Распределение напряжения между конденсаторами в цепочках высоковольтных умножителей лазера

Распределение напряжения между конденсаторами в цепочках высоковольтных умножителей лазера

Резюме

Станок лазерной резки создает цепь умножителей напряжения от 10 кВ до 40 кВ, и эта цепь работает на основе одного предположения: каждый каскад распределяет напряжение. В этой статье выводятся ошибки распределения напряжения в установившемся и пусковом состояниях, заряд, который восстанавливающийся диод сбрасывает в свой каскад, и кольцо, которое этот заряд приводит в движение. Затем приводятся шесть этапов согласования, включая правило времени восстановления и сеть распределения напряжения на каждом каскаде.

1. Введение

В высоковольтном блоке станка лазерной резки выходное напряжение от 10 до 40 кВ формируется с помощью цепи умножителей — каскада конденсаторных и диодных каскадов, который пошагово удваивает переменное выходное напряжение трансформатора. Цепь работает только в том случае, если каждый каскад передает напряжение, ток и кратковременные воздействия.

Распределение заряда определяется тем, насколько хорошо согласуются друг с другом две популяции компонентов. Конденсаторы определяют распределение заряда, а диоды — момент его перемещения. Выход одной детали за пределы допустимых значений смещает баланс своего каскада, в результате чего соседние каскады теряют заряд.

Анализ отказов производственных множителей указывает на один фактор. 70% отказов в цепочке начинаются с одной несоответствующей детали, будь то дрейф конденсатора или диод с медленным восстановлением, который нарушает баланс одной ступени до тех пор, пока эта ступень не выйдет за пределы своих проектных параметров. Затем отказ распространяется по всей цепочке за микросекунды, и высоковольтный блок возвращается на завод, при этом стоимость замены составляет от 2,000 до 8,000 долларов США.

В этой статье выводятся уравнения распределения заряда, заряд, возвращаемый восстанавливающимся диодом на свою ступень, и напряжение кольца, создаваемое этим зарядом. Затем приводятся шесть шагов, позволяющих удерживать каждую ступень в пределах её допустимых значений: согласованные наборы, диэлектрик класса I, правило времени восстановления, схемы для каждой ступени, проверка баланса и семейство общих диэлектриков.

2. Основной механизм

2.1 Распределение напряжения на ступени

Несоответствие емкостей изменяет заряд, поглощаемый каскадом, и ошибка напряжения в установившемся режиме следует за током нагрузки:

ΔV_stage / V_stage ≈ (ΔC / C) × (I_load / (f × C × V_peak))

где ΔV_stage — ошибка напряжения на этапе в установившемся режиме, ΔC/C — несоответствие емкостей, I_load — ток нагрузки, f — частота цепи, C — емкость этапа, а V_peak — пиковое напряжение вторичной обмотки трансформатора.

При рассогласовании 5%, нагрузке 5 мА, частотной цепочке 100 кГц, каскадах 1 нФ и пиковом напряжении возбуждения 3 кВ, коэффициент рассогласования кронштейна составляет 0.0167, а ошибка в установившемся режиме — 0.08%. Это число кажется безобидным, и именно поэтому проблема рассогласования игнорируется на этапе проектирования.

Переходный процесс при запуске дает другой ответ. В то время как цепь перераспределяет заряд через диоды, то же самое несоответствие усиливается на всех каскадах:

ΔV_stage / V_stage ≈ k_mis × (ΔC / C)

где k_mis — коэффициент усиления несоответствия цепи, приблизительно равный 8 для переходного процесса при запуске 10-ступенчатой ​​цепи, а ΔC/C — несоответствие емкостей.

При отклонении на 5% возникает дисбаланс на этапе запуска в 40%, при этом на наиболее нагруженном этапе приходится в 1.4 раза большая нагрузка. При совпадении ±1% тот же коэффициент дает 8%, что находится в пределах 15% допустимого предела для цепочки.

2.2 Заряд, возвращаемый восстанавливающим диодом

Диод, проводящий ток в одной половине периода, должен блокироваться в следующей. Заряд, который он возвращает при восстановлении перехода, равен:

Q_rr = ½ × t_rr × I_rr

где Q_rr — восстановленный заряд, t_rr — время обратного восстановления, а I_rr — пиковый обратный ток.

Диод с временем восстановления 200 нс при обратном токе 2 А возвращает заряд 200 нКл. Этот заряд попадает на конденсатор каскада, расположенный рядом с ним:

ΔV_cap = Q_rr / C_stage

где ΔV_cap — скачок напряжения на конденсаторе каскада, Q_rr — восстановленный заряд, а C_stage — емкость каскада.

На каскаде с конденсатором 1 нФ 200 нКл преобразуются в 200 В, что составляет 6.7% от напряжения каскада на 3 кВ. Опорный диод 2CL в таблице восстанавливается менее чем за 1 мкс, и при такой скорости те же вычисления возвращают 1 мкКл, добавляют 1,000 В и позволяют каскаду на 3 кВ превысить номинальное напряжение конденсатора 3.6 кВ.

2.3 Кольцевое напряжение на ступени

Восстановленный ток также колеблется на фоне индуктивности каскада на импедансе локальной петли:

V_ring = √(L_stage / C_stage) × I_rr

где V_ring — пиковое напряжение кольца, L_stage — индуктивность контура каскада, C_stage — емкость каскада, а I_rr — пиковый обратный ток.

При индуктивности петли 200 нГн и каскаде 1 нФ сопротивление петли составляет 14.1 Ом, а обратный ток 2 А создает напряжение 28 В. Частота колебаний составляет 11.3 МГц, что определяет характеристики демпфирующего элемента. Диод, время восстановления которого в 2.5 раза больше, возвращает в 2.5 раза больший заряд и издает колебания при напряжении 70 В, причем этот пик возникает каждые 10 мкс на частоте 100 кГц.

2.4 Согласование означает равные постоянные времени

Временное распределение цепи сохраняется даже тогда, когда постоянные времени этапов совпадают:

√(L_stage_k × C_stage_k) = constant

где L_stage_k — индуктивность контура k-го каскада, а C_stage_k — его емкость.

Конденсаторы, подобранные с точностью до ±1%, и диоды, подобранные с точностью до ±20% от t_rr, обеспечивают разность этих постоянных времени не более 2%, и это и есть количественное значение согласования. Одинаковые номинальные напряжения этого не обеспечивают; одинаковые постоянные времени обеспечивают.

Рис. 1 — Восстановленный заряд одного диода попадает на собственный конденсатор каскада емкостью 1 нФ: 200 В от участка длительностью 200 нс, 1,000 В от участка длительностью 1 мкс.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Допустимое отклонение в 5% приводит к дисбалансу в 40%.

В процессе запуска цепь усиливает несоответствие емкостей. Каскад с конденсатором малой емкости потребляет до 40% больше напряжения, чем его соседи, поэтому его конденсатор и диод подвергаются нагрузке в 1.4 раза большей, чем расчетная, при каждом включении питания. Наиболее нагруженный каскад становится первой точкой отказа, и анализ отказов серийных умножителей это подтверждает.

Проблема 2: Один медленно работающий диод создает нагрузку на весь каскад.

Диод, коэффициент восстановления которого в 2.5 раза превышает заданное значение, возвращает заряд в 2.5 раза больше. При частоте 100 кГц это событие повторяется 10⁵ раз в секунду, и каждое из них увеличивает напряжение каскада на 55 В и колеблет его на 70 В. Конденсатор, уже работающий на 80% от своего номинального значения, не имеет запаса для такого увеличения, и каскад выходит из строя в течение нескольких месяцев.

Проблемная точка 3: Колебания температуры нарушают баланс цепочки во время смены.

Конденсаторы второго класса теряют емкость при нагреве, и верхние каскады умножителя работают при самой высокой температуре. Цепь, согласованная при холодном пуске, становится несбалансированной при рабочей температуре, поэтому распределение энергии, подтвержденное в лаборатории, больше не описывает работу машины в дневную смену.

Проблема 4: Сетевые возможности совместного использования не используются для экономии места на плате.

Сеть, построенная на основе отдельных этапов, часто исключается, поскольку этап уже содержит две части. Ее отсутствие превращает каждое несоответствие компонентов и каждое несоответствие при восстановлении в нагрузку на этап, что переводит цепь из категории, ограниченной компонентами, в категорию, ограниченную несоответствиями. Экономия невелика, а потери надежности составляют от 3 до 5 раз.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Укажите согласованные комплекты конденсаторов.

Заказывайте конденсаторы для каждой ступени с точностью до ±1% из одной партии. Это позволяет снизить дисбаланс переходных процессов при запуске ниже 10%, сохранить равные постоянные времени ступеней и исключить первую точку отказа, вызванную несоответствием. Компания HVC поставляет подобранные комплекты для этой задачи.

Стратегия 2: Использовать диэлектрик класса I для каскадов.

Выбирайте N4700 Для конденсаторов каскада используется керамика класса I с температурным коэффициентом ±30 ppm/°C. В диапазоне температур более 60 °C дрейф составляет 0.18%, тогда как для каскада класса II дрейф составляет 8%, что приводит к смещению распределения на 8%. Тепловой дисбаланс исчезает из списка режимов отказов.

Стратегия 3: Привязать спецификацию восстановления к частоте цепочки.

Укажите время восстановления диода относительно половины периода, а не относительно каталожного номера:

t_rr ≤ 0.1 × (1 / (2 × f_chain))

где t_rr — время обратного восстановления, f_chain — частота цепи, а скобка — половина периода.

При частоте 100 кГц полупериод составляет 5 мкс, а предел — 500 нс. Универсальный компонент с временем восстановления 1 мкс вдвое медленнее для этой цепи, поэтому в спецификации необходимо указывать время восстановления, а не семейство. Согласование диодов в пределах ±20% от t_rr обеспечивает равномерное распределение инжектированного заряда по всем каскадам.

Стратегия 4: Адаптировать сеть к каждому этапу

Два элемента на каждом этапе выполняют две разные задачи. 10 МОм толстопленочный резистор Он определяет делитель постоянного тока и потребляет 0.3 мА при 3 кВ, что составляет 0.9 Вт. Резистор 15 Ом, включенный последовательно с 1 нФ, подавляет колебания на частоте 11 МГц на уровне 0.16 Вт. Резистор 100 кОм, разделяющий частоты, потреблял бы 30 мА и расходовал бы 90 Вт, поэтому при таком напряжении он не подходит.

Стратегия 5: Проверьте каждую цепочку с помощью теста на переходный процесс при запуске.

Измерьте отводы цепи во время включения питания и сравните максимальное отклонение между ступенями со средним значением. Поддерживайте точность цепи на уровне 15% или ниже. Цепь, прошедшая проверку на стенде, сохраняет свою балансировку в эксплуатации, а цепь, не прошедшая проверку, повторно подбирается перед отправкой.

Стратегия 6: Создайте конденсаторы общего назначения из одного семейства.

Укажите конденсаторы цепи совместного использования из того же семейства класса I, что и конденсаторы каскада, чтобы их значения оставались неизменными при изменении температуры. В этом случае коэффициент совместного использования остается неизменным во всем рабочем диапазоне. пленочный конденсатор Использование индуктивности петли в 200 нГн нецелесообразно на частоте 11 МГц, где демпфирующий элемент должен располагаться вблизи 14 Ом.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Повторяющееся пиковое обратное напряжение	10 кВ VRRM	Серия 2CL, 25 °C
Средний прямой ток	0.8 A IF(AV)	прямоугольная волна, Tc ≤ 85 °C
Прямой импульсный ток	100 А при 8.3 мс	одиночный импульс, IFSM
Время обратного восстановления	ниже 1 мкс трр	мягкий восстановительный класс
Емкость перехода	25 пФ тип.	VR = 4 кВ, 1 МГц
Рабочая Температура	от −55 °C до +125 °C	Tj макс
ток утечки	менее 5 мА при VRRM	25 °C, полная мощность

5. Конденсаторы HVC N4700 для цепи умножителя.

В цепи напряжение распределяется равномерно лишь настолько, насколько это позволяют конденсаторы. Компания HVC производит конденсаторы класса I N4700 для этих целей, поставляет их в подобранных комплектах и ​​изготавливает на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Подборка комплектов в пределах ±1%. Компания HVC поставляет конденсаторы для каждого этапа, отсортированные из одной партии, что позволяет снизить дисбаланс переходных процессов при запуске до уровня ниже 10% и выровнять постоянные времени этапов.
• Температурно-независимое распределение энергии. Коэффициент ±30 ppm/°C и коэффициент диссипации ниже 0.1% поддерживают постоянные значения параметров ступени, поэтому распределение энергии, рассчитанное на холодный запуск, сохраняется и во второй половине дня.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Заводская экранировка от частичных разрядов предотвращает саморазряд конденсатора каскада под воздействием переходных процессов в цепи.
• Совместимость с системами восстановления при переходных процессах. Низкоэмиссионные модули (ниже 30 нГн) и прочные электроды поглощают восстановительное кольцо со скоростью 10⁵ событий в секунду без внутренних повреждений.
• Одна семья на всю сцену. Сеть совместного использования, конденсатор сцены и выходной сигнал. быстровосстанавливающийся диод Поскольку детали используются в одном и том же квалификационном заезде, температурные характеристики ступени остаются неизменными.
• Проверенная временем замена. Серия 40 кВ / 441. дверная ручка конденсаторы являются подходящей заменой для Murata В программе ремонта источников света для литографии используются винтовые конденсаторы, а разработчики DUV-технологий теперь указывают в качестве компонентов HVC в новых источниках света.

Доставка и поддержка

Комплекты согласованных элементов отгружаются в течение 6–10 недель; отдельные компоненты со склада — в течение 4–8 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в согласовании каскадов, координации времени восстановления, проектировании сети совместного использования и тестировании переходных процессов при запуске. Необходимо указать частоту каскада, количество каскадов, напряжение каскада, емкость каскада и время восстановления диода. HVC выдаст предложение по комплекту согласованных элементов с данными о частичных разрядах и отчетами о допусках в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Насколько сильно несоответствие емкостей на 5% нарушает баланс цепи?

В установившемся режиме рассогласование составляет 0.08% от величины тока нагрузки, а при запуске — до 40%, когда рассогласование увеличивается примерно в 8 раз. Согласование с допуском ±1% снижает показатель рассогласования при запуске до менее 10%.

Вопрос 2: Какое напряжение добавляет к каскаду медленный диод?

Восстановленный заряд, деленный на емкость каскада. Диод с временем срабатывания 200 нс при токе 2 А возвращает 200 нКл, что добавляет 200 В к каскаду емкостью 1 нФ. Диод с временем срабатывания 1 мкс возвращает 1 мкКл и добавляет 1,000 В, что превышает номинальное напряжение конденсатора каскада 3.6 кВ при рабочем напряжении 3 кВ.

В3: Какое время восстановления следует указать при частоте 100 кГц?

500 нс или меньше, что составляет 10% от полупериода в 5 мкс. Стандартный высоковольтный диод с временем восстановления 1 мкс вдвое медленнее для этой цепи, поэтому время восстановления должно быть указано в спецификации в виде числа.

Вопрос 4: Почему для конденсаторов каскада используется класс I, а не класс II?

Дрейф. Диэлектрик N4700 смещается на 0.18% в диапазоне температур 60 °C, а компонент класса II может смещаться на 8% и более. Дрейф представляет собой дисбаланс в умножителе, поскольку ступени нагреваются на разную величину.

В5: Какова стоимость сети совместного использования ресурсов на каждом этапе?

0.9 Вт при 3 кВ для резистора 10 МОм, потребляющего 0.3 мА, плюс 0.16 Вт для демпфера 15 Ом + 1 нФ. Резистор с общим сопротивлением 100 кОм будет потреблять 90 Вт на каскад, поэтому значение необходимо выбирать для этого напряжения, а не копировать из низковольтной схемы.

В6: Как проверить, что цепь сбалансирована?

Проведите измерение переходного процесса при запуске на отводах ступени и сравните максимальное отклонение между ступенями со средним значением. Цепь, которая показывает точность 15% или выше на стенде, сохраняет свою устойчивость и в полевых условиях.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 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, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
6. Военно-морской стандарт RPF-49470D. Конденсатор, фиксированный, с керамическим диэлектриком, импульсный источник питания (общего назначения и термостабильный), стандартная и высокая надежность, общие технические характеристики.Вашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США, 2017.
7. 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.
8. Д. Ли, Ю. Чжун, С. Чжоу и Г. Чжай, Метод анализа разрушения многослойного керамического конденсатора с помощью фазового поля.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 14, no. 2, pp. 211-220, 2024. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2024.3359598.
9. М. Сяо и др., Исследование характеристик частичного разряда и самовосстановления металлизированной пленки конденсаторов., в 2024 IEEE 5th International Conference on Dielectrics (ICD), стр. 1-4, 2024. https://doi.org/10.1109/icd59037.2024.10613348
10. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com