Нелинейное конденсаторное сжатие импульсов для источников питания эксимерных лазеров

Нелинейное конденсаторное сжатие импульсов для источников питания эксимерных лазеров

Резюме

Для сжатия импульсов обычно используются насыщаемые магнитные переключатели. Зависимая от напряжения емкость выполняет ту же работу пассивно, поскольку ее резонансная частота возрастает по мере увеличения напряжения и уменьшения емкости.

В эксимерных наносекундах эффект в несколько раз превосходит по эффективности линейный элемент, при этом отсутствуют сердечник, насыщаемый индуктор и потери при переключении. Недостатком является емкость, которую необходимо характеризовать в зависимости от напряжения и температуры, а также запасенная энергия, значительно меньшая, чем у линейного элемента с тем же номинальным значением.

1. Введение

Импульсное сжатие переносит энергию от длинного источника с низкой пиковой мощностью к короткой нагрузке с высокой пиковой мощностью. Источники питания эксимерных ламп делают это с помощью насыщаемых магнитных переключателей — индукторов, сопротивление которых падает с высокого на низкое при насыщении сердечника.

Второй способ использует нелинейный конденсатор, емкость которого уменьшается с увеличением приложенного напряжения. Зарядка осуществляется через индуктор от источника постоянного тока. Зарядный ток имеет резонансную форму, а его частота возрастает по мере увеличения напряжения на конденсаторе и уменьшения его емкости.

Сжатие происходит за счет изменения частоты. Энергия передается быстрее при высоком напряжении, потому что резонансная частота там выше, поэтому весь цикл зарядки завершается быстрее, чем в случае линейной части процесса.

На временных интервалах от 25 до 100 нс, необходимых для эксимерного разряда, эффект в несколько раз превосходит сжатие линейного конденсатора той же номинальной емкости. При этом не требуется магнитный сердечник, насыщаемый индуктор и дополнительные потери при переключении.

2. Основной механизм

2.1 Зависимость емкости от напряжения

В нелинейном конденсаторе зависимость между емкостью и приложенным напряжением подчиняется степенному закону:

C(V) = C0 / (1 + α × V)^n

где C(V) — емкость при напряжении V в фарадах, C0 — емкость при нулевом напряжении в фарадах, α — коэффициент нелинейности, а n — показатель степени, изменяющийся от 0.5 до 1.0 в керамических деталях.

При нулевом напряжении возьмите 20 нФ, α = 0.02 и n = 0.7. При 30 кВ знаменатель равен 601, возведенному в степень 0.7, или 88.1, поэтому емкость составляет 20 нФ / 88.1, что равно 0.23 нФ.

Отношение между нулевым напряжением и полным напряжением составляет 88. Форма падения имеет такое же значение, как и само отношение: половина падения происходит ниже 200 В, где емкость снижается с 20 нФ до 6.5 нФ, а оставшиеся порядки медленно смещаются от 2 кВ и выше.

2.2 Зарядка через индуктор

При зарядке конденсатора через индуктивность L от напряжения шины V_bus, контур подчиняется следующему соотношению:

L × dI/dt + V_C(t) = V_bus

где L — индуктивность заряда в генри, I — ток в контуре в амперах, V_C(t) — напряжение на конденсаторе в вольтах, а V_bus — напряжение на шине постоянного тока в вольтах. Сам ток зависит от зависящей от напряжения емкости по формуле I = C(V) × dV_C/dt.

Мгновенная резонансная частота возрастает по мере уменьшения емкости:

ω(V) = 1 / √(L × C(V))

где ω(В) — угловая частота в радианах в секунду, L — индуктивность заряда в генри, а C(В) — мгновенная емкость в фарадах.

При зарядной индуктивности 100 нГн частота начинается примерно со 112 крад/с и возрастает на квадратный корень из 88 по мере повышения напряжения. Пик тока достигается раньше, чем при линейном участке, и цикл зарядки короче.

2.3 Степень сжатия

Коэффициент усиления по сравнению с линейным конденсатором того же номинального значения равен квадратному корню из отношения емкостей:

Compression_Ratio ≈ √(C0 / C(V_bus))

где C0 — емкость при нулевом напряжении в фарадах, а C(V_bus) — емкость при напряжении шины в фарадах.

Для характеристики 2.1 отношение составляет 9.4. Опубликованные конструкции с более мягкими коэффициентами находятся в диапазоне от 2 до 5 после учета импеданса нагрузки и демпфирования, и любое значение в этом диапазоне все равно исключает магнитный каскад.

Полученная оценка является оценкой первого порядка, поскольку сравнивает конечные точки развертки. Используйте ее для выбора детали, а затем подтвердите форму импульса на прототипе.

2.4 Накопленная энергия при напряжении шины

Энергия в нелинейном конденсаторе представляет собой интеграл заряда по напряжению, а не линейное произведение:

E = ∫₀^V_bus C(V) × V dV

где E — запасенная энергия в джоулях, C(V) — зависящая от напряжения емкость в фарадах, а V_bus — напряжение шины в вольтах.

Для характеристики 2.1 этот интеграл дает 0.16 Дж при 30 кВ. Линейная часть емкостью 20 нФ при том же напряжении накапливает 9 Дж.

Этот зазор покрывает сжатие. Емкость, которая уменьшается в 88 раз, не может удерживать заряд, который удерживает стабильная емкость в 20 нФ, поэтому нелинейный каскад формирует импульс, а не накапливает его. Накопительный блок остается линейным и расположен выше по потоку, а шина подает энергию импульса через зарядную индуктивность.

2.5 Форма импульса на нагрузке

При разряде в резистивно-индуктивную лазерную нагрузку импульс следует за мгновенной емкостью при каждом напряжении. Высокое напряжение означает низкую емкость и короткую постоянную времени, а низкое напряжение означает обратное.

В результате получается быстро нарастающий фронт и медленно спадающий хвост, форма которого близка к требуемой для эксимерного разряда. Затухание хвоста определяется низковольтной емкостью, которая имеет наибольшее значение в ходе развертки и, следовательно, является параметром, определяющим ширину импульса.

Наклон кривой разряда соответствует току и мгновенной емкости:

dV/dt = I_peak / C(V)

где dV/dt — наклон кривой на конденсаторе в вольтах в секунду, I_peak — ток разряда в амперах, а C(V) — емкость при мгновенном напряжении в фарадах.

Разряд током 16 кА при напряжении 30 кВ через эффективную емкость 3 нФ создает наклон кривой выше 1 кВ/нс. Этот наклон возбуждает резонанс между индуктивностью и емкостью шины на частотах от 10 МГц до 50 МГц.

Рис. 1 — На логарифмической шкале емкость падает с 20 нФ при нулевом напряжении до 0.23 нФ при 30 кВ, причем половина падения приходится на первые 200 В.

3. Проблемы проектирования

Болевая точка 1: Пульс, изменяющийся в зависимости от температуры.

Коэффициент нелинейности и показатель степени изменяются с температурой. Деталь, исследованная при 25 °C, сжимается по-разному при 60 °C.

Ширина импульса изменяется на 10–20% в рабочем диапазоне. Оператор видит нестабильное лазерное излучение и проверяет газовую смесь или оптику, и причина кроется в характеристиках емкости.

Проблема 2: Накопленная энергия значительно ниже линейной составляющей.

Характеристики 2.1 показывают значение 0.16 Дж при 30 кВ по сравнению с 9 Дж для линейного конденсатора емкостью 20 нФ. Это снижение должно быть учтено при проектировании источника питания, и одного лишь выбора конденсатора недостаточно.

Затем по шине и выключателю протекает импульсный ток, пока напряжение высокое, а емкость мала, поэтому размеры выключателя, зарядного индуктора и системы изоляции рассчитаны на ток, который не описывается накопленной энергией.

Болевой пункт 3: Толерантность превращается в колебания от импульса к импульсу.

Заданный диапазон ±10% обеспечивает ±5% коэффициента сжатия и ±2.5% ширины импульса. Для импульса длительностью 50 нс это составляет ±1.25 нс, что проявляется в виде нестабильности энергии от импульса к импульсу.

Температурный дрейф увеличивает допустимый диапазон отклонений. В совокупности эти два параметра составляют ±5% от ширины импульса в рабочем диапазоне, и оба отображаются на одном и том же мониторе энергии.

Проблемный момент 4: Наклон кривой расхода, вызывающий резонанс берега.

Быстрый разряд создает наклон кривой выше 1 кВ/нс. Этот наклон возбуждает резонанс между индуктивностью шины и емкостью блока на частотах от 10 МГц до 50 МГц.

Колебания приводят к возникновению перерегулирования на конденсаторах в размере 15–25%, что представляет собой переходный процесс, близкий к напряжению начала частичного разряда диэлектрика. В совокупности это сокращает срок службы детали.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Охарактеризовать нелинейность в зависимости от напряжения и температуры.

Измерьте значение C(V) при 25 °C, 50 °C и 75 °C и постройте температурно-зависимую модель на основе полученных трех кривых. Используйте модель для прогнозирования ширины импульса при каждой рабочей температуре и разработайте систему управления для компенсации.

Измеряйте количество конденсаторов в каждой ступени по одной и той же производственной партии, чтобы разброс между партиями не влиял на температурный коэффициент.

Стратегия 2: Рассчитать параметры шины и выключателя с учетом сжатого тока.

Вычислите запасенную энергию из интеграла E = ∫₀^V_bus C(V) × V dV, а не из ½C0V². Затем рассчитайте размеры переключателя, зарядного индуктора и изоляции для тока, который сжатый импульс потребляет от шины.

Для характеристики 2.1 интеграл дает 0.16 Дж при 30 кВ, и именно это значение, а не 9 Дж, должно обеспечить накопительное устройство на этапе зарядки.

Стратегия 3: Укажите допуск и контролируемую нелинейность.

Укажите номинал конденсаторов блока с точностью ±2%, чтобы ширина импульса оставалась в пределах ±1%. Требуйте, чтобы коэффициент и показатель степени оставались в пределах ±10% по всей производственной партии, что обеспечивает повторяемость коэффициента сжатия от единицы к единице.

Измерьте и сопоставьте вольт-амперную характеристику (C(V)) каждого блока при вводе в эксплуатацию. N4700 Участок с заданной кривой обеспечивает системе управления фиксированный эталон для температурной компенсации болевой точки 1.

Стратегия 4: Сглаживание переходного процесса разряда

Добавьте 0.5 Ом к 2 Ом толстопленочный резистор Включая резистор последовательно с конденсатором для подавления колебаний в диапазоне от 10 МГц до 50 МГц. Резистор должен удерживать эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) ниже 10 нГн, иначе он будет увеличивать петлю, создающую колебания.

Проверьте демпфирование на прототипе, работающем при полном напряжении, при наихудшем значении напряжения, где мгновенная емкость минимальна, а наклон максимален.

Стратегия 5: Преодоление перерегулирования

Поместите быстровосстанавливающийся диод Для ограничения перерегулирования, вызванного переходным процессом разряда, подключите резистор к каждому конденсатору. Выберите компонент с обратным восстановлением не более 35 нс и достаточно низким зарядом восстановления, чтобы он не вводил ток в зону перерегулирования.

Настройте ограничительные клещи на 5–8% выше напряжения шины. пленочный конденсатор Для аккумуляторной батареи и керамической батареи требуется разная настройка зажимов, поскольку их кривые зависимости емкости от напряжения различаются на уровне зажимов.

Стратегия 6: Мониторинг длительности импульса и кривой C(V).

Отслеживайте измеренную ширину импульса и рабочую точку на кривой емкости для каждого импульса. Изменение ширины указывает на изменение емкости вследствие старения или изменения температуры, а положение кривой позволяет разделить эти два фактора.

Установите триггер технического обслуживания, срабатывающий при отклонении ширины импульса на 5% от базового значения, установленного при вводе в эксплуатацию. дверная ручка конденсаторы на заменяемых позициях, поэтому при смене блока цилиндров не требуется перекомпоновка ступени сжатия.

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 нелинейного сжатия

Выбор на этом узле определяется четырьмя требованиями: характеристикой емкости в зависимости от напряжения и температуры, коэффициентом и показателем степени, которые остаются в пределах ±10% по всей партии, достаточно низким коэффициентом диссипации, чтобы потери при разряде оставались небольшими при наклоне 1 кВ/нс, и достаточно низким уровнем частичного разряда, чтобы избежать сопутствующих ему колебаний. Компания HVC производит продукцию, соответствующую этим требованиям, на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Заводская кривая C(V) с коэффициентом и показателем степени в пределах ±10% по всем партиям позволяет прогнозировать степень сжатия от единицы к единице.
• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C обеспечивает стабильное положение кривой, благодаря чему ширина импульса не изменяется по мере нагревания платформы.
• Емкость, отсортированная с точностью до ±2%, ограничивает изменение ширины импульса до ±1% до применения температурной компенсации.
• Коэффициент декомпрессии ниже 0.1% позволяет поддерживать низкие потери I²R по отношению к энергии импульса, что упрощает конструкцию системы охлаждения компрессионной ступени.
• HVRGXP Демпфирующие резисторы с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн подавляют колебания в диапазоне от 10 МГц до 50 МГц, а быстровосстанавливающиеся диоды с временем восстановления от 25 нс до 35 нс удерживают перерегулирование в диапазоне от 15% до 25%.
• Корпуса винтовых клемм до 40 кВ прошли квалификацию в качестве замены японских винтовых конденсаторов Murata в программах полевого ремонта источников света. Компоненты HVC соответствуют параметрам Murata, высоковольтные серии TDK и Vishay.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4-8 недель, а подобранные комплекты для компрессионного сжатия — в течение 6-10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в определении характеристик C(V), моделировании импульсного сжатия, а также в анализе конструкции демпфирования и зажима.

Укажите диапазон напряжения, требуемую ширину импульса, индуктивность заряда, сопротивление нагрузки и диапазон рабочих температур. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит кривую зависимости емкости от напряжения для предлагаемого компонента, оценку сжатия, значение демпфирующего резистора и комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какую степень сжатия обеспечивает нелинейный конденсатор?

Оценка первого порядка равна √(C0 / C(V_bus)). Для элемента с 20 нФ при нулевом напряжении и 0.23 нФ при 30 кВ коэффициент равен 88, а оценка — 9.4. Более мягкие коэффициенты, используемые в опубликованных проектах, находятся в диапазоне от 2 до 5 после учета импеданса нагрузки и демпфирования, и любое значение в этом диапазоне достаточно для исключения магнитной ступени.

В2: Почему запасенная энергия не подчиняется уравнению ½C0V²?

Поскольку емкость уменьшается с повышением напряжения, заряд накапливается с уменьшающейся скоростью. Правильное значение E = ∫₀^V_bus C(V) × V dV, что для рассматриваемой характеристики дает 0.16 Дж при 30 кВ против 9 Дж для линейной части емкостью 20 нФ. Нелинейный каскад формирует импульс, а линейный блок, расположенный выше по потоку, накапливает энергию.

В3: Что определяет форму импульса на нагрузке?

Мгновенная емкость при каждом напряжении. Высокое напряжение означает низкую емкость и короткую постоянную времени, поэтому фронт быстро поднимается; низкое напряжение означает большую емкость и медленный спад, поэтому хвост длинный. Эта асимметрия соответствует динамике разряда эксимерного газа.

Вопрос 4: Насколько стабильна ширина импульса при изменении температуры?

Как коэффициент нелинейности, так и показатель степени изменяются с температурой, поэтому деталь, исследованная при 25 °C, ведет себя иначе при 60 °C. Ширина импульса изменяется на 10–20% без компенсации. Измерение C(V) при 25 °C, 50 °C и 75 °C дает модели, необходимой системе управления для ее корректировки.

В5: Что вызывает звон в фазе сжатия?

Наклон кривой разряда, определяемый формулой dV/dt = I_peak / C(V), превышает 1 кВ/нс при высоком напряжении, где емкость минимальна. Этот наклон возбуждает индуктивность шины и емкость блока на частотах от 10 МГц до 50 МГц и приводит к выбросу 15–25% мощности на конденсаторы. Последовательный демпфирующий резистор сопротивлением от 0.5 Ом до 2 Ом с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн устраняет большую часть этого выброса.

В6: Что должно быть установлено на мониторе здоровья?

Измеренная ширина импульса и положение рабочей точки на кривой C(V). Смещение ширины означает изменение емкости, а положение кривой позволяет отделить эффект старения от температурного эффекта. Установите триггер технического обслуживания на уровне 5% отклонения ширины импульса от базового значения при вводе в эксплуатацию.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. МЭК 60384-17:2019, Стационарные конденсаторы для использования в электронном оборудовании - Часть 17: Спецификация по разделам - Стационарные конденсаторы переменного и импульсного тока с металлизированной полипропиленовой пленочной диэлектрической прослойкой, 3-е изд. Женева: МЭК, 2019.
6. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器. Источник: 中国标准出版社, 2021.
7. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влаги, Надежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008.
8. З. Ли и др., Интеллектуальный подход к мониторингу состояния деградации металлизированных пленочных конденсаторов с использованием ультразвукового сигнала самовосстанавливающегося разряда., в сборнике трудов Международного симпозиума CPSS & IEEE по хранению и преобразованию энергии (ISESC), стр. 206-211, 2024. https://doi.org/10.1109/isesc63657.2024.10785409.
9. Калибровка емкостных датчиков напряжения в генераторах импульсов большой мощности на основе диэлектрика с водой.Специальная публикация NBS № 628, Национальное бюро стандартов (NIST), https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/SP/nbsspecialpublication628.pdf.
10. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com