Компоненты N4700 с низкими потерями для цепей высокочастотного разряда CO2-лазера

Компоненты N4700 с низкими потерями для цепей высокочастотного разряда CO2-лазера

Резюме

CO2-лазеры переключаются с частоты 20 кГц на 200 кГц, а устройства с ВЧ-возбуждением достигают диапазона МГц. При таких частотах тангенс угла диэлектрических потерь перестает быть постоянной величиной, указанной в технических характеристиках, и становится основным источником тепла внутри детали. Корпус класса II также теряет емкость из-за нагрева и смещения, поэтому резонансная точка смещается, а окно мягкого переключения сужается. В этой статье приводится уравнение потерь, четыре варианта отказов в полевых условиях и диэлектрические параметры, которые удерживают источник питания лазера в расчетном состоянии.

1. Введение

Два высоковольтных элемента могут иметь одинаковое номинальное напряжение 10 кВ и одинаковую емкость 4700 пФ, и при этом вести себя на стенде как разные компоненты. Один работает 5,000 часов и сохраняет свои значения. Другой самонагревается, его характеристики изменяются на 10%, и он трескается в течение 300 часов.

Зазор находится в диэлектрике. Источник питания CO2-лазера переключается между частотами 20 кГц и 200 кГц, а устройство с ВЧ-возбуждением работает на более высоких частотах. Потери мощности зависят от частоты, поэтому потери, которые кажутся безобидными в сети переменного тока, становятся основным источником тепла на частоте 100 кГц.

Деталь класса II общего назначения имеет тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ) от 1% до 3%, и это значение увеличивается по мере нагревания корпуса. Деталь класса I N4700 имеет tan δ ниже 0.1% и сохраняет его в диапазоне температур от −40 °C до +125 °C. При частоте 100 кГц и токе 20 А среднеквадратичного значения этот разрыв определяет, будет ли корпус работать при температуре 40 °C или 110 °C.

В этой статье рассматривается механизм потерь, четыре типа отказов в полевых условиях, возникающих при выборе класса II, а также этапы проектирования, позволяющие сохранить резонансную точку в том положении, которое было определено в ходе моделирования.

2. Основной механизм

2.1 Мощность потерь зависит от частоты

Диэлектрические потери преобразуются в тепло внутри тела. Мощность зависит от частоты, емкости, напряжения и тангенса угла диэлектрических потерь.

P_loss = 2 · π · f · C · V² · tan δ

где P_loss — тепловыделение в Вт, f — рабочая частота в Гц, C — емкость в Ф, V — пиковое напряжение на компоненте в В, а tan δ — тангенс угла диэлектрических потерь.

Уравнение иллюстрирует проблему. Напряжение питания, изменяющееся с 50 Гц до 100 кГц, повышает частоту f в 2,000 раз, и вместе с этим повышается и тепловыделение. Микросхема X7R, работающая без перегрева от сети, перегревается в лазерном источнике питания, и тепловыделение снова повышается до tan δ.

Затем организму необходимо отдать это тепло в воздух или на радиатор.

ΔT = P_loss / (k · A)

где ΔT — повышение температуры тела в °C, k — теплопроводность в Вт/°C, а A — площадь излучения в см². При потерях 4 Вт и теплопроводности 0.08 Вт/°C повышение температуры достигает 50 °C.

Корпус с винтовым креплением отводит тепло через винт в опорную пластину. Его тепловое сопротивление составляет менее половины сопротивления корпуса с выводами, поэтому те же 4 Вт обходятся гораздо дешевле.

2.2 Дрейф емкости сдвигает резонансную точку

Температурный коэффициент N4700 составляет ±30 ppm/°C. При повышении температуры более чем на 50 °C значение изменяется на ±0.15%.

ΔC/C = TCC · ΔT

где ΔC/C — относительное изменение, TCC — температурный коэффициент в ppm/°C, а ΔT — повышение температуры тела в °C. Деталь X7R при том же повышении температуры смещается на 10–15%.

Резонансная частота зависит от емкости.

f_r = 1 / (2 · π · √(L · C))

где f_r — резонансная частота в Гц, L — резонансная индуктивность в Гн, а C — резонансная емкость в Ф. Частота масштабируется обратно пропорционально квадратному корню из C, поэтому изменение значения на 1% сдвигает резонансную точку на 0.5%.

Таким образом, повышение температуры на 50 °C сдвигает параметр N4700 на ±0.075%, что приводит к снижению его характеристик ниже уровня измерительного прибора. Аналогичное повышение температуры сдвигает параметр X7R на ±7.5%, что выводит рабочую точку за пределы диапазона мягкого переключения и снижает КПД на несколько пунктов.

2.3 Коэффициент качества и последовательное сопротивление

Q сравнивает энергию, которую деталь запасает, с энергией, которую она теряет.

Q = 1 / tan δ = X_C / ESR

где Q — добротность, X_C — реактивное сопротивление в Ом, а ESR — последовательное сопротивление в Ом. Компонент класса N4700 достигает добротности выше 2,000 при 100 кГц и 4700 пФ. Компонент класса II с тем же значением достигает добротности от 50 до 100.

Высокое значение добротности Q поддерживает резонансный ток на заданном уровне амплитуды. Этот ток разряжает емкость устройства в течение мертвого времени, поэтому значение добротности Q определяет запас мягкого переключения при полной нагрузке.

2.4 Дрейф смещения и пьезошум

Диэлектрическая проницаемость класса II снижается с увеличением постоянного напряжения смещения. При номинальном напряжении смещения компонент теряет от 20% до 40% своего значения, поэтому резонансная точка смещается между импульсом зажигания и фазой поддержания. У N4700 смещение составляет менее 0.5% во всем диапазоне напряжения смещения от 0 до 100%.

Корпус из титаната бария также меняет форму под воздействием переменного электрического поля. Этот пьезоэффект создает слышимый шум при частоте переключения. После 1,000–3,000 часов в керамике образуются микротрещины, которые становятся путями утечки. Линейный диэлектрик не имеет ферроэлектрических доменов, поэтому его пьезоэлектрический выход остается в диапазоне фКл/Н.

Рис. 1 — Две детали с одинаковыми номинальными параметрами 10 кВ и 4700 пФ расположены на расстоянии 3.8 Вт потерь и 40 °C повышения температуры тела друг от друга, поскольку диэлектрическая проницаемость задается тангенсом угла диэлектрических потерь (tan δ).

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Потеря сигнала резко возрастает на частоте 100 кГц.

Микросхема X7R, используемая в качестве резонансного конденсатора LLC на частоте 100 кГц и токе 20 А среднеквадратичного значения, потребляет от 3 до 5 Вт. Температура корпуса повышается на 40–60 °C, тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ) увеличивается с повышением температуры, а потери растут с увеличением tan δ. Затем происходит изменение цвета корпуса, после чего — термический пробой.

Проблема 2: Сбой сужает окно мягкого переключения.

Падение значения на 10% смещает резонансную точку на 5–8%. Устройство теряет возможность включения при нулевом напряжении, на графике тока стока отображается полное напряжение шины на фронте переключения, а температура перехода за считанные минуты повышается на 40 °C.

Проблема №3: ​​Несовместимость холодного и горячего запуска

При включении питания температура корпуса составляет около 25 °C, эффект смещения слабый, а резонансная точка соответствует расчетной. Через 2 часа температура корпуса достигает около 75 °C, значение снижается, и контур управления срабатывает по сигналу перенапряжения. Ни один набор параметров не охватывает оба конца этого периода.

Болевой пункт 4: Пьезоэлектрическая усталость и частичный разряд

При частоте 100 кГц и напряжении 50 кВ/мкс сегнетоэлектрическое тело вибрирует, и происходит разряд его доменных стенок. Каждое такое событие переносит заряд от 5 до 20 пКл, что немного, но частота достигает 200 000 событий в секунду. Сопротивление изоляции падает через 6–12 месяцев, и неисправность проявляется в виде короткого замыкания.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использовать N4700 класса I на каждой ВЧ-станции.

Примените материал класса I к резонансной части, цепи умножителя и выходному фильтру. В частях умножителя наблюдается более высокое значение dV/dt, чем в резонансной части, поэтому выбор материала класса II в этих частях переносит ту же неисправность на более позднюю стадию.

Стратегия 2: Указать показатель потерь в точке эксплуатации.

Укажите значение tan δ на частоте 100 кГц для компонента емкостью 4700 пФ при среднеквадратичном токе 20 А. Погрешность измерения должна быть ниже 0.1%. Значение, указанное в техническом описании и измеренное на частоте 1 кГц, не позволяет предсказать потери при частоте переключения, поскольку tan δ возрастает с частотой.

Стратегия 3: Приобретите резонансную деталь с жесткими допусками.

Заказ следует заказывать с точностью ±2% или точнее, а поступающую партию сортировать с точностью до ±1%. Недостаток в ±5% сдвигает резонансную частоту на ±2.5% и сужает окно мягкого переключения на 15%, что ни один контур управления не сможет компенсировать при частоте питания 200 кГц.

Стратегия 4: Используйте корпус с винтовым креплением для наиболее интенсивного использования.

Компонент с выводным проводом имеет эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) от 10 до 30 нГн и длинный путь тепловыделения. Компонент с винтовым креплением, например, HVCT8G Он пропускает электростатический ток от 2 нГн до 5 нГн и отводит тепло через шнек к опорной плите, что уменьшает подъем более чем вдвое.

Стратегия 5: Проверка партии перед сборкой.

Испытание проводилось в течение 48–72 часов при напряжении, в 1.2–1.5 раза превышающем номинальное, и при номинальной температуре. Устройства с пустотами или тонким диэлектрическим слоем выходят из строя на этом этапе проверки, а не в процессе эксплуатации, и проверка также подтверждает показатели потерь в партии.

Стратегия 6: Сопоставьте детали вокруг резонансного конденсатора.

Удерживайте кнопку HVRGXP Внутри контура измерения используется резистор с допуском ±1% и температурой 100 ppm/°C, поэтому контур считывает реальный резонансный ток. Значение датчика, которое изменяется на 5% при нагреве, заставляет контур корректировать резонансный ток, которого на самом деле нет.

Смягчите фронт переключения с помощью HVR-BSP Демпфирующий резистор, подключенный параллельно выпрямителю и подобранный с учетом энергии восстановления каскада. Слишком большой демпфирующий резистор преобразует потери в тепло на резисторе, а не на диоде.

Стратегия 7: Не допускайте попадания резонансной петли в контур восстановления выпрямителя.

Использовать быстровосстанавливающийся диод На выходном каскаде время обратного восстановления составляет менее 100 нс. Медленный диод подает в петлю импульс тока восстановления, который добавляется к резонансному току, который должен пропускать компонент.

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 высокочастотного разряда

Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для позиций, по которым протекает высокочастотный ток, и контролирует показатели потерь и дрейфа, определяющие подъем напряжения в корпусе. Серийные поставки осуществляются производителям промышленных лазеров с собственного завода площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ) ниже 0.1% при 100 кГц. При среднеквадратичном токе 20 А повышение температуры тела остается в пределах 10 °C, поэтому потери не суммируются с нагревом.
• Значение TCC составляет ±30 ppm/°C. При повышении температуры более чем на 50 °C значение изменяется на ±0.15%, поэтому резонансная точка смещается менее чем на ±0.08%, и окно мягкого переключения сохраняется.
• Добротность Q выше 2,000 на частоте 100 кГц. Циркулирующий ток остается низким, а резонансный ток поддерживает амплитуду, необходимую для мертвого времени.
• Дрейф смещения составляет менее 0.5% в диапазоне от 0 до 100% номинального напряжения. Один набор параметров поддерживает кривую усиления на протяжении импульса зажигания и фазы поддержания.
• Выходная мощность пьезоэлемента в диапазоне фКл/Н. Отсутствие слышимого шума и микротрещин в керамике от вибрации частотой 100 кГц за 10 лет эксплуатации.
• Координированные компоненты. Керамические дисковые конденсаторы закройте фильтрующую ступень, HVR-BSP Резисторы закрывают демпфирующий контур, а выпрямительные диоды — цепь умножителя, и все это от одного поставщика с одним набором данных.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а конденсаторы или элементы крепления, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Заказы включают данные по тангенсу угла диэлектрических потерь (tan δ) и эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR) на рабочей частоте, кривую дрейфа смещения и т. д. Перекрестная ссылка таблица результатов в сравнении с сериями Vishay HVCC, Murata DHS и TDK UHV.

Отправьте частоту переключения, среднеквадратичный ток, класс напряжения и монтажную схему. HVC вернет список компонентов с показателем потерь на частоте 100 кГц, кривую дрейфа смещения и два образца для лабораторного тестирования.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему две детали с одинаковым номинальным напряжением служат разное время?

Номинальные характеристики определяют напряжение, которое выдерживает деталь, а диэлектрик определяет выделяемое ею тепло. Деталь класса II с тангенсом угла диэлектрических потерь (tan δ) 2% потребляет 4 Вт при частоте 100 кГц и токе 20 А среднеквадратичного значения, тогда как деталь класса I потребляет 0.2 Вт. Нагрев увеличивает tan δ, а tan δ, в свою очередь, увеличивает тепловыделение.

В2: Какой показатель потерь должен быть указан в техническом описании?

tan δ на рабочей частоте, на части рабочего значения, при рабочем токе. Запросите значение на частоте 100 кГц для компонента 4700 пФ при 20 А среднеквадратичного значения. Значение, указанное на частоте 1 кГц, в 20-100 раз ниже и не предсказывает повышение напряжения в корпусе.

В3: На какое расстояние смещается резонансная точка при повышении температуры на 50 °C?

Деталь N4700 отклоняется на ±0.075%, что ниже предела измерения. Деталь X7R отклоняется на ±7.5%, чего достаточно, чтобы вывести рабочую точку за пределы диапазона мягкого переключения. Соотношение 100 к 1 обусловлено температурным коэффициентом: ±30 ppm/°C против −30% до +15%.

Вопрос 4: Требуются ли компоненты класса I также для каскадов умножения и фильтрации?

Да. В умножительных элементах наблюдается более высокое значение dV/dt, чем в резонансном элементе, до сотен В/мкс, поэтому они несут одинаковый риск потерь и разряда. Элемент класса II в цепочке умножителя просто переносит отказ с резонансного каскада на выходной каскад.

В5: Какой допуск требуется для резонансной части?

±2% или меньше. Допуск ±5% сдвигает резонансную частоту на ±2.5% и сужает окно мягкого переключения на 15%. Допуск ±2% сдвигает его на ±1.0% и сохраняет окно. Сортировка поступающей партии с допуском ±1% требует одного прохода тестирования и устраняет разброс.

В6: Как подтвердить свой выбор перед началом производства?

Проведите испытания двух тестовых образцов в наихудших условиях: наибольшая частота, наибольший среднеквадратичный ток, наибольшая температура окружающей среды. Зарегистрируйте температуру корпуса, емкость и резонансную частоту в течение 100 часов. Повышение температуры корпуса в пределах 10 °C и дрейф значений менее 0.2% подтверждают диэлектрическую проницаемость в данном положении.

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 60825-1:2014, 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. 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
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. 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. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com