Затухание емкости и импульсная характеристика в драйверах волоконных лазеров

Затухание емкости и импульсная характеристика в драйверах волоконных лазеров

Резюме

Спад емкости изменяет форму импульса накачки за годы до срабатывания сигнализации. В этой статье приводятся уравнения старения, просадки, пульсаций и затухания, схема блока конденсаторов емкостью 14 мФ, обеспечивающего просадку на 1.43% на протяжении 1 мс, четыре проблемных момента в полевых условиях и шесть стратегий, позволяющих поддерживать стабильную импульсную характеристику драйвера на 40 А в течение 50 000 часов.

1. Введение

Драйвер лазерного импульса на основе волоконного лазера формирует импульсы тока с высокой точностью: плоские пики для резки, импульсы с заданной формой для сварки, наносекундные импульсы для микрообработки. Эта форма импульса определяется контуром управления и сетью накопления энергии.

Выходной блок подает энергию импульса, фильтрующие индукторы задают фронты тока, а компенсационная цепь определяет динамику контура. Каждая из этих функций зависит от значений емкости, которые изменяются в течение срока службы драйвера.

Электролитические элементы теряют от 30% до 40% своей емкости за 20 000 часов при температуре 85 °C, поскольку электролит высыхает и оксидный слой восстанавливается. Керамика класса II теряет от 10% до 20% емкости из-за миграции кислорода под действием постоянного напряжения и термического воздействия.

Керамика класса I демонстрирует дрейф менее чем на 2% за 50 000 часов, что на два порядка меньше. Эта разница определяет, сохранится ли форма импульса в течение десятилетия или дрейфует в течение двух лет.

В этой статье выводятся уравнения, связывающие затухание емкости с просадкой, пульсациями и затуханием петли, перечисляются четыре проблемных момента в полевых условиях и предлагаются шесть стратегий для создания стабильного по времени банка импульсов.

2. Основной механизм

2.1 Кинетика старения семейств диэлектриков

Потери емкости подчиняются степенному закону во времени:

C(t) = C_0 × (1 − k × t^n)

где C(t) — емкость через время t, C_0 — начальная емкость, k — коэффициент старения, а n — показатель старения семейства диэлектриков.

Показатель степени n составляет около 0.5 для электролитических деталей, где потери электролита ограничены диффузией, 0.3 для керамики класса II и менее 0.05 для керамики класса I. Сама скорость ускоряется с повышением температуры:

k(T) = k_0 × e^(−E_a / (k_B × T))

где k(T) — коэффициент старения при абсолютной температуре T, k_0 — предэкспоненциальный фактор, E_a — энергия активации, а k_B — постоянная Больцмана. Удвоение скорости на каждые 10 °C — рабочее правило.

При температуре 85 °C электролитическая батарея теряет от 30% до 40% своей емкости за 20 000 часов, керамическая батарея класса II теряет от 10% до 20%, а батарея класса I из сплава N4700 сохраняет свои характеристики в пределах 2% в течение 50 000 часов.

2.2 Падение импульса как функция емкости

Во время импульса с плоской вершиной конденсатор подает ток на нагрузку, и напряжение на нем падает:

ΔV_droop = I_pulse × T_p / C_out

где ΔV_droop — просадка напряжения питания в конце импульса, I_pulse — импульсный ток, T_p — длительность импульса, а C_out — выходная емкость.

Провал напряжения проявляется в виде падения тока из-за динамического импеданса диодной цепочки:

ΔI_droop / I = ΔV_droop / V_rail

где ΔI_droop / I — дробное падение напряжения, ΔV_droop — просадка напряжения на шине питания, а V_rail — напряжение на шине питания диода.

Для импульса длительностью 1 мс при токе 40 А на шине 200 В с блоком конденсаторов 14 мФ просадка напряжения составляет 2.86 В, а падение напряжения — 1.43%. Уменьшение емкости до 8.9 мФ (потери 36%) приводит к просадке напряжения до 4.49 В с падением напряжения на 2.2%.

2.3 Масштабирование амплитуды пульсаций в зависимости от емкости

Волнообразные колебания рельса включают в себя член, связанный с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), и емкостной член:

ΔV_ripple = ΔI_ripple × ESR + ΔI_ripple / (8 × f_sw × C_out)

где ΔV_ripple — амплитуда пульсаций напряжения питания, ΔI_ripple — пульсации тока конденсатора, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, f_sw — частота переключения, а C_out — выходная емкость.

При пульсациях 1.2 А на частоте 100 кГц емкостной член блока ёмкостей 14 мФ составляет 0.11 мВ, тогда как при эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) 50 мОм он составляет 60 мВ. Таким образом, ESR определяет пульсации напряжения питания, и рост пульсаций на 40–60% в течение срока службы следует кривой ESR, при этом потери ёмкости практически не добавляются.

2.4 Изменение коэффициента демпфирования в контуре управления

Выходной полюс контура перемещается вместе с емкостью, а коэффициент затухания следует квадратному корню из отношения емкостей:

ζ(t) = ζ_0 × √(C_out(t) / C_out(0))

где ζ(t) — коэффициент демпфирования в момент времени t, ζ_0 — коэффициент демпфирования при вводе в эксплуатацию, а C_out(t) / C_out(0) — сохранение емкости.

В контуре, введенном в эксплуатацию при ζ_0 = 0.85 с перерегулированием 0.6%, значение ζ достигает 0.68 после потери емкости на 36%. Затем перерегулирование составляет 5.5%, а время установления увеличивается примерно на 40%. Каждый шаг нагрузки приводит к превышению тока диода заданного значения.

Рис. 1 — Электролитическая батарея превышает предел снижения емкости в 2.0% примерно через 13 000 часов, в то время как батарея N4700 емкостью 14 мФ сохраняет показатель около 1.46% на протяжении 50 000 часов.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Опущение роста изменяет результат процесса.

При резке плоская верхняя поверхность определяет распределение энергии вдоль линии реза. Провисание, увеличивающееся с 1.43% до 2.2%, изменяет это распределение, поэтому ширина пропила и качество кромки зависят от возраста станка.

Инженеры-технологи не могут это компенсировать, поскольку дрейф происходит медленно и не проявляется ни в одном отдельном измерении. Данные по парку режущих инструментов мощностью 8 кВт показывают, что модули с 25% потерей емкости требуют на 8% больше вспомогательного газа для поддержания качества кромки.

Проблемный момент 2: Подъем пульсаций, питающих оптическую цепочку.

По мере увеличения ESR с течением времени пульсации в шине увеличиваются на 40–60%, и глубина модуляции накачки следует за ними. Затем дрожание длины волны и потери M², связанные с модуляцией, возрастают на протяжении всего срока службы.

Ни одно отдельное событие не вызывает срабатывания сигнализации, поэтому отклонения остаются незамеченными до проведения технологического аудита или получения жалобы от клиента. Средняя выходная мощность остается такой же, как и в день установки.

Проблемная точка 3: Снижение эффективности и перерегулирование на поздних стадиях развития.

В контуре с достаточным запасом по фазе при вводе в эксплуатацию после 15 000 часов работы может возникнуть перерегулирование тока на 5–8% при скачках нагрузки. Каждое перерегулирование приближает ток диода к его абсолютному максимуму.

Нагрузка возникает в самый неподходящий момент, когда весь драйвер уже изношен. В результате ускоряется деградация диодов, а блок импульсов деградирует с той же скоростью.

Проблема 4: Повышение электролитического СОЭ приводит к накоплению потерь емкости.

Электролитические компоненты изнашиваются одновременно по обоим параметрам: емкость уменьшается, а ЭПР возрастает. Оба эффекта одновременно учитываются в уравнении пульсаций и в передаточной функции контура.

Таким образом, поведение устройства в конце срока службы отличается от результатов измерений при вводе в эксплуатацию в большей степени, чем это можно предположить, исходя из обоих параметров. Для прогнозирования этого требуется ускоренное испытание на старение с использованием фактического профиля пульсаций тока и температуры.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Разместить сердечник формирования импульсов на диэлектрике класса I.

Постройте критически важную секции валы из N4700 Конденсаторы класса I (T3M) на основе SrTiO3. Дрейф емкости ниже 2% в течение 50 000 часов обеспечивает поддержание просадки, пульсаций и демпфирования на уровне значений, установленных при вводе в эксплуатацию.

Керамический сердечник удерживает быструю часть импульса, где задаются стабильность петли и форма края, и сохраняет эти значения на протяжении всего срока службы лазера.

Стратегия 2: Оценка размера банка с учетом снижения его кредитного портфеля к концу срока его эксплуатации.

Устанавливайте емкость, исходя из предельного значения падения, равного наихудшему значению, а не из начального. Для обеспечения предельной равномерности в 2.0% для импульса длительностью 1 мс и силой тока 40 А при напряжении 200 В требуется емкость 10 мФ в конце срока службы.

Стабильный диэлектрик не требует запаса прочности на старение, поэтому размеры батареи рассчитываются один раз. Электролитическая батарея расходует тот же запас прочности по мере старения и требует повторной проверки каждый год.

Стратегия 3: Указать ESR в точке эксплуатации.

Необходимо получить данные по ЭПР при фактической частоте пульсаций, от 50 кГц до 500 кГц, и при температуре корпуса. Убедитесь, что кривая ЭПР остается плоской в ​​течение всего срока службы, поскольку перемещение нуля ЭПР изменяет отклик контура.

В тех случаях, когда импульсный блок расположен на отдельном узле от основного блока, пленочный конденсатор охватывает средний диапазон емкостей и обладает стабильным собственным эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR).

Стратегия 4: Отслеживание емкости внутри контроллера

Используйте цифровой контроллер для измерения постоянной времени выходного сигнала в ответ на небольшой тестовый импульс в разомкнутой цепи и запишите полученное значение. Снижение на 5% приводит к предупреждению о необходимости технического обслуживания.

Таким образом, оператор получает несколько месяцев на подготовку до того, как импульсная характеристика перестанет соответствовать заданным параметрам, а измерения не требуют дополнительного оборудования.

Стратегия 5: Гибридизация банка для получения больших объемов энергии.

Там, где энергия импульса требует большого блока, следует комбинировать керамический сердечник N4700 с небольшим электролитическим участком для создания объемного элемента. Керамический сердечник определяет характер петлеобразных и пульсационных колебаний, благодаря чему форма импульса остается стабильной.

Электролитическая секция имеет определенный допустимый износ и заменяется с запланированным интервалом. Соедините аккумуляторную батарею с... толстопленочный резистор в цепи разряда для установки постоянной времени отбора воздуха.

Стратегия 6: Подтвердите старение с помощью ускоренного испытания на долговечность.

Проведите испытания выбранного компонента при повышенной температуре и номинальном пульсирующем токе, а затем сравните измеренную динамику емкости с моделью срока службы драйвера.

Таким образом, старение конденсатора становится измеряемым параметром лазерной системы с известной скоростью дрейфа и запланированной точкой замены, проверяемой на HVCT8G Образцы радиальных выводов до утверждения проекта.

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 формирования импульсов, устойчивых к старению.

Выбор на этом узле определяется тремя требованиями: емкость, сохраняющая свое значение в течение всего срока службы, потери, достаточно низкие для передачи накопленного заряда, и соответствие параметров по всем каналам. 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.

• Дрейф емкости составляет менее 2% за 50 000 часов, в то время как для электролитических компонентов он достигает 30-40%, поэтому падение на 1.43% сохраняется на уровне около 1.46% на протяжении всего срока службы лазера.
• Температурный коэффициент составляет ±30 ppm/°C, а изменение емкости составляет менее 0.35% в диапазоне от −55 °C до +125 °C, поэтому форма импульса не изменяется между холодным пуском и установившимся состоянием.
• Значение tan δ ниже 0.1%, что позволяет передавать накопленный импульсный заряд на диод с незначительными диэлектрическими потерями на импульс.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, предотвращает внутреннюю микроэрозию, которая могла бы изменить импульсную характеристику в течение тысяч часов.
• Диапазон напряжений от 1 кВ до 100 кВ, охватывающий цепочки диодов, демпфирующие узлы и линию связи постоянного тока 800 В, выполненные с использованием одного семейства стабильных по времени диэлектриков.
• Подходит для установки в устройства ведущих производителей. Винтовой компонент 40 кВ/441 соответствует электрическим параметрам и габаритам корпуса. Murata Винтовые конденсаторы в программе полевого ремонта источников света для литографии.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в моделировании старения, моделировании импульсной характеристики и разработке ускоренных испытаний на долговечность, а также в других областях. быстровосстанавливающийся диод выбор для того же этапа вождения.

Отправьте данные об импульсном токе, длительности импульса, напряжении питания, предельном значении просадки и сроке службы. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит список компонентов с данными о старении и результатами измерений частичных разрядов, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какая емкость необходима для плоского резистора с длительностью импульса 1 мс и током 40 А?

Установите просадку напряжения, исходя из предельного значения падения напряжения: C = I × T_p / ΔV. Падение напряжения на 2.0% на шине 200 В допускает просадку на 4 В, поэтому C = 40 × 0.001 / 4 = 10 000 мкФ в конце срока службы. Блок конденсаторов емкостью 14 мФ поддерживает падение напряжения на уровне 1.43% в новом состоянии.

В2: Как быстро стареет электролитическая батарея при температуре 85 °C?

За 20 000 часов емкость батареи уменьшается на 30–40%, подчиняясь степенному закону с n, близким к 0.5. Керамическая батарея класса II теряет за это же время от 10% до 20%, а батарея класса I N4700 остается в пределах 2% в течение 50 000 часов.

В3: Что произойдет с контуром, когда емкость уменьшится на 36%?

Коэффициент демпфирования изменяется пропорционально квадратному корню из отношения емкостей: 0.85 × √0.64 = 0.68. Перерегулирование возрастает с 0.6% до 5.5%, а время установления увеличивается примерно на 40%, поэтому диод испытывает перерегулирование тока на каждом шаге нагрузки.

Вопрос 4: Увеличивает ли потеря емкости пульсации на рельсах?

Не при емкости 14 мФ и частоте 100 кГц. Емкостной член составляет 0.11 мВ против 60 мВ при эквивалентном последовательном сопротивлении 50 мОм, поэтому увеличение пульсаций на 40–60% за время службы соответствует кривой эквивалентного последовательного сопротивления.

В5: Как я могу понять, что банк устарел?

Измерьте постоянную времени выходного сигнала по небольшому тестовому импульсу и запишите её. Снижение на 5% по сравнению с пусковым значением даёт предупреждение на несколько месяцев вперёд и позволяет зафиксировать как потери ёмкости, так и повышение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR).

В6: Может ли гибридный блок поддерживать стабильную форму импульса?

Да. Установите критически важные по контуру и критично важные по просадке емкости на детали класса I N4700, которые изменяют свои характеристики менее чем на 2% за 50 000 часов. Электролитическая секция затем передает основной объем энергии с заданным интервалом замены, так что импульсная характеристика остается в пределах спецификации между эксплуатациями.

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. 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.
6. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влаги, Надежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com