Выбор IGBT, MOSFET и искрового разрядника для источников питания CO2-лазеров

Выбор IGBT, MOSFET и искрового разрядника для источников питания CO2-лазеров

Резюме

Источником питания CO2-лазера может быть непрерывный режим работы, квазинепрерывный импульс, импульс TEA или ВЧ-возбуждение, и каждый режим по-разному нагружает переключатель. MOSFET достигает 2 кВ и 100 нс, IGBT — 6.5 кВ с хвостовой частью 1 мкс, а искровой разрядник — 100 кВ с фронтом 10 нс и временем жизни импульса 10⁷. В этой статье приводятся границы каждого устройства, уравнения потерь и балансировки, четыре типа отказов при выборе и пассивная сеть, которая их поддерживает.

1. Введение

Источник питания CO2-лазера работает в одном из четырех режимов: непрерывный, квазинепрерывный импульсный, импульсный (TEA) или радиочастотное возбуждение. Каждый режим нагружает переключатель по-разному, и ни одно устройство не охватывает все четыре режима.

MOSFET переключается за 10–100 нс и выдерживает напряжение до 2 кВ. IGBT выдерживает напряжение от 1.2 до 6.5 кВ и переключается за 0.1–5 мкс. Искровой разрядник выдерживает десятки киловольт и тысячи ампер, переключается за 1–50 нс и изнашивается в процессе эксплуатации.

В большинстве технических паспортов таблица выбора параметров ограничивается напряжением и током. Неисправности возникают из-за рабочих параметров: последовательная цепь, плохо распределяющая напряжение, ток утечки, удваивающий потери при выключении на частоте 50 кГц, или зазор, требующий замены электродов каждую неделю.

В этой статье приводятся границы каждого типа устройств, уравнения потерь и распределения, четыре типа отказов, наблюдаемых в источниках питания лазеров, а также данные о конденсаторах и диодах, которые обеспечивают целостность периферийной сети.

2. Основной механизм

2.1 Граничные параметры MOSFET: скорость в зависимости от номинальных параметров

MOSFET — это управляемое напряжением устройство, где напряжение на затворе определяет канал. В источнике питания лазера он работает в качестве главного переключателя в резонансном преобразователе LLC или LCC, а также в каскаде управления триггером TEA.

Максимальное номинальное напряжение составляет около 2 кВ, и сопротивление в открытом состоянии быстро возрастает с его увеличением. У компонента, рассчитанного на 650 В, сопротивление достигает 0.1–0.3 Ом, а у компонента, рассчитанного на 1.7 кВ, — 1–5 Ом на той же площади кристалла.

P_cond = I_rms² · R_DS(on)

где P_cond — потери проводимости в Вт, I_rms — ток стока в А, а R_DS(on) — сопротивление в открытом состоянии в Ом при температуре перехода. При токе 10 А потери возрастают с 10 Вт на участке с напряжением 650 В до 200 Вт на участке с напряжением 1.7 кВ.

Резистор R_DS(on) имеет положительный температурный коэффициент, что способствует распределению тока между параллельно соединенными частями. Пороговое напряжение имеет отрицательный коэффициент, что не способствует распределению тока. Две параллельно соединенные части с разницей в пороговом напряжении 0.5 В различаются по току на 30 % при 25 °C, и эта разница увеличивается по мере того, как более нагретая часть потребляет больший ток.

2.2 Границы IGBT: ток хвоста определяет верхний предел частоты.

IGBT-транзистор сочетает в себе МОП-затвор и биполярную дрейфовую область. Напряжение насыщения находится в диапазоне от 1.5 В до 4 В и остается более стабильным, чем у эквивалентного МОП-транзистора, поэтому транзистор с напряжением 3.3 кВ пропускает 100 А с меньшими потерями, чем последовательная цепочка МОП-транзисторов.

Цена заключается в токе хвоста. При выключении накопленные неосновные носители заряда рекомбинируют в течение 0.5–10 мкс, и коллекторный ток медленно уменьшается в течение этого времени.

E_off = V_dc · I_C · (t_f / 2 + t_tail)

где E_off — энергия выключения в мДж, V_dc — напряжение шины в кВ, I_C — ток коллектора в А, t_f — время спада в мкс, а t_tail — время спада в мкс. При 3 кВ, 100 А, 0.3 мкс и 1 мкс энергия выключения достигает 345 мДж за одно событие.

При частоте 20 кГц энергия составляет 6.9 кВт на устройство, и только на хвостовую составляющую приходится 87% этой энергии. Именно поэтому в большинстве случаев при работе с лазерами частота IGBT остается ниже 50 кГц.

2.3 Граница искрового зазора: экстремальные напряжения, конечное число импульсов

Искровой разрядник пробивается, когда напряжение на его выводах ионизирует газ. Плазменный канал формируется за 1–50 нс и пропускает ток от 100 до 10 000 А, поэтому TEA-лазер переключает импульс 20 кВ без какой-либо последовательной цепи.

Каждый разряд вызывает эрозию электрода. Срок службы составляет от 10⁶ до 10⁸ импульсов, а частота повторения ниже 1 кГц, поскольку газу требуется время для деионизации и восстановления напряжения удержания.

t_service = N_life / (f_rep · 3,600)

где t_service — время работы в часах, N_life — ресурс пары электродов, а f_rep — частота повторения в Гц. Пара из 10⁷ импульсов с частотой 500 Гц обеспечивает 5.6 часов непрерывной работы, поэтому на трехсменном заводе электроды заменяются каждые несколько дней.

2.4 Одна карта границ для трех устройств

Расположите три устройства на одной оси. Частота выше 100 кГц, напряжение шины ниже 1.2 кВ и пиковый ток ниже 100 А указывают на MOSFET. Частота от 10 кГц до 100 кГц, напряжение шины от 1.2 кВ до 4.5 кВ и ток от 50 А до 500 А указывают на IGBT.

Наличие напряжения шины выше 5 кВ с током более 500 А и фронтом импульса около 10 нс указывает на искровой разрядник. При напряжении 20 кВ и токе 2,000 А для твердотельной сборки потребуется от 12 до 16 устройств, соединенных последовательно, и драйвер с разбросом импульсов в 10 нс.

t_sw = t_r + t_f + t_tail + t_dead

где t_sw — время, которое переключатель проводит в переходном режиме, и мертвое время в мкс, t_r — время нарастания, t_f — время спада, t_tail — время окончания импульса и t_dead — мертвое время, все в мкс. IGBT с временем нарастания 0.5 мкс, спада 0.5 мкс, временем окончания импульса 8 мкс и мертвым временем 1 мкс заполняет 10 мкс из 20-мкс периода на частоте 50 кГц.

Рис. 1 — Границы устройства для питания CO2-лазера: напряжение шины, частота и фронт импульса определяют выбор MOSFET, IGBT или искрового разрядника.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: шина 10 кВ, построенная на основе MOSFET-транзисторов напряжением 1.5 кВ.

Для шины 10 кВ требуется 7 или 8 последовательно соединенных MOSFET-транзисторов с номинальным напряжением 1.5 кВ. Распределение напряжения затем происходит в соответствии с распределением тока утечки в выключенном состоянии и распределением задержки затвора во время фронта сигнала.

Задержка затвора в 20 нс, распределенная по фронту 1 кВ/мкс, приводит к увеличению напряжения на 20 % на первом выключающемся элементе. В этом случае элемент с напряжением 1.5 кВ подвергается воздействию 1.8 кВ, что превышает его номинальные параметры. Балансирующие резисторы и демпфирующие конденсаторы на каждом элементе приводят к потерям, увеличению площади печатной платы и снижению стоимости компонента на 15 %–25 %.

Проблемный момент 2: Ток хвостовой части IGBT на частоте 50 кГц.

В LLC-преобразователе ток в хвостовой части суммируется с током резонансного индуктора в момент выключения. На частотах 50 кГц и выше хвостовая часть несет от 40 % до 60 % от общих потерь в устройстве.

Измеренный эффект заключается в снижении эффективности с 92 % до 80 % и образовании горячей точки на 30 °C выше опорной пластины. Таким образом, тепловой путь определяет номинальную мощность, а дополнительная масса радиатора обходится дороже, чем сам переключатель.

Проблема 3: Срок службы электрода искрового разряда в ТЭА-лазере

Лазер TEA производит 500 импульсов в секунду. Восемь часов работы в сутки — это 14.4 миллиона импульсов, а пары электродов, генерирующих 10 импульсов, хватает менее чем на сутки при таком графике работы.

Эрозия электродов также изменяет расстояние между ними, поэтому напряжение пробоя изменяется. Энергия выходного импульса меняется между заменами, и вместе с этим изменяется и технологический процесс. Герметичные зазоры и вращающиеся электроды стоят дороже при покупке и сокращают количество сервисных визитов.

Проблемная точка 4: Перерегулирование в цепи демпфирования при выключении.

Шина передает индуктивность от шины, выводов конденсатора и корпуса устройства. Быстрый фронт замыкания создает напряжение на этой индуктивности, которое добавляется к напряжению на шине.

V_spike = L_loop · di/dt

где V_spike — перерегулирование в В, L_loop — индуктивность контура в нГн, а di/dt — наклон кривой тока при выключении в А/мкс. Контур с индуктивностью 500 нГн и импульсом 1 кА/мкс развивает напряжение 500 В, что на 17 % выше, чем на шине 3 кВ. При этом устройство с напряжением 3.3 кВ на каждом импульсе превышает свои номинальные значения.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите переключатель в режиме лазера.

Лазер непрерывного действия с частотой от 10 кГц до 100 кГц подходит для MOSFET в топологии LLC. Квази-непрерывный лазер с частотой от 1 кГц до 50 кГц и коэффициентом заполнения от 5% до 50% подходит для IGBT в полумостовой или полномостовой схеме.

Лазер на основе TEA с частотой от 1 Гц до 1,000 Гц подходит для искрового разрядника с твердотельным предварительным зарядом. ВЧ-возбуждаемый лазер с частотой 13.56 МГц или 27.12 МГц оставляет MOSFET единственным вариантом, поскольку ток утечки IGBT ограничивает частоту работы этого устройства до 50 кГц.

Стратегия 2: Перерезать остаточный ток IGBT в истоке.

Выберите сплав NPT или сплав с полевым затвором. Время спада уменьшается на 50–70 % по сравнению со сплавом с пробивным затвором, что снижает и потери при выключении. Увеличьте сопротивление затвора при выключении, чтобы замедлить фронт импульса, и смиритесь с более длинным хвостом в обмен на меньшее перерегулирование.

Добавьте активный ограничитель между коллектором и затвором. Цепочка стабилитронов в этом месте подает ток на затвор, когда напряжение на коллекторе превышает значение ограничителя, благодаря чему устройство выключается медленнее на пике и удерживает перерегулирование в пределах допустимых значений.

Стратегия 3: Сбалансируйте последовательность MOSFET-транзисторов.

Добавьте статический балансировочный резистор сопротивлением от 100 кОм до 1 МОм к каждой паре сток-исток. Резистор компенсирует разброс тока утечки в выключенном состоянии и удерживает каждый транзистор ниже номинального значения.

Для обеспечения динамического распределения добавьте к каждому устройству низкоиндуктивный демпфирующий конденсатор емкостью от 100 пФ до 1 нФ. Согласуйте каждый путь управления затвором с точностью до 10 нс с помощью магнитно- или оптически изолированного драйвера и удерживайте площадь контура управления затвором менее 100 мм².

Стратегия 4: Увеличить интервал обслуживания искрового зазора

Загерметизируйте зазор азотом или SF₆. Скорость эрозии значительно снизится по сравнению с открытым зазором, а интервал между техническим обслуживанием увеличится в 5-10 раз. Добавьте источник предварительной ионизации перед основным зазором, чтобы уменьшить разброс пробоя и дрожание.

Используйте вращающийся дисковый электрод, чтобы разряд распространялся по поверхности. В этом случае то же самое время жизни разряда (10⁷) распределяется на площади в 50-100 раз большей, а зазоры сохраняются гораздо дольше.

Стратегия 5: Создание сети демпфирования и хранения данных.

Используйте высоковольтный керамический конденсатор с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и низким эквивалентным внутриэлектродным сопротивлением (ESL) в каждом положении выключения. Поддерживайте ESR ниже 10 мОм и ESL ниже 5 нГн, чтобы конденсатор поглощал энергию переходного процесса за десятки наносекунд, а перерегулирование оставалось в пределах номинальных параметров.

Подходит быстровосстанавливающийся диод с временем восстановления менее 100 нс в каждом положении свободного хода и зажима. Установите пленочный конденсатор в положении хранения шины, где импульсный разряд требует большой величины при низких потерях.

Добавить резистор выборки и демпфирующий резистор в каждом контуре демпфирования, и их номинальные характеристики должны соответствовать энергии импульса, а не средней мощности.

Стратегия 6: Проверить сеть на стенде.

Измерьте выброс при худшем значении тока и самом высоком напряжении шины. Измерьте время протекания тока в точке перегрева и сравните его с пределом 50 кГц.

Проверьте балансировку последовательно соединенных электродов на обоих концах температурного диапазона. Запишите количество часов работы электродов на каждом искровом разряднике и заменяйте их по количеству впрысков, а не по календарному графику.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Повторяющееся пиковое обратное напряжение	10 кВ VRRM	Серия 2CL, 25 °C
Средний прямой ток	0.8 A IF(AV)	прямоугольная волна, Tc ≤ 85 °C
Прямой импульсный ток	100 А при 8.3 мс	одиночный импульс, IFSM
Время обратного восстановления	ниже 1 мкс трр	мягкий восстановительный класс
Емкость перехода	25 пФ тип.	VR = 4 кВ, 1 МГц
Рабочая Температура	от −55 °C до +125 °C	Tj макс
ток утечки	ниже 5 мА при VRRM	25 °C, полная мощность

5. Пассивные компоненты HVC для коммутационной сети

Компания HVC производит импульсные конденсаторы, демпфирующие конденсаторы и выпрямительные диоды для сетей, окружающих все типы переключателей. Крупные партии продукции поставляются производителям лазерного и импульсного оборудования с собственного завода площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывая диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент рассеяния ниже 0.1 % на частоте 100 кГц. N4700 Компонент класса I сохраняет свои значения при 5 кВ/мкс и 100 кГц, при этом повышение температуры составляет менее 10 °C, а дрейф емкости — менее 0.1 %.
• ESR ниже 10 мОм, а ESL ниже 5 нГн. Демпфирующая часть поглощает переходный процесс выключения за десятки наносекунд, поэтому перерегулирование остается ниже 20 % от напряжения шины.
• Время восстановления выпрямителя составляет менее 100 нс. В положениях свободного хода и фиксации напряжения наблюдаются наименьшие потери при обратном восстановлении и наименьший уровень электромагнитных помех среди трех схем переключателей.
• Допуск по сопротивлению составляет ±1 %, а температурный коэффициент — ±25 ppm/°C. HVR-BSP градуировочный резистор Диапазон рабочих температур последовательного соединения составляет от −55 °C до +155 °C, при этом 5 % компонентов могут выйти за пределы допустимых значений.
• Емкость импульсного тока находится в диапазоне килоампер. Для предварительного заряда и накопления энергии необходима деталь, способная высвободить полную энергию импульса за десятки наносекунд.
• Координированные компоненты. Конденсаторы дверной ручки HVCT8GВысоковольтные выпрямительные диоды и резисторы серий HVRGFP или HVRGXP охватывают резонансную, демпфирующую, ограничительную и умножительную составляющие одной конструкции.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а компоненты нестандартной емкости, типа выводов или формы заливки — в течение 6–10 недель. К заказам на лазеры прилагается протокол испытаний на импульсное напряжение 5 кВ/мкс, запись эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) на рабочей частоте и т. д. Перекрестная ссылка таблица в сравнении с сериями Murata DHS, TDK UHV и Vishay HVCC.

Отправьте тип переключателя, напряжение шины, рабочую частоту, параметры импульса и схему контура. HVC вернет список необходимых деталей с номерами компонентов для каждого демпфирующего элемента и позиции хранения, а также образцы для стендовых испытаний.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Когда следует переходить от MOSFET к IGBT в проектировании?

Когда напряжение на шине превышает 1.2 кВ или ток превышает 100 А, сопротивление открытого состояния MOSFET-транзистора на 1.7 кВ достигает 1–5 Ом, поэтому при токе 10 А на кристалле расходуется 200 Вт. IGBT-транзистор на напряжении от 1.2 до 4.5 кВ пропускает тот же ток при напряжении насыщения от 1.5 до 4 В, пока частота не превышает 50 кГц.

В2: Какова стоимость тока в хвостовой части IGBT-транзистора?

При напряжении 3 кВ и токе 100 А время спада 0.3 мкс с хвостовой частью 1 мкс дает 345 мДж энергии выключения на одно событие. При частоте 20 кГц это составляет 6.9 кВт на устройство, и 87% этой энергии приходится на хвостовую часть. Использование материалов класса FS или NPT сокращает время хвостовой части на 50–70%.

Вопрос 3: Как распределить напряжение между последовательно соединенными MOSFET-транзисторами?

Две сети. Резистор от 100 кОм до 1 МОм, подключенный к каждой паре сток-исток, определяет долю тока в выключенном состоянии относительно разброса тока утечки. Демпфирующий конденсатор от 100 пФ до 1 нФ, подключенный к каждому устройству, определяет динамическую долю тока во время фронта, и каждый путь затвора должен совпадать с точностью до 10 нс.

В4: Как долго сохраняется искровой зазор в ТЭА-лазере?

Считайте это в выстрелах. Пара электродов с частотой 500 Гц и частотой 10⁷ выстрелов обеспечивает 5.6 часов непрерывной работы, что составляет менее суток на трехсменном производстве. Герметичный зазор в азоте или SF₆ и вращающийся дисковый электрод увеличивают интервал в 5–10 раз.

В5: Как предотвратить перерегулирование при выключении?

Уменьшите индуктивность контура и добавьте демпфирующий конденсатор. В контуре шины 500 нГн с импульсом 1 кА/мкс возникает перерегулирование в 500 В, что на 17 % выше, чем в контуре шины 3 кВ. Демпфирующий конденсатор с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) ниже 10 мОм и эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 5 нГн поглощает эту энергию за десятки наносекунд.

В6: Какой переключатель подходит для CO2-лазера, возбуждаемого радиочастотным излучением?

MOSFET. Диапазон ВЧ составляет 13.56 МГц, 27.12 МГц или 40.68 МГц, а ток утечки IGBT ограничивает частоту работы этого устройства до 50 кГц. Согласующая цепь состоит из двухтактного или полумостового MOSFET-каскада с разделительным конденсатором N4700.

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. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
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. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
8. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
9. Рашид, М.Х. (ред.), Справочник по силовой электронике, 4-е изд. Оксфорд: Butterworth-Heinemann, 2017.
10. MIL-PRF-55681 Ред. H, Конденсатор, чип, многослойный, фиксированный, с керамическим диэлектриком, с установленной и неустановленной надежностью, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2025.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com