Драйверы накачки волоконных лазеров: топология высоковольтной обратной связи по энергии.

Драйверы накачки волоконных лазеров: топология высоковольтной обратной связи по энергии.

Резюме

Регенеративные ограничители и демпфирующие цепи для рекуперации энергии возвращают энергию переключения в шину, а не нагревают модуль. В этой статье приводятся расчеты накопленной и рекуперированной энергии для узла 600 В, 4.7 нФ при 100 кГц, снижение потерь, которое это обеспечивает, четыре проблемных момента в полевых условиях и пять шагов, позволяющих восстановить от 60% до 80% энергии переключения.

1. Введение

Волоконный лазер мощностью от 1 до 30 кВт питает массив диодных накачек от шины постоянного тока 400–800 В через импульсный преобразователь. Каждый переход передает энергию в индуктивность контура и емкость узла силового каскада.

В драйвере с жестким переключением эта энергия рассеивается в демпфирующих резисторах и самих устройствах. Для лазера мощностью 10 кВт с КПД 35% потери в управляющей электронике на 2% составляют 570 Вт тепла, которое должен отводить контур водяного охлаждения.

Топология с обратной связью по энергии улавливает энергию, накопленную в коммутационном узле, и возвращает её на шину или в следующий цикл. К трём используемым семействам относятся регенеративные демпфирующие цепи, ограничители рекуперации энергии и каскады рециркуляции обратноходового преобразователя.

В этой статье рассматриваются уравнения для накопленной и восстановленной энергии, снижение потерь, которое они обеспечивают, четыре проблемные области в полевых условиях и пять этапов проектирования, основанных на керамических конденсаторах класса I N4700.

2. Основной механизм

2.1 Энергия, запасенная в зажиме

Когда выключатель выключается, ток нагрузки коммутирует в демпфирующий конденсатор, который заряжается до напряжения ограничения:

E_snubber = ½ × C_s × V_clamp²

где E_snubber — энергия, удерживаемая за один переход, C_s — емкость демпфирующего элемента, а V_clamp — напряжение ограничения. При напряжении 600 В и емкости 4.7 нФ значение составляет 0.85 мДж, а при напряжении ограничения 750 В оно увеличивается до 1.32 мДж.

На этапе восстановления возвращается лишь часть этой энергии:

E_recovered = η_fb × ½ × C_s × V_clamp²

где E_recovered — энергия, возвращаемая на шину, а η_fb — эффективность обратной связи схемы восстановления. Регенеративная ветвь повышающего типа достигает 0.75, что соответствует возврату 0.99 мДж за цикл.

Восстанавливаемая мощность зависит от частоты переключения:

P_rec = E_recovered × f_sw

где P_rec — это рециркулируемая мощность, а f_sw — частота переключения. При 100 кГц ветвь возвращает 99 Вт на шину, и это 99 Вт, которые модулю больше не нужно охлаждать.

2.2 Снижение потерь за счет обратной связи

Потери драйвера с обратной связью включают в себя проводимость, переключение, которое не было учтено в ответвлении, и остаточные потери самого ответвления:

P_loss_feedback = P_cond + P_sw × (1 − η_fb) + P_fb_parasitic

где P_loss_feedback — общие потери, P_cond — потери проводимости, P_sw — потери при жестком переключении, η_fb — эффективность обратной связи, а P_fb_parasitic — потери на пути восстановления.

Прирост эффективности по сравнению с демпфирующим УЗО составляет:

∆η = (E_snubber × f_sw × η_fb) / P_out

где ∆η — коэффициент увеличения КПД, а P_out — выходная мощность модуля. Модуль мощностью 12 кВт при частоте 100 кГц и потерях в демпфирующей цепи 120 Вт обеспечивает увеличение КПД на 0.75%, что позволяет исключить один водяной канал и уменьшить размер холодной пластины на 15%.

2.3 Баланс энергии в зажиме

Ветвь поддерживает напряжение ограничения только до тех пор, пока возвращаемая ею энергия не сравняется с запасенной энергией:

E_bus_return = E_stored(t) − E_stored(t − T) + E_new

где E_bus_return — энергия, переданная шине за один период, E_stored(t) — энергия, накопленная в конце периода, E_stored(t − T) — энергия, накопленная за один период до этого, и E_new — энергия, добавленная в результате последнего перехода.

Если обратный путь размыкается или происходит дрейф емкости, баланс нарушается, и напряжение ограничения превышает расчетное значение, пока устройство не выйдет из строя из-за лавинного скачка. Именно поэтому стабильность емкости и время восстановления диода определяют, сохранится ли каскад обратной связи.

Рис. 1 — Конденсатор обратной связи емкостью 4.7 нФ удерживает 0.99 мДж на один переход при напряжении ограничения 750 В, а путь восстановления на 75% возвращает 99 Вт на шину.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Паразитарное кольцевидие нарушает цикл восстановления.

В реальной схеме индуктивность контура резонирует с емкостью обратной связи и издает колебания на частотах от 50 до 200 МГц. Каждый цикл колебаний обменивается энергией между индуктивностью и емкостью, вместо того чтобы возвращать ее на шину.

Коэффициент восстановления падает с теоретических 75% до 30% или 45% в модуле с длинными обратными проводниками. Колебания также влияют на цепь измерения тока и могут вызвать срабатывание компаратора перегрузки по току.

Проблема 2: Потеря емкости при высоком напряжении смещения.

Конденсаторы обратной связи работают при напряжении от 70% до 90% от номинального, и диэлектрик класса II теряет при этом от 20% до 40% своей емкости. Напряжение ограничения и время восстановления изменяются вместе с емкостью, поэтому баланс энергии, описанный в §2.3, больше не выполняется.

Затем переключатель наблюдает возрастающее напряжение ограничения по мере нагрева модуля. Модули, собранные с использованием конденсаторов обратной связи X7R, показывают на 12% более высокий пик напряжения ограничения в установившемся режиме, чем при холодном запуске.

Проблемный момент 3: Обратное восстановление диода приводит к потерям.

В процессе проводимости восстановительный диод накапливает неосновные носители заряда. При обратном смещении эти носители разряжаются через индуктивность контура и создают импульс тока, который должен поглотить переключатель.

Диод с временем обратного восстановления более 100 нс снижает количество восстанавливаемой энергии до 25% и добавляет излучение на частоте восстановления, для которого, следовательно, требуется собственный фильтр и площадь печатной платы.

Проблемный момент 4: Долгосрочная деградация компонентов обратной связи.

После 20 000 часов работы при 85 °C электролитический шинный конденсатор теряет от 30% до 40% своей емкости, а пленочный конденсатор демонстрирует рост эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) более чем на 50%. В этом случае цепь обратной связи поглощает энергию медленнее, и напряжение ограничения превышает заданное значение.

Температура перехода устройства повышается на 8–15 °C, при этом не срабатывает сигнализация и не появляется код ошибки. Модуль теряет тысячи часов работы, прежде чем кто-либо заметит это изменение.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использовать диэлектрик класса I для конденсатора обратной связи.

Емкость N4700 остается в пределах ±0.35% в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C, с коэффициентом ±30 ppm/°C и тангенсом угла диэлектрических потерь tan δ 0.1% или ниже. При этом напряжение ограничения и время восстановления остаются на заданных значениях во всем рабочем диапазоне.

Используйте N4700 Детали присутствуют в каждом положении восстановления. Измеренные коэффициенты обратной связи в производственных регенеративных демпфирующих элементах остаются выше 70% при использовании детали класса I, по сравнению с 40-50% при использовании детали класса II.

Стратегия 2: Крепко держите обратный цикл.

Установите конденсатор обратной связи в контур с низкой индуктивностью, например, в радиальный вывод. HVCT8G с ESL ниже 30 нГн и разместить его на расстоянии не более 5 мм от источника питания. Площадь петли менее 10 мм × 5 мм смещает паразитный резонанс выше 200 МГц, что увеличивает время восстановления для захвата накопленной энергии.

Бессвинцовые форматы достигают индуктивности 3 нГн и выводят резонанс за пределы 300 МГц при частоте переключения от 100 кГц до 500 кГц. В этом разница между восстановлением энергии и нагревом проводника.

Стратегия 3: Соедините ответвление с быстровосстанавливающимся диодом.

Выберите диод с обратным восстановлением менее 50 нс и мягким восстановлением, чтобы накопленные носители заряда не создавали скачок тока в узле. Номинальное напряжение должно быть как минимум на 30% выше максимального напряжения ограничения.

Подключите переход диода к той же плоскости радиатора, что и переключатель, чтобы накопленный неосновной заряд оставался предсказуемым на протяжении всего теплового цикла. быстровосстанавливающийся диод В таком положении он занимает меньше места на плате, чем фильтр, который потребовался бы для медленно работающего компонента.

Стратегия 4: Затухание контура с помощью прецизионного резистора.

Вставьте резистор сопротивлением от 1 Ом до 10 Ом последовательно с конденсатором обратной связи, чтобы установить добротность контура восстановления. Используйте толстопленочный резистор с коэффициентом температурного коэффициента корреляции (TCR) ниже ±50 ppm/°C и допустимым отклонением ниже 1%.

Резистор, значение которого изменяется, повторно вносит колебания, которые сеть должна была подавлять, поэтому допуск является частью её функциональности. Разместите компоненты на одной группе контактных площадок так, чтобы коэффициент демпфирования соответствовал температуре с обеих сторон.

Стратегия 5: Следить за показаниями клещей и снижать напряжение.

Установите датчик напряжения на конденсаторе обратной связи и срабатывайте сигнал тревоги при достижении 95% от расчетного предела. Стабильная емкость обеспечивает корректность порогового значения сигнала тревоги, а датчик фиксирует медленное ухудшение характеристик в проблемной точке 4.

Снизьте номинальную мощность конденсатора обратной связи как минимум на 40% и убедитесь, что частичный разряд составляет менее 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. пленочный конденсатор На стороне шины используется компонент N4700, а на стороне зажима — компонент N4700, который покрывает оба конца энергетического тракта, поскольку компоненты HVC соответствуют параметрам и размерам корпуса. Murata высоковольтные компоненты.

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 каскадов обратной связи по энергии.

Для этого узла необходимы три условия: емкость, поддерживающая энергетический баланс при повышении напряжения ограничения, низкие потери, чтобы восстановительная ветвь не выделяла тепло, которое она отводит, и индуктивность корпуса, обеспечивающая высокий уровень резонанса контура. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 (T3M) на основе SrTiO3 на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Температурный коэффициент составляет ±30 ppm/°C, а вольт-амперная характеристика линейная. Емкость остается в пределах ±0.35% по всему диапазону, поэтому запасенная энергия на один переход и напряжение ограничения не увеличиваются по мере нагрева модуля.
• tan δ 0.1% или ниже. Диэлектрические потери в контуре восстановления остаются достаточно малыми, чтобы измеренные коэффициенты обратной связи превышали 70% в серийных демпфирующих элементах, по сравнению с 40–50% для элементов класса II.
• Диапазон напряжения от 1 кВ до 100 кВ с согласованными комплектами. Шина 400 В или 800 В с ограничением напряжения до 1.2 кВ находится в пределах этого диапазона с запасом по напряжению, поэтому для ответвления не требуются комплектующие от нескольких поставщиков.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Управление частичным разрядом устраняет внутреннюю эрозию, которая повышает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и изменяет коэффициент восстановления в течение тысяч часов импульсной работы.
• Индуктивность корпуса ниже 30 нГн в радиально-выводном исполнении HVCT8G, а в бесвыводных форматах достигает 3 нГн. Резонанс петли остается выше 200 МГц при частоте переключения от 100 кГц до 500 кГц, что обеспечивает высокую степень восстановления.
• Подходит для использования в качестве готовой замены для ведущих брендов в программах полевого ремонта и входит в перечень спецификаций производителей лазерного оборудования для новых насосных платформ. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам винтовых высоковольтных компонентов Murata.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, – в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в моделировании рекуперации энергии, анализе индуктивности контура, предоставлении рекомендаций по снижению номинальных характеристик конденсаторов и выборе компонентов для всей цепи обратной связи.

Отправьте напряжение шины, напряжение ограничения, частоту переключения, емкость демпфирующей цепи и номинальные параметры коммутирующего устройства. HVC вернет набор компонентов с номерами деталей, данными ESL и ESR, а также комплект для оценки с двумя образцами в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое количество энергии запасает демпфирующий конденсатор за один переход?

E_snubber = ½ × C_s × V_clamp². При 600 В и 4.7 нФ значение составляет 0.85 мДж, а при 750 В ограничение напряжения повышает его до 1.32 мДж. Умножим на частоту переключения для получения мощности: 0.99 мДж при 100 кГц — это 99 Вт энергии, которую регенеративная ветвь возвращает в шину.

В2: Какой коэффициент извлечения является реалистичным в производстве?

КПД превышает 70% при использовании конденсатора обратной связи класса I и плотной обратной цепи, по сравнению с 40-50% при использовании схемы класса II. Колебания в обратной цепи на частотах от 50 до 200 МГц снижают теоретический КПД в 75% до 30-45% в схемах с длинными обратными цепями.

В3: Почему напряжение ограничения постепенно повышается по мере нагревания модуля?

Поскольку конденсатор класса II теряет от 20% до 40% своей емкости при напряжении от 70% до 90% от номинального, меньшая емкость повышает напряжение при той же накопленной энергии, поэтому энергетический баланс, описанный в пункте 2.3, смещается. Модули с конденсаторами обратной связи X7R показывают на 12% больший пик напряжения в установившемся режиме.

Вопрос 4: Насколько повышается эффективность за счет обратной связи по энергии?

∆η = (E_snubber × f_sw × η_fb) / P_out. Модуль мощностью 12 кВт на частоте 100 кГц с потерями в демпфирующей цепи 120 Вт получает прирост в 0.75% при коэффициенте восстановления 75%. Этого достаточно, чтобы удалить один канал водяного охлаждения и уменьшить размер холодной пластины на 15%.

В5: Должен ли восстановительный диод быть быстродействующим компонентом?

Да. Диод с обратным восстановлением более 100 нс снижает восстанавливаемую энергию до 25% и добавляет излучение на частоте восстановления. Используйте компонент с временем восстановления менее 50 нс и мягким режимом восстановления, обеспечьте его номинальную мощность на 30% выше максимального напряжения ограничения и соедините его переход с плоскостью радиатора переключателя.

В6: Что ограничивает срок службы ветви обратной связи?

Дрейф энергетического баланса в ограничителе. После 20 000 часов при 85 °C электролитический конденсатор шины теряет от 30% до 40% емкости, а пленочный конденсатор увеличивает свое эквивалентное последовательное сопротивление более чем на 50%, поэтому ветвь поглощает энергию медленнее, и ограничитель выходит за пределы допустимых значений температуры перехода на 8–15 °C. Класс I N4700 сохраняет свои характеристики в пределах 2% после 50 000 часов при 85 °C.

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 60384-1:2018, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики.
5. США 8,345,457 B2, Преобразователь напряжения для передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC)ABB, 2013, https://patents.google.com/patent/US8345457B2/en .
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. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
8. Л. Чжэн, Л. Чжу, Дж. Лю, З. Ди и С. Цзи, Самовосстанавливающиеся характеристики металлизированного пленочного конденсатора при постоянном и переменном напряжении с гармониками., в сборнике трудов конференции IEEE по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям (CEIDP), 2022 г., стр. 175-178, 2022 г. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286.
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. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com