модуле. Согласованные управляющие резисторы с перекосом менее 2 нс снижают это значение примерно до 3 Вт.

В6: Почему дисбаланс сохраняется, когда ЭПР повышается с повышением температуры?

Поскольку корректирующий член невелик, а индуктивный член не зависит от температуры, более горячий модуль действительно испытывает более высокое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), что отводит часть тока, но разница ΔL из §2.1 остается постоянной и сохраняет свою долю тока. Согласование шины и ESR устраняет источники, вместо того чтобы полагаться на самокоррекцию.

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. Ук-Джин Ли и Сын-Ки Соль, Стабилизация напряжения звена постоянного тока для инвертора с уменьшенным количеством конденсаторов в звене постоянного токаIEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 1, стр. 404-414, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2013.2268733.
7. Заряжая энергией будущее: как высоковольтные многослойные керамические конденсаторы повышают эффективность современной электроникиМурата, https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html .
8. Создание конденсаторной батареи, способной выдавать импульсный постоянный ток силой 16000 А.Форумы по физике, https://www.physicsforums.com/threads/building-a-capacitor-bank-capable-of-pulsing-16000-a-dc.327153/ .
9. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器. Источник: 中国标准出版社, 2021.
10. Мухаммад Х. Рашид (ред.), Справочник по силовой электронике: устройства, схемы и области применения, 4-е изд. Оксфорд: Butterworth-Heinemann, 2018.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com