Зарядка высоковольтного кремниевого блока для подавления лазерной дуги TEA CO2

Зарядка высоковольтного кремниевого блока для подавления лазерной дуги TEA CO2

Резюме

Лазеры на CO2 с использованием технологии TEA работают на частоте от 100 Гц до 1 кГц, а износ электродов, сокращающий срок службы трубки, в основном обусловлен остаточными колебаниями, возникающими после каждого основного разряда. Зарядный индуктор замыкает LC-цепь и позволяет этой энергии возвращаться к электродам, где она поддерживает низковольтную дугу. В этой статье приводятся уравнения колебаний, представление проблемы с точки зрения добротности (Q-фактора), пять типов отказов кремниевых стеков в полевых условиях, а также этапы выбора обратного напряжения, восстановительного заряда и теплового режима.

1. Введение

В лазере на CO2 с поперечным возбуждением (TEA – transversely excited atmospheric) весь объем газа излучается одновременно. Каждый импульс длится несколько сотен наносекунд, и в этом диапазоне газ проходит через пробой, тлеющий разряд, лазерное излучение и погашение. Внимание обычно уделяется энергии и длительности импульса.

На поверхности электродов видна вторая половина проблемы. После миллионов выстрелов металл покрывается мелкими кратерами и острыми гребнями, изменяется расстояние между электродами, и выходная энергия падает из года в год. Разборка показывает повреждения, похожие на многократную эрозию от небольшого паяльника.

Значительная часть повреждений возникает после окончания основного разряда. Накопительный конденсатор и зарядный индуктор образуют LC-петлю, и заряд, оставшийся на конденсаторе, проходит через неё. Когда эта петля возвращает напряжение на электродах выше нескольких сотен вольт, на горячих точках вновь возникает низковольтная дуга.

Тлеющий разряд распределяет ток по большой площади. Дуга концентрирует тот же ток в одной точке, и локальный нагрев достигает тысяч градусов. Каждый импульс оставляет один кратер. В этой статье рассматривается кольцевой механизм, метод блокировки и основные правила, обеспечивающие его работу.

2. Основной механизм

2.1 Зарядное соединение стандартного источника питания TEA

Обычно соединение идёт от высоковольтной шины через зарядный индуктор L_ch к накопительному конденсатору C и далее к электродам. Индуктор заряжает C до 20–50 кВ за счёт резонансной зарядки, что умножает напряжение шины на добротность контура. Энергия, запасённая в конденсаторе, распределяется следующим образом:

E = ½ · C · V²

где E — запасённая энергия импульса в Дж, C — ёмкость накопителя в нФ, а V — напряжение заряда в кВ. Конденсатор ёмкостью 20 нФ при напряжении 30 кВ запасает 9 Дж, и газ поглощает часть этой энергии за один импульс.

После срабатывания искрового разрядника часть заряда остается на конденсаторе C. Затем конденсатор и индуктор, осуществляющий заряд, образуют последовательную петлю, и оставшийся заряд перемещается между ними в виде затухающей синусоидальной волны по электродам.

2.2 Амплитуда кольца в терминах Q

Остаточная петля представляет собой последовательную RLC-цепь. Ее добротность определяет продолжительность существования кольца:

Q_ring = (1 / R) · √(L_ch / C)

где Q_ring — добротность остаточного контура, R — общее последовательное сопротивление в Ом, L_ch — индуктивность заряда в нГн, а C — емкость накопителя в нФ. Контуру с добротностью Q, равной 5, требуется несколько десятков циклов, чтобы снизить энергию до 1 % от исходной. Постоянная времени кольца τ ≈ 2Q / ω₀, где τ измеряется в мкс.

Каждый полупериод изменяет направление напряжения на электродах. Отрицательный полупериод создает обратное напряжение на чувствительных к полярности участках. Положительный полупериод остается ниже напряжения пробоя и продолжает поддерживать дугу в горячих точках, оставшихся после основного импульса.

2.3 Блокировка кольца с помощью силиконового пакета

Высоковольтный кремниевый стек содержит от десятков до сотен PN-переходов, соединенных последовательно в одном корпусе, с обратным напряжением от 50 кВ до 200 кВ. Переход проводит ток в прямом направлении и блокирует его в обратном направлении, и эта асимметрия разрывает петлю проводимости.

C_total = C_j / N

где C_total — эквивалентная емкость перехода стека в пФ, C_j — емкость перехода одного чипа в пФ, а N — количество последовательных каскадов. Стек из 200 чипов с емкостью 20 нФ на чип представляет собой 100 пФ, что достаточно для пропускания части наносекундного разрядного тока.

На этапе зарядки стек проводит ток и заряжает С. Во время наносекундного разряда он удерживает прямой ток без изменения состояния. Когда С пытается изменить направление тока, переход блокируется, и петля размыкается. В этом случае напряжение на электроде спадает в одном направлении, а не колеблется.

2.4 Как блокировка влияет на напряжение электрода

При разомкнутой цепи остаточный заряд на С может покинуть цепь только через сопротивление утечки компонентов и высокое сопротивление зазора между электродами. Напряжение падает плавно. Вторичного подъема нет, поэтому дуге не хватает напряжения, необходимого для возникновения.

Спад этого процесса следует за зарядом, покидающим конденсатор:

ΔV = I · Δt / C

где ΔV — падение напряжения в В, I — ток утечки в А, Δt — время в мкс, а C — емкость накопителя в нФ. При токе утечки 1 мА в течение 100 мкс конденсатор емкостью 20 нФ теряет всего 5 В, поэтому спад напряжения остается медленным, а энергия импульса сохраняется.

Рис. 1 — Размыкание цепи зарядки с помощью быстродействующего аккумулятора приводит к однонаправленному спаду напряжения, поэтому напряжение на электроде никогда не поднимается достаточно высоко, чтобы повторно зажечь дугу.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Обратный восстановительный заряд добавляет новый пик.

Выпрямительный диод накапливает неосновные носители заряда, пока проводит ток. При изменении направления напряжения этим носителям требуется время для выхода и рекомбинации, и диод проводит ток в обратном направлении в течение времени восстановления t_rr. Обратный ток выносит заряд Q_rr из перехода.

Резкое изменение полярности напряжения в искровом зазоре может произойти до того, как произойдет отключение батареи. Затем заряд образует короткий путь внутри батареи и вызывает наносекундный скачок тока, который может повредить сам переход. Выберите батарею с t_rr менее 100 нс и Q_rr менее 1 мкКл.

Проблема 2: Неравномерное напряжение на последовательно соединенных микросхемах.

В стеке на 100 кВ может содержаться 200 микросхем. Если их токи утечки различаются, обратное напряжение делится неравномерно, и микросхема с наименьшим током утечки получает наибольшую долю. Одна микросхема, прошедшая проверку на соответствие номинальным параметрам, может выйти из строя, и отказы затем распространяются по всей цепочке.

Для сборки стека требуется проверка микросхем по степени утечки и резистор, распределяющий напряжение между каждым каскадом. В стеках HVC сеть проверки по степени утечки встроена на уровне микросхемы, и измеренное отклонение распределения напряжения остается в пределах 5 %.

Болевой пункт 3: Емкость перехода обходит блокировку.

При воздействии наносекундных импульсов емкость перехода в структуре действует как путь вокруг переходов. Если C_total велико, часть разрядного тока протекает через него и возвращается на шину, поэтому структура блокирует меньше, чем должна. Во время выбора поддерживайте значение C_total в пределах десятков пикофарад.

Проблемная точка 4: Скачки напряжения при зарядке и утечки тока приводят к перегреву аккумуляторного блока.

В начале зарядки разряженный конденсатор выглядит как короткое замыкание, и пиковый ток следует закону I_ch,peak = (V_bus − V_C0) / Z₀, где Z₀ выражено в Ом, а ток — в А. Без ограничения по величине этот пик достигает десятков ампер в течение микросекунд.

Повторяющиеся скачки напряжения приводят к усталости соединительных проводов и паяных соединений внутри микросхемы. Обратная утечка также имеет положительный температурный коэффициент и примерно удваивается каждые 10 °C, поэтому слабое охлаждение вызывает медленный тепловой разгон. Поддерживайте температуру корпуса ниже 125 °C и добавьте последовательное ограничение в цепи зарядки.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Установите номинальное обратное напряжение с запасом.

Начните с напряжения зарядки и перерегулирования резонансного зарядного устройства. Для линии электропередачи 30 кВ с перерегулированием 1.2 пиковое значение достигает 36 кВ. При напряжении зарядки, в 1.5 раза превышающем напряжение зарядки, пиковое значение составляет 45 кВ, а при напряжении, в 1.8 раза превышающем напряжение зарядки, — 54 кВ. Принимайте большее значение, если схема не позволяет снизить паразитную индуктивность.

Стратегия 2: Установите пороговые значения восстановления перед оформлением заказа.

Требуйте, чтобы t_rr было меньше 100 нс, при этом 200 нс — абсолютный верхний предел. Поддерживайте Q_rr ниже 1 мкКл, а крайний предел — ниже 5 мкКл. Оценивайте средний прямой ток при значении, вдвое превышающем средний зарядный ток, и импульсный прямой ток при 100 А для полусинусоидального сигнала длительностью 8.3 мс.

A быстровосстанавливающийся диод Микросхема с лазерной подгонкой удерживает оба значения и обеспечивает опережение блокирующего фронта относительно dV/dt искрового зазора.

Стратегия 3: Игнорировать стек против быстрого преимущества

Для сглаживания резкого фронта напряжения, например, 100 пФ при 30 кВ, параллельно подключите высоковольтный керамический конденсатор к каскаду. Добавьте RC-цепь с последовательным высоковольтным резистором для подавления высокочастотного колебания, образующегося между емкостью перехода и индуктивностью проводника. Демпфирующая цепь удерживает микросхему вывода ниже номинального значения.

Используйте HVR-BSP градуировочный резистор Для RC-рычага размер резистора определяется энергией восстановления. Падение постоянного тока на этом рычаге остается небольшим, поэтому значение резистора соответствует заряду восстановления.

Стратегия 4: Управление распространением, расстоянием проникновения воздуха и температурой.

Большинство защитных пленок изготавливаются из эпоксидной смолы или силиконовой резины. Поддерживайте температуру корпуса ниже 125 °C и устанавливайте его на алюминиевый радиатор с термопастой при высоком среднем токе. Для напряжения 30 кВ поддерживайте воздушное расстояние между двумя клеммами на уровне 50 мм или более и проверяйте поверхностный контакт после 168 часов воздействия влажного тепла.

Стратегия 5: Ограничить зарядный ток при последовательном подключении.

Добавьте в цепь зарядки высоковольтный толстопленочный резистор 1 кОм / 50 Вт. Резистор ограничивает пиковое значение на уровне V_bus / R_limit и также снижает добротность зарядного контура, поэтому любые остаточные колебания быстро затухают. Его значение остается значительно ниже заменяемой индуктивности, поэтому время зарядки практически не изменяется.

Стратегия 6: Проверяйте на электроде, а не только в симуляции.

Проверьте напряжение на электроде после основного импульса и понаблюдайте за вторичным подъемом. Чистый спад означает блокировку структуры. Медленное колебание означает обратное восстановление или слишком высокую емкость перехода. Повторите измерение после 10 миллионов импульсов, чтобы убедиться, что структура не сместилась.

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. Кремниевые модули HVC и конденсаторы для зарядного канала.

Блокирующий край, номинальный импульсный ток и тепловой путь определяют, выдержит ли защитный слой цикл работы в условиях перенапряжения. Компания HVC производит защитные слои для таких условий эксплуатации на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, с номинальным напряжением от 50 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Q_rr ниже 1 мкКл. В системе 30 кВ / 1 кГц обратный ток утечки достаточно мал, чтобы остаточное кольцо заканчивалось внутри первого цикла.
• t_rr ниже 100 нс. При напряженности искрового разрядника выше 50 кВ/мкс разрядная структура отключается в течение 100 нс, поэтому дуга не получает окна зажигания.
• Номинальные напряжения составляют 50 кВ, 80 кВ, 100 кВ и 150 кВ. Один из диапазонов включает компактные установки LE-TEA и крупные лазеры TEA радиолокационного класса.
• Распределение напряжения на уровне микросхемы. Регулятор напряжения на каждом этапе удерживает измеренное отклонение распределения напряжения в пределах 5 %, поэтому одна неисправная микросхема не приводит к сбою всей цепочки.
• Накопители энергии с низкой индуктивностью. HVCT8G А в комплектах дверных ручек сопротивление петли не превышает 8 нГн, что обеспечивает чистоту края разряда.
• Координированные компоненты. резисторы выборки HVRGXP для ограничения скачков напряжения и N4700 Конденсаторы для накопительного и демпфирующего блоков поставляются в рамках единой системы контроля качества.

Доставка и поддержка

Стандартные блоки отгружаются в течение 4–8 недель, а блоки с нестандартными номинальными напряжениями — в течение 6–10 недель. Заказы могут включать данные о распределении напряжения по каждой ступени, измерения заряда восстановления и т. д. Перекрестная ссылка таблица по сравнению с брендами первого эшелона.

Отправьте напряжение зарядки, частоту повторения, емкость накопителя и характер дугового разряда. HVC вернет моделирование зарядного звена, выбор стека, значения демпфирующих резисторов и образцы для проверки на оборудовании в течение 24 часов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему происходит эрозия электрода, если основной импульс выглядит чистым?

Поскольку повреждение происходит после импульса. Накопительный конденсатор и зарядный индуктор замыкают LC-петлю, и остаточный заряд колеблется по электродам в течение десятков циклов. Каждый положительный полуцикл поддерживает низковольтную дугу на горячих точках, оставшихся после основного разряда, и каждая дуга оставляет кратер.

В2: Как узнать, на месте ли кольцо?

Измерьте напряжение на электроде через 1–100 мкс после основного импульса. Плавное спад до нуля означает блокировку электрода. Вторичный подъем выше нескольких сотен вольт или затухающая синусоида с частотой от 100 кГц до 1 МГц означает, что контур все еще замкнут, и дуга может загореться снова.

В3: Какое номинальное обратное напряжение мне следует заказать?

В 1.8 раза больше зарядного напряжения, когда зарядная линия имеет резонансное перерегулирование. Для линии 30 кВ это означает 54 кВ или выше. Последовательные блоки на 50 кВ, 80 кВ или 100 кВ покрывают большинство потребностей в электроснабжении с использованием термоэлектрического преобразователя, а дополнительный запас прочности обходится дешевле, чем один отказ в полевых условиях.

Вопрос 4: Может ли медленный диод заменить быстрый?

Только если изменение направления напряжения происходит медленно. Искровой разрядник генерирует фронты выше 50 кВ/мкс, и диод с t_rr 500 нс продолжает проводить ток в обратном направлении, когда этот фронт достигает цели. Накопленный заряд затем образует наносекундный импульс, который может повредить переход. Следует избегать значений 100 нс.

В5: Почему емкость перехода является проблемой в блокирующей части?

Потому что она действует как путь вокруг соединений во время наносекундных импульсов. Стопка из 200 чипов по 20 нФ на чип содержит 100 пФ, и при 50 кВ/мкс эта емкость пропускает 5 А вокруг блокирующих слоев. Поддерживайте общую емкость в пределах десятков пикофарад.

В6: Что ограничивает срок службы самого стека?

Усталость от импульсных перенапряжений и тепловая утечка. Импульсный заряд повторяется при каждом импульсе, а обратная утечка удваивается примерно каждые 10 °C. Ограничение последовательного сопротивления в 1 кОм и радиатор, поддерживающий температуру корпуса ниже 125 °C, обеспечивают соответствие паяных соединений и переходов номинальным параметрам.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60747-2, Полупроводниковые приборы — Дискретные приборы — Часть 2: Выпрямительные диодыЖенева: МЭК, 2016.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. X. Чжао, Q. Чжан, J. Лонг, Y. Лей и J. Лю, Генератор высоковольтных двойных прямоугольных импульсов на основе MOSFET с индуктивным сумматором.«Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование», том 793, стр. 12-17, 2015 г. https://doi.org/10.1016/j.nima.2015.04.036
8. 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 .
9. И. Чен, Х. Ли, Ф. Лин, Ф. Лю, М. Чжан, З. Ли и др. Исследование самовосстановления и характеристик срока службы металлизированного пленочного конденсатора в условиях высокого электрического поля.IEEE Transactions on Plasma Science, том 40, № 8, стр. 2014-2019, 2012. https://doi.org/10.1109/tps.2012.2200699
10. 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.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com