Выбор диэлектрика класса I для источников питания CO2-лазеров

Выбор диэлектрика класса I для источников питания CO2-лазеров

Резюме

В технической документации указаны емкость и номинальное напряжение при 25 °C без смещения. Источник питания CO2-лазера работает при 85 °C и 80 % от номинального напряжения, и здесь происходит разделение двух классов диэлектриков. Компонент класса II может потерять 55 % своего значения, получить в 20-40 раз больший коэффициент потерь и вызвать вибрацию платы за счет пьезоэлектрического эффекта. В данной статье приведены измеренные различия и правила выбора для каждого положения в цепи.

1. Введение

Два высоковольтных керамических конденсатора могут иметь номинальную емкость 1000 пФ и напряжение 15 кВ, но отличаться по цене в 3-5 раз. В дешевом конденсаторе используется диэлектрик класса II, например, X7R или Y5U, а в дорогом — диэлектрик класса I, например, N4700.

Указанные в технической документации значения получены в стандартных условиях испытаний: 25 °C, 1 кГц или 1 МГц, без смещения. Питание лазера осуществляется при температуре от 25 °C до 85 °C, переключается с постоянного тока на частоты в десятки мегагерц и подает напряжение от 80 % до 100 % от номинального.

В этих условиях два класса ведут себя как разные компоненты. Компонент класса II теряет емкость под воздействием напряжения и тепла, увеличивает коэффициент потерь под воздействием тепла и изменяет свое значение со временем из-за старения. Компонент класса I сохраняет свое значение во всем диапазоне.

В этой статье рассматриваются существенные различия, лежащие в основе этих цифр, четыре типа отказов, возникающих в результате неправильного выбора, и правила выбора для каждой позиции в цепочке поставок.

2. Основной механизм

2.1 Материальная разница

В качестве диэлектрика I класса используется титанат магния или титанат кальция. Кристаллическая решетка симметрична, поэтому диполи реагируют на приложенное поле линейно. Диэлектрическая проницаемость находится в диапазоне от 15 до 50, что является низким показателем, а потери остаются ниже 0.1 %.

В качестве диэлектрика II класса используется титанат бария или его легированная версия. Этот материал является сегнетоэлектриком, и его домены перемещаются и переключаются под действием электрического поля. Диэлектрическая проницаемость достигает 1500–15000, что позволяет создавать миниатюрные компоненты, и это значение зависит от температуры и напряжения смещения.

2.2 Емкость относительно постоянного смещения

Первое различие между классами заключается в смещении. Номинальная емкость конденсатора X7R в 1000 пФ составляет 920 пФ при 20 % от номинального напряжения, 750 пФ при 50 % и 450 пФ при полном номинальном напряжении.

Уровень предвзятости	значение X7R	Изменение X7R	Значение N4700	Изменение N4700
0%	1000 пФ	0%	1000 пФ	0%
20%	920 пФ	−8%	999 пФ	−0.1%
50%	750 пФ	−25%	998 пФ	−0.2%
80%	580 пФ	−42%	997 пФ	−0.3%
100%	450 пФ	−55%	996 пФ	−0.4%

В схеме используется резонансный конденсатор емкостью 1000 пФ, указанный в техническом описании, с общей емкостью 450 пФ. Резонансная точка смещается вместе с ним, и источник питания, прошедший стендовые испытания при низком напряжении смещения, расстраивается при полном напряжении.

2.3 Сдвиг частоты вследствие изменения емкости

Резонансная точка определяется значением емкости, поэтому ошибка емкости превращается в ошибку частоты. Эти два члена связаны соотношением квадратного корня.

f_r = 1 / (2π · √(L · C))

где f_r — резонансная частота в Гц, L — резонансная индуктивность в Гн, а C — резонансная емкость в Ф. Индуктор с индуктивностью 50 мкГн и емкостью 1000 пФ резонирует на частоте 712 кГц, а тот же индуктор с емкостью 450 пФ — на частоте 1.06 МГц.

Δf_r / f_r = −0.5 · ΔC / C

где Δf_r — сдвиг частоты в Гц, f_r — расчетная частота, C — номинальная емкость в Ф, а ΔC — погрешность относительно этой номинальной частоты. Снижение емкости на 40 % повышает резонансную частоту на 20 %.

2.4 Теплопотери и старение

Коэффициент потерь преобразует реактивную мощность в тепло. Деталь класса II работает с коэффициентом потерь от 2% до 2.5% при 25 °C и от 4% до 5% при 85 °C, в то время как деталь класса I остается ниже 0.1% при обеих температурах.

P_loss = 2π · f · C · V_rms² · DF

где P_loss — рассеиваемая мощность в Вт, f — частота в Гц, C — емкость в Ф, V_rms — среднеквадратичное напряжение на компоненте в В, а DF — коэффициент потерь. При частоте 100 кГц и токе 20 А через компонент емкостью 1000 пФ корпус X7R рассеивает от 8 Вт до 17 Вт, а корпус N4700 — от 0.3 Вт до 0.7 Вт.

Старение добавляет к этому медленный фактор. Деталь класса II теряет от 1% до 3% своей стоимости за десятилетие работы, поэтому значение емкости детали, измеренное при 1000 пФ, падает до 910 или 960 пФ после 100 000 часов работы. Повторное приложение высокого напряжения восстанавливает доменную структуру, и значение резко возрастает, после чего начинается снова медленный спад.

C(t) = C_0 · (1 − k_a · log10(t / t_0))

где C(t) — емкость через время t в Ф. C_0 — значение в момент времени t_0, а k_a — скорость старения за декаду. Деталь класса I не содержит ферроэлектрических доменов, поэтому k_a остается равным нулю в течение 10 и 20 лет.

Рис. 1 — Микросхема X7R выдерживает 450 пФ из своих 1000 пФ при полном смещении, в то время как микросхема N4700 выдерживает 996 пФ, что сдвигает резонансную точку на 20 %.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Резонансный каскад выходит из режима мягкого переключения.

В каскаде LLC резонансный конденсатор смещен на 80 %, и компонент класса II теряет при этом 40 % своего значения. Резонансная частота повышается на 20 %, что выводит рабочую точку за пределы индуктивной области. Потери при переключении возрастают, КПД падает с 92 % до менее 75 %, и устройства перегреваются.

Устройство успешно проходит стендовые испытания при низком напряжении смещения, но выходит из строя в полевых условиях при полном напряжении. Неисправность, по всей видимости, связана с самим устройством и локализована в конденсаторе.

Проблема 2: Согласующая сеть сбивается с ритма.

В холодном состоянии ВЧ-каскад настраивается на КСВ ниже 1.1. Через час КСВ достигает 1.5–2.0, усилитель отключается в защитном режиме, и лазер теряет от 20% до 30% своей выходной мощности. Дрейф емкости под воздействием тепла и смещения объясняет наблюдаемую закономерность.

Повторная настройка восстанавливает показания, но не фиксирует их, поскольку следующий прогрев снова изменяет значение. Деталь класса I, установленная в правильном положении, устраняет дрейф в его источнике.

Проблемный момент 3: Дрожание луча из-за пьезоэлектрического отклика

Корпус из титаната бария деформируется под воздействием переменного поля, поэтому конденсатор давит на плату на частоте возбуждения. Вибрация передается через контакты и шасси к оптическим креплениям.

В микрообработке это движение проявляется в виде дрожания направления луча при длине волны более 2 мкм, что приводит к выходу положения отверстия за пределы допуска при длине волны менее 50 мкм. Деталь класса I не содержит ферроэлектрических доменов и не создает механического движения.

Проблема 4: Замена, соответствующая только данным в технической документации.

При проверке замен часто сравнивают номинальную емкость и номинальное напряжение, и на этом останавливаются. При этом не проверяются характеристики смещения, температурный коэффициент, коэффициент потерь и скорость старения, поэтому заменяемая деталь соответствует статическим параметрам, но не отвечает динамическим.

В результате получается комплектующий, который проходит заводские испытания и деградирует в течение первого года. 72-часовая работа при рабочем напряжении и температуре, с регистрацией пульсаций и эффективности, позволяет отличить два типа деталей, прежде чем замена будет одобрена.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Разместить диэлектрик класса I в каждом резонансном и согласующем положении.

Эти положения преобразуют ошибку емкости в ошибку частоты или ошибку согласования, и обе они приводят к снижению выходной мощности. Компонент класса I, такой как N4700 Значение составляет ±30 ppm/°C, поэтому повышение температуры на 40 °C сдвигает значение на 0.12 % и резонансную точку на 0.06 %.

Положение цепи	диэлектрический	Причина
резонансный конденсатор ООО	Класс I, N4700	задает резонансную частоту и кривую усиления.
ВЧ согласующий конденсатор	Класс I, N4700	задает точку согласования и отраженную мощность.
Межступенчатый множитель	Предпочтение отдается кандидатам с классом I.	Разница в значениях приводит к дисбалансу напряжений на каскадах.
Выходной фильтр	Предпочтение отдается кандидатам с классом I.	Потеря значения при смещении уменьшает ослабление фильтра.
Обход и развязка	Принят класс II	Допустимые отклонения значений и дрейф не являются критическими.

Стратегия 2: Считать емкость в рабочем положении.

Запросите кривую зависимости емкости от напряжения смещения и вычислите значение в рабочей точке до момента окончательного утверждения проекта. Компонент класса II может потерять до 45 % своего значения в этой точке, поэтому проект, использующий номинальное значение, будет работать с расстройкой с первого дня.

Поддерживайте рабочее напряжение ниже 70 % от номинального значения там, где это позволяет положение устройства. Этот предел позволяет избежать крутого участка кривой смещения и оставляет запас для переходных процессов.

Стратегия 3: Проверьте значение во всем диапазоне температур.

Подтвердите емкость на холодном и горячем концах и проверьте оба параметра дрейфа вместе. Смещение и температура суммируются, поэтому у нагретого, полностью смещенного компонента класса II значение может составлять от 35% до 40% от номинального значения.

Деталь класса I обеспечивает погрешность ±0.12 % при повышении температуры на 40 °C и менее ±0.6 % при наличии смещения. Таким образом, один набор параметров схемы охватывает холодный и горячий блоки.

Стратегия 4: Рассматривать фактор потерь как параметр отбора.

Коэффициент потерь определяет самонагрев, а самонагрев определяет дрейф и срок службы. Для любой детали, пропускающей пульсирующий ток, коэффициент потерь должен быть ниже 0.1 % на рабочей частоте.

A HVR-BSP толстопленочный резистор В цепи разряда или выравнивания напряжения сохраняется тот же температурный коэффициент, что и у конденсатора, поэтому делитель не смещается относительно измеряемой части.

An резистор выборки HVRGXP При ±25 ppm/°C обратная связь по напряжению остается на той же кривой, что и конденсаторная батарея.

Стратегия 5: Перед утверждением протестируйте замену под нагрузкой.

Измерьте эффективную емкость и коэффициент потерь при рабочем напряжении и рабочей температуре. Запустите компонент в реальной схеме на 72 часа и запишите дрейф. Сравните пульсации, КПД и стабильность мощности с исходным компонентом.

Примените ту же процедуру для отечественных деталей, деталей от другого поставщика или более дешевых альтернатив. Таблица перекрестных ссылок, в которой указаны кривые смещения и темпы старения для каждого кандидата, сократит этот процесс анализа.

Добавить быстровосстанавливающийся диод с временем восстановления менее 100 нс до выпрямительного каскада и поддержанием времени восстановления в пределах 20 нс по всей цепи. Медленный участок разбалансирует напряжения каскадов так же, как и конденсатор с низким сопротивлением.

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 источников питания лазеров.

Материал N4700 охватывает резонансные, согласующие, умножительные и фильтрующие элементы с одной кривой дрейфа, поэтому единый набор параметров проектирования сохраняется при любом напряжении питания. Компания HVC производит этот ассортимент на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ, с данными измерений для каждого элемента.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Линейность смещения ниже 1 % в диапазоне напряжений от 0 до 100 % от номинального. Значение при 3 кВ совпадает со значением при 30 кВ, поэтому номинальное значение сразу же учитывается при проектировании.
• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C. При повышении температуры на 40 °C значение изменяется на 0.12 %, а весь диапазон от −55 °C до +125 °C остается в пределах ±0.4 %.
• Коэффициент потерь ниже 0.1 % при всех температурах и частотах. При 100 кГц и 20 А самонагрев составляет от 0.3 Вт до 0.7 Вт, тогда как для компонентов класса II он составляет от 8 Вт до 17 Вт.
• Пьезоэлектрический отклик отсутствует. В теле отсутствуют сегнетоэлектрические домены, поэтому оно не совершает механического движения под воздействием высокочастотного поля.
• Отсутствие деградации из-за старения. Ценность сохраняется в течение 10 и 20 лет, поэтому предложение не снижается на протяжении всего срока службы.
• Координированные компоненты. HVCT8G винтовые клеммы для согласующего и резонансного положений, толстопленочные резисторы для делителя и согласованные выпрямительные диоды для умножительного и выпрямительного каскадов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты — в течение 6–10 недель. К каждому заказу прилагается отчет о емкости, показания коэффициента потерь на рабочей частоте, данные о частичном разряде ниже 5 пКл и кривая смещения. Перекрестная ссылка В таблице представлены аналоги тепловых насосов Murata DHS, TDK UHV и Vishay HVCC.

Передайте положение схемы, рабочее напряжение смещения, диапазон температур, пульсационный ток и предел дрейфа. HVC вернет значение емкости в рабочей точке, номер детали и два образца для 72-часового запуска.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему два конденсатора с одинаковыми характеристиками стоят по-разному?

Поскольку значения, указанные в техническом описании, измеряются при 25 °C без смещения, деталь класса II сохраняет свои значения только в этих условиях, а деталь класса I — также при 85 °C и 80 % смещении. Разница в цене в 3-5 раз обеспечивает стабильность, а коэффициент потерь различается в 20-40 раз.

В2: Какую емкость теряет компонент класса II в источнике питания лазера?

Отклонение до 55 % при полном номинальном напряжении смещения и от 35 % до 40 % после нагрева. При 100 % смещении микросхема X7R емкостью 1000 пФ показывает значение 450 пФ, и это значение падает на 2 % до 5 % на каждые последующие 10 °C. Для микросхемы класса I отклонение составляет 0.1 % при 20 % смещении и 0.4 % при полном номинальном напряжении.

В3: В каких областях необходимо использовать диэлектрик класса I?

Резонансный конденсатор и ВЧ-согласующий конденсатор. Оба преобразуют ошибку емкости в ошибку частоты или согласования, а изменение на 5 % приводит к снижению выходной мощности. Используйте компоненты класса I также в каскадах умножения и выходном фильтре, а компоненты класса II оставьте для шунтирования и развязки.

Вопрос 4: Что делает пьезоэлектрический эффект в лазере?

Корпус из титаната бария деформируется на частоте возбуждения и воздействует на плату. Вибрация достигает оптических креплений, и при микрообработке она вызывает дрожание направления луча более 2 мкм. При обработке с точностью менее 50 мкм это дрожание выводит положение отверстия за пределы допуска. Корпус класса I не создает механического движения.

В5: Как оценить более дешевую альтернативу?

Четыре проверки. Измерьте эффективную емкость и коэффициент потерь при рабочем напряжении и температуре. Запустите компонент в схеме на 72 часа и запишите дрейф. Сравните пульсации выходного сигнала, КПД и стабильность мощности. И запросите скорость старения с пределом в 1 % за 10 лет.

В6: В конечном итоге, стоимость детали класса I окажется выше?

Это увеличивает затраты на производство и снижает затраты на обслуживание. Компонент класса II, расположенный в резонансном положении, увеличивает потери при переключении, а КПД падает с 92 % до менее 75 %. Кроме того, он изнашивается на 1 %–3 % за десятилетие работы, поэтому источник питания, прошедший заводские испытания, деградирует в течение первого года эксплуатации.

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 60384-9:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 9: Спецификация: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 2Женева: МЭК, 2015.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, 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. Q. Чен, Y. Ван, X. Чжоу, QM Чжан и S. Чжан, Туннелирование в сильном магнитном поле как ограничивающий фактор максимальной плотности энергии в диэлектрических конденсаторах для хранения энергии.Applied Physics Letters, том 92, № 14, статья № 142909, 2008. https://doi.org/10.1063/1.2903115
8. 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 .
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. 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.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com