Высоковольтные конденсаторы для двухмерного распределения напряжения в пластинчатом CO2-лазере

Высоковольтные конденсаторы для двухмерного распределения напряжения в пластинчатом CO2-лазере

Резюме

В плоскостном CO2-лазере разряд распределяется по плоскому каналу толщиной в несколько миллиметров, поэтому длинный электрод больше не удерживает один потенциал от конца до конца. На электроде длиной 60 см при частоте 13.56 МГц напряжение может отличаться на 30–50% от конца до конца, и плазма концентрируется в ярких областях. В этой статье приведено уравнение стоячей волны, RC-цепь питания, номинальные параметры компонентов и правила компоновки, обеспечивающие равномерность плоскостного разряда мощностью 10 кВт.

1. Введение

В традиционном быстродействующем осевом CO2-лазере используется цилиндрическая трубка с кольцевыми электродами, а газ течет вдоль оси. По мере увеличения длины трубки мощность накачки и качество моды становятся ограничивающими факторами.

Плоский лазер преобразует область разряда в плоский прямоугольный канал с узким зазором. Зазор составляет несколько миллиметров, а электроды представляют собой большие металлические пластины, покрывающие всю верхнюю и нижнюю поверхности.

Плоская структура хорошо охлаждается, поскольку путь от источника тепла к водяной пластине составляет всего несколько миллиметров. Зазор волновода также способствует распространению мод низкого порядка, поэтому качество пучка высокое, а площадь разряда на единицу объема велика.

Большая площадь поверхности создает проблему проектирования. Если напряжение на электроде длиной 60 см изменяется, то и разряд изменяется соответственно. В одном и том же канале появляются светлые и темные области, и выходной луч отображает эту картину.

2. Основной механизм

2.1 Электрод как линия передачи

На частотах 13.56 МГц или 27.12 МГц длинный электрод перестает действовать как единая эквипотенциальная поверхность. Он действует как участок линии передачи, и волна напряжения распространяется вдоль него. Несогласованный дальний конец отражает волну, и образуется стоячая волна.

Напряжение на электроде следующее:

V(x) = V_0 · cos(2πx / λ) · e^(−αx)

Где V(x) — напряжение на расстоянии x от точки питания в кВ, V_0 — напряжение питания в кВ, λ — длина волны внутри электродной структуры в см, а α — коэффициент затухания в 1/см. Длина волны внутри структуры короче, чем значение в свободном пространстве, равное 22 м на частоте 13.56 МГц, поскольку диэлектрик и геометрия электродов замедляют волну.

Полезное эмпирическое правило: когда длина электрода достигает λ/4, разность напряжений между двумя концами оказывается в диапазоне от 30% до 50%. В этом случае один конец разряжается на полной мощности, а другой конец вообще не может пробиться.

2.2 Плазменная нагрузка усугубляет неоднородность.

Газовый разряд представляет собой нелинейную нагрузку. В области с сильным разрядом проводимость плазмы высока, а параллельное сопротивление R_p низкое. Согласующая цепь настроена на среднее значение R_p, поэтому область, отклоняющаяся от этого среднего значения, потребляет другую долю ВЧ-мощности.

В результате возникает положительная обратная связь. Область, изначально обладающая высокой энергией, поглощает больше энергии, плотность плазмы в ней возрастает, импеданс падает, и она поглощает еще больше энергии. Область, изначально обладающая низкой энергией, остается слабой. Эта закономерность закрепляется в течение нескольких сотен микросекунд.

Изменение точки подачи само по себе не может разорвать этот цикл. Как точечная, так и центральная подача создают градиент напряжения вдоль электрода, и именно этот градиент определяет первоначальный дисбаланс.

2.3 Распределенная сеть питания RC

Распределенная сеть подает питание на электрод во многих точках как по длине, так и по ширине. Каждый небольшой участок электрода подключается к радиочастотной шине через две последовательно соединенные части.

Разделительный конденсатор блокирует постоянное смещение и пропускает радиочастотный сигнал. Последовательно включенный резистор ограничивает ток, который может потреблять любой отдельный участок. Когда участок потребляет слишком большой ток, его резистор нагревается, его сопротивление возрастает, и ток падает. Схема обеспечивает локальную отрицательную обратную связь в каждой точке питания.

Импеданс ответвления должен оставаться достаточно низким, чтобы пропускать ВЧ-ток, и достаточно высоким, чтобы его балластировать:

P_branch = I_branch² · R

Где P_branch — тепловое напряжение в одном из резисторов ветви в Вт, I_branch — среднеквадратичный ток ветви в А, а R — сопротивление ветви в Ом. Система мощностью 10 кВт, разделенная на 16 частей, подает на каждую ветвь около 600 Вт радиочастотной мощности, включая реактивный циркулирующий ток.

Соединительная часть должна выглядеть как короткое замыкание рядом со своим резистором:

X_C = 1 / (2π · f · C)

Где X_C — емкостное сопротивление в Ом, f — радиочастота в Гц, а C — емкость связи в Ф. Выберем C так, чтобы X_C оставалось равным или ниже одной десятой R.

2.4 Расстояние между точками подачи

Количество точек подключения определяется длиной электрода и длиной волны:

N ≥ 2 · L / (λ / 4)

Здесь N обозначает количество точек питания, L — длину электрода в см, а λ — длину волны внутри структуры в см. Для электрода длиной 60 см с внутренней длиной волны 30 см требуется как минимум 4 точки, расположенные с центральной симметрией.

Рис. 1 — Для электрода длиной 60 см на частоте 13.56 МГц требуется четыре точки питания, соединительный элемент емкостью 1 нФ с сопротивлением X_C 12 Ом и резистор ответвления 200 Ом ±1 %.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Номинальная мощность и нагрев резисторов, распределяющих напряжение.

Каждый резистор в ответвлении пропускает ВЧ-ток своей области плюс циркулирующий ток контура. В системе мощностью 10 кВт с 16 ответвлениями одно ответвление выдерживает около 600 Вт. Деталь с небольшим корпусом и без системы охлаждения нагревается до 200 °C, что приводит к расплавлению припоя и изменению сопротивления.

Решение заключается в установке толстопленочного резистора на пластину с водяным охлаждением, закрепленного на шпильке. Номинальная мощность резистора должна быть в 2 раза выше рассеиваемой мощности, а площадь контакта каждого резистора с пластиной должна быть отдельной.

Проблемный момент 2: Потеря прочности и самонагрев в соединительных элементах.

ВЧ-ток через согласующую часть больше, чем ток через её резистор, поскольку по согласующей ветви протекает реактивный циркулирующий ток. Несколько ампер на частоте 13.56 МГц нагревают любую деталь с высоким коэффициентом потерь:

P_d = V² · 2π · f · C · DF

Где P_d — диэлектрические потери в Вт, V — ВЧ-напряжение на компоненте в В, f — частота в Гц, C — емкость в Ф, а DF — коэффициент потерь. Компонент с коэффициентом потерь 1% может достигать мощности в десятки ватт в цепи с большой емкостью. Компонент класса I с коэффициентом потерь ниже 0.1% поддерживает повышение температуры около 5 °C при ВЧ-токе 3 А.

Проблема 3: Паразитная индуктивность сдвигает фазу между ветвями.

Каждая ветвь имеет некоторую индуктивность в своих выводах и теле. Когда эти значения различаются, токи в ветвях перестают иметь одну фазу. В этом случае соседние области подают ток на электрод с немного разными фазами, что приводит к локальным потерям и искажает разряд.

При использовании корпуса с креплением на шпильках или с короткими выводами, поддерживайте индуктивность соединения ниже 5 нГн и сохраняйте зеркальную симметрию разводки ответвлений.

Проблемный момент 4: Остаточное смещение постоянного тока после затухания дуги.

Когда источник ВЧ-сигнала отключается, соединительные элементы сохраняют свой постоянный заряд. Этот заряд суммируется с последующим ВЧ-всплеском, поэтому межэлектродное напряжение превышает нормальный уровень пробоя. Локальный перенапряженный пробой затем повреждает поверхность электрода.

Добавьте разрядный резистор к каждой соединительной части. Часть с сопротивлением 1 МОм и соединительным конденсатором 1 нФ обеспечит начальную постоянную времени около 1 мс.

τ = R · C

Где τ — постоянная времени в мс, R — сопротивление разрядника в МОм, а C — емкость связи в нФ. Сама плазма также удерживает заряд, поэтому подождите несколько секунд до следующего импульса полной мощности.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Отобразить электрод в виде линии передачи.

Измерьте или смоделируйте внутреннюю длину волны и затухание вдоль электрода. Затем установите количество точек питания из N ≥ 2 · L / (λ/4). Используйте коаксиальные кабели одинаковой длины от одного ВЧ-делителя ко всем точкам питания, чтобы фаза оставалась когерентной в плоскости.

Стратегия 2: Выберите сопротивление ответвления из нагрузки балласта.

Поддерживайте сопротивление каждой ветви в пределах от 100 Ом до 500 Ом. При сопротивлении ниже 100 Ом балластный эффект слишком слаб, чтобы скорректировать локальный перегрев. При сопротивлении выше 500 Ом ветвь теряет мощность и происходит падение напряжения на электроде. Соблюдайте допуск в пределах ±1%, а температурный коэффициент сопротивления (TCR) — в пределах ±100 ppm/°C, чтобы сопротивление ветвей оставалось одинаковым при нагреве.

Стратегия 3: Рассчитать параметры соединительной части исходя из целевого значения реактивного сопротивления.

Установите X_C на уровне R/10 или ниже. При R = 200 Ом целевое реактивное сопротивление составляет 20 Ом или меньше, что на частоте 13.56 МГц требует 590 пФ или более. Микросхема класса I емкостью 1 нФ обеспечивает реактивное сопротивление около 12 Ом и хороший запас. Увеличивайте емкость до тех пор, пока микросхема перестанет ограничивать ток в ветви.

Стратегия 4: Добавить устройства для отвода сточных вод и проверить время разряда.

Установите разрядник сопротивлением 1 МОм на каждом соединительном элементе. Проверьте общее время разряда, включая путь плазмы, поскольку плазма сохраняет заряд после прекращения ВЧ-возбуждения. Подождите несколько секунд между выключением и следующим импульсом полного напряжения.

Стратегия 5: Сохраняйте симметрию плоскости.

Зеркальное отображение расположения компонентов и длин дорожек по обе стороны от центра электрода. Асимметричная сеть направляет больше энергии на одну сторону, и пятно луча будет иметь яркий край. Перед первым запуском на полной мощности проверьте симметрию с помощью токового датчика на каждой ветви.

Стратегия 6: Проверьте преобразование импеданса с помощью анализатора цепей.

Измерьте входное сопротивление собранной сети на ВЧ-питании, при установленном электроде и рабочем давлении газа. Убедитесь, что коэффициент трансформации остается постоянным в диапазоне мощности от 10% до 100%. Сеть, которая корректно трансформируется только на полной мощности, обычно имеет слишком низкое сопротивление в ответвлении.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальная мощность (серия HVR)	50 Вт при 70 °C	Алюминиевый корпус, свободный поток воздуха.
Значение сопротивления	10 кОм ±5 %	Референсное значение 25 °C.
Рабочее напряжение	10 кВ переменного/постоянного тока	непрерывный.
Устойчивость к импульсам	30 кВ при 10 мкс	10 импульсов, класс IEC 60110.
Температурный коэффициент (резистивный)	±50 частей на миллион/°C	от −55 °С до +155 °С.
сопротивление изоляции	сопротивление выше 1 ГОм при напряжении 1000 В постоянного тока	Ползучесть не менее 25 мм.
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка.

5. Компоненты HVC для сети с распределением напряжения в плитах.

Для сети с разделением напряжения необходимы две группы компонентов, которые изменяются синхронно: соединительные элементы и балластные резисторы. Компания HVC поставляет оба компонента с согласованными значениями на заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент детерминации ниже 0.1% на частоте 13.56 МГц. N4700 Температура компонентов класса I повышается примерно на 5 °C при протекании ВЧ-тока силой 3 А.
• Коэффициент температурной зависимости составляет ±30 ppm/°C. Реактивное сопротивление ветви сохраняется во всем диапазоне температур, поэтому коэффициент распределения напряжения не изменяется при нагреве электрода.
• Уровень электростатической проводимости ниже 5 нГн. HVCT8G Комплект для монтажа на шпильки обеспечивает короткий путь соединения и поддерживает синхронизацию ответвлений.
• Тепловое сопротивление балласта ниже 4 °C/Вт. толстопленочный резисторс корпусом, крепящимся на шпильках, который прикручивается непосредственно к водонепроницаемой пластине.
• Допуск на согласованное сопротивление составляет ±1%, а температурный коэффициент сопротивления (TCR) находится в пределах ±50 ppm/°C. Компания HVC подбирает компоненты в пары перед отгрузкой, поэтому все ответвления изначально идентичны.
• Сверка с указанными торговыми марками. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. VishayВысокочастотные диапазоны HV от Murata и TDK служат прямой заменой в существующих конструкциях плит перекрытия.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а согласованные комплекты для сетей — в течение 6–10 недель, в то время как для импортных высоковольтных компонентов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи по применению высоковольтного оборудования оказывают поддержку в моделировании линий электропередачи, проектировании точек питания и расчете значений параметров ответвлений.

Укажите размеры пластины, мощность ВЧ-сигнала, частоту и количество ответвлений. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит спецификацию ответвлений с указанием значений емкости и сопротивления, данных о потерях на частоте 13.56 МГц и соответствующих образцов для проверки на оборудовании. Резисторы выборки Измерительные щупы для измерения тока ВЧ-сигнала поставляются в той же партии.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему для пластинчатого лазера требуется более одной точки подключения ВЧ-сигнала?

Поскольку большой электрод ведет себя как линия передачи, волна напряжения отражается от несовпадающего конца и образует стоячую волну, а на электроде длиной 60 см два конца могут отличаться на 30–50% на частоте 13.56 МГц. Одна точка питания сохраняет этот градиент, поэтому разряд концентрируется там, где напряжение высокое.

В2: Сколько точек подключения необходимо для электрода длиной 60 см?

Четыре или более для внутренней длины волны около 30 см. Правило: N ≥ 2 · L / (λ/4), что дает N ≥ 4 для L = 60 см и λ = 30 см. Распределите их с центральной симметрией и подавайте на них сигналы через кабели одинаковой длины от одного ВЧ-делителя.

В3: Какова должна быть емкость соединительной части?

Установите X_C равным или меньшим одной десятой сопротивления ветви. При R = 200 Ом целевое значение составляет 20 Ом или меньше, а при 13.56 МГц минимальное значение равно 590 пФ. В большинстве схем используется 1 нФ, что позволяет достичь примерно 12 Ом и поддерживать низкое реактивное сопротивление во всем диапазоне мощностей.

Вопрос 4: Почему резисторы, распределяющие напряжение, так сильно нагреваются?

Поскольку по каждой ветви проходит радиочастотный ток плюс циркулирующий ток контура. При мощности 10 кВт, распределенной на 16 частей, одна ветвь выдерживает около 600 Вт. Используйте компонент с креплением на шпильках на пластине с водяным охлаждением, оцените его мощность как в 2 раза превышающую рассеиваемую мощность и обеспечьте каждой детали собственную площадь контакта.

В5: Почему на одной стороне разряда виден яркий край?

Асимметричная сеть. Когда длины дорожек или значения компонентов различаются между двумя половинами плоскости электродов, одна сторона потребляет больше энергии, и пятно луча отображает соответствующую картину. Перед первым запуском на полной мощности зеркально отобразите схему и проверьте токи ветвей с помощью зонда.

В6: Нужны ли мне разрядные резисторы на соединительных элементах?

Да. После отключения источника ВЧ-сигнала в соединительных элементах сохраняется постоянный заряд, который добавляется к следующему подъему напряжения. Затем межэлектродное напряжение превышает нормальный уровень пробоя и повреждает поверхность электрода. Разрядник сопротивлением 1 МОм с элементом емкостью 1 нФ обеспечивает начальную постоянную времени 1 мс.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
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. Р. Сарати и Г. Коперундеви, Исследование активности частичных разрядов отдельных проводящих частиц в трансформаторном масле при постоянном напряжении с использованием метода УВЧ.IET Science, Measurement & Technology, том 3, № 5, стр. 325-333, 2009. https://doi.org/10.1049/iet-smt.2008.0136
8. 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.
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. МЭК 60358-1:2025, Разделительные конденсаторы и делители напряжения на конденсаторах – Часть 1: Общие правила, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2025.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com