Компания Balancing LLC: Эффективность и пульсации в источниках питания CO2-лазеров

Компания Balancing LLC: Эффективность и пульсации в источниках питания CO2-лазеров

Резюме

Лазерная трубка на CO2 преобразует небольшое изменение напряжения в большое изменение мощности луча, поэтому пульсации в 10 В на шине 10 кВ проявляются как шероховатость на срезе. ШИМ-мосты с жестким переключением добавляют потери на переключение и широкополосные пульсации на высоких частотах. Резонансные преобразователи LLC устраняют и то, и другое, но их кривая усиления следует за резонансным конденсатором. В этой статье приводятся уравнения контура, четыре варианта отказа в полевых условиях и правила выбора, которые поддерживают окно открытым.

1. Введение

Станок для резки часто работает исправно первые полчаса. Затем на кромках начинают появляться мелкие волнистые следы. Инженеры сначала проверяют направляющие и оптику, и обычно неисправность находится в высоковольтном источнике питания, где начинает происходить смещение выходного сигнала.

Лазерная трубка на CO2 представляет собой газоразрядную нагрузку с крутой кривой мощности. Пульсации в 10 вольт на шине 10 кВ составляют изменение на 1‰. Внутри трубки это изменение превращается в большой скачок разрядного тока, и мощность луча возрастает на сотни ватт. При микромасштабном резе этот скачок становится шероховатостью.

Для питания этих источников питания раньше использовались полумостовые и полномостовые схемы с ШИМ-управлением и жестким переключением. Их потери при переключении возрастают с частотой, а пульсации находятся на фронте переключения, где фильтрация затруднена. Резонансные преобразователи LLC, включаемые при нулевом напряжении, одновременно уменьшают потери при переключении и пульсации, поэтому сейчас они используются в большинстве новых источников питания.

Цена определяется чувствительностью. Кривая усиления LLC следует за резонансным индуктором и резонансной частью. Когда значение резонанса изменяется по мере нагрева источника питания, f_r1 также изменяется, кривая усиления деформируется, и источник питания теряет свой диапазон ZVS. Измеренные значения КПД падают с 92% до 75% при повышении температуры на 50 °C, и появляются пульсации.

2. Основной механизм

2.1 Резонатор и его два полюса

Резонатор LLC состоит из трех частей: последовательно включенного индуктора L_r, включающего в себя трансформатор рассеяния, намагничивающего индуктора L_m и последовательно включенной резонансной части C_r. Резонатор имеет два полюса, и питание подается между ними:

f_r1 = 1 / (2π · √(L_r · C_r))

где f_r1 — первый полюс в Гц, L_r — последовательная индуктивность в Гн, а C_r — последовательная емкость в Ф.

f_r2 = 1 / [2π · √((L_r + L_m) · C_r)]

где f_r2 — второй полюс в Гц, а L_m — индуктивность намагничивания в Гн.

Если задать частоту переключения f_s в диапазоне от f_r2 до f_r1, то колебательный контур будет выглядеть индуктивным. В этом случае ток отстает от напряжения, диод в корпусе проводит ток до включения ключа, а напряжение на устройстве ограничивается почти нулем. Это переключение при нулевом напряжении, и оно устраняет потери при включении. Небольшой сдвиг C_r перемещает оба полюса, поэтому диапазон необходимо проверять по всему диапазону C_r.

2.2 Кривая усиления и коэффициент качества нагрузки

Источник питания поддерживает выходное напряжение за счет изменения частоты переключения. Коэффициент усиления по напряжению M устанавливает выходное напряжение относительно входного:

M = m · f_n² / √[(m · f_n² + f_n² − 1)² + f_n² · (f_n² − 1)² · (m − 1)² · Q²]

где M — коэффициент усиления по напряжению, f_n — частота переключения, деленная на f_r1, m — отношение индуктивности (L_r + L_m)/L_r, а Q — добротность нагрузки.

Добротность Q возрастает с нагрузкой, что сглаживает кривую и снижает пиковое усиление. При малой нагрузке добротность Q падает, что делает кривую более острой. При зажигании лампа не потребляет ток, поэтому добротность Q близка к нулю, и источник питания должен обеспечивать высокое усиление. После пробоя импеданс лампы падает до сотен Ом, добротность Q быстро возрастает, и источник питания должен поддерживать более низкое напряжение при постоянном токе. Одна кривая должна удовлетворять обоим концам.

2.3 Потери и тепловыделение в резонансной части

Потери в керамической детали обусловлены двумя факторами, и оба зависят от частоты:

P_self = I_rms² · ESR + 2π · f · C · V_pk² · DF

где P_self — внутренние потери в Вт, I_rms — среднеквадратичный ток в А, ESR — последовательное сопротивление в Ом, f — частота в Гц, C — емкость в Ф, V_pk — пиковое напряжение в В, и DF — коэффициент рассеяния.

Резонансная часть пропускает 20 А среднеквадратичного значения на частоте 100 кГц при мощности источника питания 10 кВт. Часть класса II с коэффициентом пропускания от 1.5% до 2.5% теряет в 15 раз больше энергии, чем часть класса I при коэффициенте пропускания ниже 0.1%. Если потери одной части достигают 2 Вт, тепло должно отводиться через клеммы и крепление, а в случае части с длинными выводами, обеспечивающими отвод тепла, этот путь отсутствует. Добавьте член ESR при 20 А среднеквадратичного значения, и повышение температуры превысит допустимый предел в 15 °C, установленный конструкцией.

2.4 Дрейф выводит источник питания из индуктивной области.

Значение f_r1 следует за квадратным корнем из C_r, поэтому изменение значения на 10% сдвигает полюс на 5.4%. Компонент класса II теряет от 10% до 15% своего значения при повышении температуры на 50 °C, что является нормальным явлением для источника питания, работающего весь день. Полюса сдвигаются вверх, рабочая точка перемещается из индуктивной области в емкостную, и режим нулевого напряжения (ZVS) теряется. Затем тепловыделение переключателя увеличивается с каждым циклом, и источник питания достигает порога срабатывания защиты от перегрева.

Паразитная индуктивность добавляется к тому же члену. На частоте 100 кГц эквивалентная последовательная индуктивность компонента и его шины в сумме дает L_r, что смещает f_r1 вниз и снова перемещает окно. Значение компонента и геометрия крепления должны быть спроектированы как единый контур.

Рис. 1 — Часть бака класса II теряет 10 % своей стоимости при повышении температуры на 50 °C, поднимая первый полюс на 5.4 % и закрывая окно нулевого напряжения.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Потеря режима ZVS в момент зажигания.

При включении питания нагрузка за микросекунды переходит из состояния разомкнутой цепи в состояние с сопротивлением в несколько сотен Ом. Контроллер должен за тот же момент перевести частоту f_s из состояния холостого хода в состояние полной нагрузки. Если значение источника отличается от расчетного, кривая усиления деформируется, и контроллер не достигает целевой частоты.

В этом случае переключатели работают в интенсивном режиме при высоком напряжении и высоком токе. Переходные потери значительно превышают установившееся значение, и импульс может вывести из строя MOSFET или IGBT за считанные секунды. Необходимо поддерживать значение C_r близким к расчетному и ограничить скорость изменения частоты, чтобы контроллер мог отслеживать изменения нагрузки.

Проблема 2: Несовпадение результатов при забегах в холодную и жаркую погоду.

Блок питания, использующий компоненты X7R, хорошо работает утром. По мере нагрева бака его значение падает на 10-15%, f_r1 повышается примерно на 5.4%, и окно ZVS закрывается. К полудню устройство срабатывает при перегреве или показывает пульсации на рабочей поверхности. Тот же блок, измеренный в холодном состоянии в лаборатории, выглядит исправным, поэтому неисправность проявляется только после длительной работы.

Проблемный момент 3: Частичный разряд в выходных фильтрующих элементах.

Выпрямленная шина расположена параллельно выходному фильтру с быстрым изменением dV/dt. Деталь с микропустотами или пузырьками внутри керамики начинает разряжаться при каждом цикле. Разряд не приводит к мгновенному выходу детали из строя. Он вызывает эрозию диэлектрика с частотой в десятки тысяч событий в секунду, излучает шум в цепи управления и обычно приводит к пробою через 6–12 месяцев. Экранирование при 5 пКл и напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, позволяет удалить эти детали перед сборкой.

Проблема 4: В параллельном блоке сначала выходит из строя одна деталь.

В аккумуляторной батарее, рассчитанной на определенную емкость и напряжение, возникает проблема распределения тока. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) различается от компонента к компоненту, поэтому ток предпочитает компонент с наименьшим ESR. Этот компонент нагревается, его ESR увеличивается, и он потребляет больше тока. Один компонент нагревается до тех пор, пока не выйдет из строя, и отказ перекладывает нагрузку на остальную часть батареи.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использовать диэлектрик класса I в каждой резонансной точке.

Выбор диэлектрика определяет дрейф. Компонент X7R имеет температурный коэффициент теплового расширения (TCC) от −30% до +15%, коэффициент диэлектрической проницаемости (DF) от 1.5% до 2.5% и потерю значения более чем на 30% при номинальном постоянном напряжении смещения. Компонент класса I N4700 имеет TCC ±30 ppm/°C, DF ниже 0.1% и практически нулевые потери при смещении. Разница в потерях составляет 15-кратное увеличение. Для резонансного или высокочастотного фильтра в LLC-контуре компонент класса I является базовым.

Стратегия 2: Покупка C_r с долей ±2%.

Рассмотрим схему с коэффициентом индуктивности m = 6. Допуск C_r в ±5% сдвигает f_r1 на ±2.5% и сужает окно ZVS более чем на 15%. Допуск от ±1% до ±2% удерживает сдвиг частоты в пределах ±0.5%, поэтому переключатели остаются в индуктивной области при любой нагрузке. Заказывайте подобранные комплекты из одной партии, а не полагайтесь на общий допуск.

Стратегия 3: Зафиксировать частоту в контуре управления.

Контролируйте момент пересечения резонансного тока через трансформатор тока и сравнивайте его с сигналом управления затвором. Ток всегда должен отставать от напряжения, и это сравнение подтверждает это. Добавьте программную фазовую автоподстройку частоты, которая отслеживает реальную частоту f_r1 по мере старения и нагрева компонентов. Ограничьте скорость изменения частоты при включении зажигания, чтобы рабочая точка не могла перескочить через емкостную область за один шаг.

Стратегия 4: Установите пределы пульсаций и ПД на выходном фильтре.

Для выходного напряжения 10 кВ номинальный ток фильтрующей части должен составлять от 15 до 20 кВ. Необходимо обеспечить частичный разряд ниже 10 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, что предотвратит образование электрических древовидных структур внутри керамики и обеспечит расчетный срок службы более 10 лет. При параллельном соединении компонентов используйте шины с низкой индуктивностью, чтобы каждый блок испытывал одинаковую паразитную индуктивность от выпрямителя, и динамический ток распределялся равномерно.

Стратегия 5: Поддерживайте температуру самонагревающегося устройства в пределах 15 °C.

Вычислите P_self, исходя из тока и DF, затем сравните его с тепловым путем. Деталь, крепящаяся винтами к алюминиевой пластине или шасси, снижает тепловое сопротивление на 60% по сравнению с деталью с выводами. Избегайте радиальных деталей с длинными выводами, поскольку выводы увеличивают индуктивность и одновременно блокируют тепловой путь. Пластина с водяным охлаждением удерживает температуру корпуса в пределах 10 °C от температуры охлаждающей жидкости при полной нагрузке.

Стратегия 6: Отбор и сопоставление перед сборкой.

Измерьте коэффициент диффузии (DF), емкость и сопротивление изоляции для каждой единицы и подберите комплект перед установкой в ​​бак. Разброс емкости в пределах ±2% и разброс коэффициента диффузии, обеспечивающий не превышающий 0.1% для каждой детали, гарантирует равномерное распределение тока и надежную фиксацию полюсов. Используйте одинаковую партию и одинаковый момент затяжки для всего комплекта, поскольку момент затяжки изменяет механическое напряжение в керамике и, следовательно, эффективное значение.

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. Высоковольтные конденсаторы для LLC-конденсатора

Компания HVC производит компоненты класса I для резонансных и фильтрующих элементов, определяющих кривую усиления, на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ. Серийные поставки осуществляются производителям промышленных лазеров и импульсных источников питания.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• TCC составляет ±30 ppm/°C. При повышении температуры на 40 °C значение изменяется менее чем на 0.12%, поэтому f_r1 изменяется на 0.06%, а кривая усиления остается в пределах, заданных конструкцией.
• Коэффициент DF ниже 0.1%. При частоте 100 кГц и среднеквадратичном токе 20 А повышение температуры одной части резервуара остается в пределах 10 °C, поэтому резервуар не является дополнительным источником тепла.
• Линейность напряжения. Значение сохраняется от 0 до 100% номинального напряжения, в отличие от компонентов класса II, которые теряют 30% при смещении, поэтому кривая усиления соответствует проектной как при включении, так и при поддержании напряжения.
• Частичная разрядность составляет 5 пКл или меньше при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. N4700 Для медицинских и лазерных изделий керамические дисковые детали проходят проверку качества перед отправкой каждого изделия, что исключает наличие помех на выходной шине.
• Крепление с низкой индуктивностью. HVCT8G Конденсаторы типа "дверная ручка" используют винты M4 и M5, которые прикручиваются к шасси и снижают тепловое сопротивление более чем на 50%.
• Сопутствующие детали. толстопленочные резисторы и быстровосстанавливающиеся диоды Охватывает места отбора проб, сортировки и ректификатора в одном и том же резервуаре.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты с точностью ±2% и отчетом по емкости и коэффициенту диффузии — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в моделировании резервуара, подборе деталей и проверке коэффициента диффузии в соответствии с заказом, включая HVRGXP Резисторы с низкой индуктивностью для измерения тока в узле датчика.

Передайте индуктивность резонансного контура, диапазон переключения, напряжение шины и коэффициент заполнения. HVC вернет номера компонентов, данные DF и ESR на частоте переключения, а также Перекрестная ссылка Доставка комплектующих Murata, TDK и Vishay в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему качество стрижки ухудшается после получаса бега?

Поскольку резонансная частота изменяется по мере нагрева резервуара. Компонент класса II теряет от 10% до 15% своего значения при повышении температуры на 50 °C, что увеличивает f_r1 примерно на 5.4%. В этом случае источник питания работает вблизи границы индуктивной области или за ее пределами, поэтому пульсации на выходе увеличиваются, а мощность пучка следует за ними. Компонент класса I сохраняет значение в пределах 0.12% при том же повышении температуры.

В2: Какой допуск C_r мне нужен?

В пределах ±2% для источника питания с коэффициентом индуктивности m = 6. При ±5% первый полюс смещается на ±2.5%, а окно переключения в нулевом напряжении сужается более чем на 15%. При ±2% полюс смещается менее чем на ±0.5%, и переключатели удерживают нулевое напряжение при любой нагрузке. Заказывайте подобранные комплекты из одной партии, вместо того чтобы подгонять пары на рабочем столе.

В3: Можно ли использовать деталь X7R в резонансной позиции?

Нет. Компонент X7R имеет коэффициент потерь от 1.5% до 2.5%, что в 15 раз превышает потери компонента класса I, поэтому он нагревается при 20 А среднеквадратичного значения. Его температурный коэффициент усиления колеблется от -30% до +15%, и он теряет более 30% своего значения при номинальном постоянном напряжении. Каждый из этих факторов смещает кривую усиления от расчетного значения.

Вопрос 4: Какой уровень частичного разряда допустим в выходном фильтре?

Температура ниже 10 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, для источника питания, рассчитанного на 10 лет и более. По запросу HVC обеспечивает защиту от 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, что дает запас прочности против пустот, которые в противном случае привели бы к эрозии керамики при десятках тысяч событий в секунду. Деталь с потерями мощности 2 Вт и пустотой может выйти из строя в течение 6-12 месяцев.

Вопрос 5: Почему компоненты параллельного фильтра выходят из строя по одному?

Потому что ток предпочитает ту часть, у которой наименьшее эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Эта часть нагревается сильнее, её ESR смещается дальше, и она снова потребляет больший ток. Решение заключается в использовании подобранного комплекта с разбросом ёмкостей в пределах ±2%, одинаковым моментом затяжки и шиной с низкой индуктивностью, чтобы каждая часть получала один и тот же контур от выпрямителя.

В6: Как сохранить режим ZVS в момент зажигания?

Три меры. Ограничить скорость изменения частоты, чтобы рабочая точка не могла за один шаг пересечь емкостную область. Контролировать фазу между резонансным током и управляющим сигналом затвора с помощью трансформатора тока. Добавить программную фазовую автоподстройку частоты, которая отслеживает реальную частоту f_r1 по мере нагрева и старения компонентов, чтобы контроллер двигался вместе с дрейфом.

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 60825-1, Безопасность лазерной продукции — Часть 1: Классификация оборудования и требованияЖенева: МЭК, 2014.
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. Ф. Д. Киферндорф, М. Форстер и Т. А. Липо, Снижение пульсаций тока на конденсаторе шины постоянного тока с помощью преобразователя PAM/PWMIEEE Transactions on Industry Applications, том 40, № 2, стр. 607-614, 2004. https://doi.org/10.1109/tia.2004.824495
8. А. Будиаф, С. Буазабиа, Н. Харид и М.Л. Амрани, Аналитический расчет порога частичного разряда в газовой полости внутри изоляции высоковольтного кабеля.Электротехника, том 104, № 2, стр. 555-565, 2021. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01310-9
9. Т. Кадзи, Х. Асаи, Т. Нозу, Х. Кодзима и Н. Хаякава, Напряжение начала частичного разряда при импульсном напряжении инвертора с учетом взаимодействия факторов окружающей среды.IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, том 140, № 7, стр. 349-356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349
10. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com