Эксимерные трансформаторы 30 кВ: индуктивность рассеяния при отключении

Эксимерные трансформаторы 30 кВ: индуктивность рассеяния при отключении

Резюме

Высоковольтный импульсный трансформатор в эксимерном лазере соединяет модулятор с нагрузкой и обеспечивает изоляцию. В реальных трансформаторах добавляются индуктивность рассеяния и емкость обмоток, и вместе они образуют резонансную систему, которая увеличивает время нарастания, подает на конденсаторы от 15% до 25% дополнительного переходного напряжения и направляет синфазный ток в цепи запуска. В этой статье выводятся значения обеих паразитных составляющих, количественно оценивается ущерб и приводятся правила расчета обмоток, позволяющие подавить их совместно.

1. Введение

Высоковольтный импульсный трансформатор в источнике питания эксимерного лазера соединяет низковольтный модулятор с высоковольтной нагрузкой. Он обеспечивает гальваническую развязку и, при необходимости, повышающий коэффициент.

В идеальном трансформаторе индуктивность рассеяния равна нулю, индуктивность намагничивания бесконечна, а межвитковая емкость равна нулю, поэтому вторичная обмотка является точной копией первичной. В реальных обмотках присутствуют все три составляющие.

При времени нарастания от 25 до 50 нс, необходимом для эксимерного газового разряда, индуктивность рассеяния и емкость обмотки образуют резонансную систему. Это искажает время нарастания, создает выброс и излучает электромагнитные помехи в электронику вокруг лазерной головки.

Индуктивность рассеяния хорошо сконструированного трансформатора может равняться индуктивности контура всей цепи. При этом межвитковая емкость посылает синфазный ток в плоскость заземления, и этот ток достигает момента срабатывания соседних каскадов.

2. Основной механизм

2.1 Откуда берется индуктивность рассеяния

Индуктивность рассеяния возникает из-за той части магнитного потока, которая соединяет одну обмотку и не затрагивает другую. Высоковольтная вторичная обмотка требует множества витков и толстой изоляции, и эта изоляция раздвигает две обмотки:

L_leak ≈ (μ₀ × N² × mean_turn_length × fill_factor) / (3 × winding_height)

где L_leak — индуктивность рассеяния в генри, μ₀ — магнитная проницаемость свободного пространства, N — число первичных витков, mean_turn_length — средняя длина витка в метрах, fill_factor — коэффициент заполнения окна медью, а winding_height — высота обмотки в метрах.

Результат масштабируется пропорционально квадрату количества витков и уменьшается с увеличением высоты обмотки. Он также увеличивается с расстоянием между обмотками, которое определяется номинальным напряжением и материалом изоляции.

В трансформаторе на 30 кВ индуктивность рассеяния находится в диапазоне от 200 нГн до 500 нГн, что соответствует порядку величины индуктивности всего контура PFN.

2.2 Откуда берется емкость обмотки

Межвитковая емкость возникает из-за электрического поля между первичной и вторичной обмотками:

C_inter = ε₀ × εr × A / d

где C_inter — межвитковая емкость в фарадах, ε₀ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, εr — относительная диэлектрическая проницаемость барьера, A — площадь обращенного к нему проводника в квадратных метрах, и d — толщина барьера в метрах.

Трансформатор на 30 кВ с полиимидной изоляцией толщиной 2 мм имеет емкость от 10 до 30 пФ. Собственная емкость вторичной обмотки, между соседними витками и между обмоткой и сердечником, добавляет еще от 20 до 50 пФ. Вместе они образуют емкость вторичной обмотки, воспринимаемую импульсом.

Более толстая изоляция одновременно снижает C_inter и повышает L_leak. Таким образом, толщина барьера позволяет уменьшить один из паразитных параметров и уменьшить другой, поэтому геометрия в этом узле имеет большее значение, чем выбор материала.

2.3 Два резонанса, а не один

Индуктивность рассеяния колеблется в зависимости от емкости, расположенной параллельно ей. В эксимерном импульсном генераторе важны две из этих цепей:

f_ring = 1 / (2π × √(L_leak × C_sec))

где f_ring — частота колебаний в герцах, L_leak — индуктивность рассеяния в генри, а C_sec — емкость обмотки в фарадах.

На фоне емкости обмотки значения невелики: 300 нГн при кольцевых колебаниях 30 пФ на частоте 53 МГц и 100 нГн при кольцевых колебаниях 50 пФ на частоте 71 МГц. На фоне разделительного конденсатора 20 нФ те же 200 нГн колебаний утечки наблюдаются на частоте 2.5 МГц, что достаточно медленно, чтобы проявляться в виде видимого хвоста на каждом импульсе.

Обе цепи имеют недостаточное демпфирование, поскольку сопротивление обмоток мало по сравнению с реактивным сопротивлением индуктивности рассеяния в диапазоне МГц. Поэтому коэффициент демпфирования высоковольтного трансформатора значительно ниже 0.5.

2.4 Перенапряжение на конденсаторах

Ступенчатый входной сигнал в слабодемпфированную резонансную пару приводит к тому, что вторичная обмотка выходит за пределы своего максимального значения. Пиковое значение отношения соответствует коэффициенту демпфирования:

V_peak / V_ss = 1 + e^(−πζ / √(1 − ζ²))

где V_peak — пиковое вторичное напряжение в вольтах, V_ss — значение пика в вольтах, а ζ — коэффициент затухания вторичной цепи.

Перерегулирование происходит на вторичной обмотке и на каждом подключенном к ней конденсаторе. Оно достигает 20% выше расчетного выходного напряжения и превышает номинальное значение на разделительных и нагрузочных конденсаторах на 15-25%.

Этот переходный процесс возникает при каждом импульсе включения и повторяется миллионы раз за интервал технического обслуживания. Находясь вблизи напряжения начала частичного разряда, диэлектрик переходит в состояние частичного разряда во время пика каждого выброса.

2.5. Синфазный ток от межвитковой емкости

Межвитковая емкость переносит ток смещения от первичной обмотки ко вторичной, и этот ток возвращается через плоскость заземления:

I_cmem = C_inter × dV/dt

где I_cmem — синфазный ток в амперах, C_inter — межвитковая емкость в фарадах, а dV/dt — наклон напряжения на барьере в вольтах в секунду.

При 20 пФ и 1 кВ/нс ток составляет 20 А в течение 5 нс. На импедансе земли 100 мОм этот ток развивает напряжение 2 В, чего достаточно для ложного срабатывания соседнего каскада или для сдвига его синхронизации на наносекунды.

В многоканальном лазере этот эффект усиливается, поскольку каждый канал управляет одной и той же заземляющей плоскостью.

Рис. 1 — Индуктивность рассеяния растягивает фронт 30 нс до 60–100 нс, в то время как межвитковая емкость 20 пФ подает ток 20 А на землю сопротивлением 100 мОм.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Индуктивность утечки определяет время нарастания.

В трансформаторе на 30 кВ индуктивность рассеяния составляет от 200 нГн до 500 нГн, что превышает допустимую индуктивность контура в типичной сети. В этом случае время нарастания выходного сигнала зависит от трансформатора, а не от выключателя и не от конденсатора.

Расчетная длительность импульса в 30 нс уменьшается до 60 или 100 нс. Импульс выглядит медленным, вину возлагают на конденсатор и переключатель, а причина кроется в геометрии обмотки.

Болевой пункт 2: Накопленная энергия в емкости обмотки.

Межвитковая емкость и собственная емкость вторичной обмотки накапливают часть импульса во время нарастания и высвобождают ее во время спада. Высвобождение проявляется в виде выброса и звонкого хвоста на вторичной осциллограмме.

Перерегулирование достигает 20% выше расчетного выходного напряжения, а колебания длятся сотни наносекунд. Оба явления создают нагрузку на нагрузочный конденсатор и коммутирующий диод при каждом импульсе.

Проблемный момент 3: электромагнитные помехи, проникающие в цепи запуска и управления.

Ток смещения через межвитковую емкость протекает в плоскости заземления. При токе 20 А в течение 5 нс на ней возникает сопротивление заземления 100 мОм, на котором возникает напряжение 2 В.

Это напряжение появляется на триггерном входе следующего каскада. В многоканальном лазере оно проявляется как ложное срабатывание и дрожание синхронизации, и появляется при каждом выстреле.

Проблемный момент 4: Перегрузка конденсатора из-за перерегулирования трансформатора.

Конденсаторы связи и нагрузки выбираются исходя из номинального выходного напряжения. Перерегулирование и колебания затем нагружают их с переходным процессом, в результате которого напряжение увеличивается на 15–25%.

Диэлектрик, уже работающий вблизи напряжения начала частичного разряда, переходит в разряд во время пика. Эрозия накапливается на протяжении миллионов импульсов, конденсатор выходит из строя, и в отчете указывается дефект компонента, хотя причина кроется в форме сигнала трансформатора.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Переплетайте обмотки

Намотайте первичную и вторичную обмотки в смежных секторах на одном слое, что сократит расстояние между ними и уменьшит индуктивность рассеяния на 50–70%. Для вторичной обмотки на 30 кВ используйте от 4 до 6 секторов, каждый из которых содержит первичную и вторичную секции, разделенные тонким барьером.

Для увеличения высоты обмотки выберите сердечник с высоким соотношением сторон, длинный и тонкий. Индуктивность рассеяния уменьшается с увеличением высоты обмотки при постоянном количестве витков.

Стратегия 2: Защитить извилистый путь

Установите заземленный электростатический экран между первичной и вторичной обмотками. Экран закорачивает емкость между обмотками на землю, поэтому синфазный ток возвращается локально, а не протекает через цепи запуска.

Выберите барьерный материал с низкой диэлектрической проницаемостью: полиимид с εr 3.5 или ПТФЭ с εr 2.1. Затем уменьшите собственную емкость вторичной обмотки с помощью послойной обмотки, которая поддерживает низкое напряжение на каждом слое.

Стратегия 3: Снизить звон в главном канале.

Добавьте элемент с низкой индуктивностью. толстопленочный резистор В первичной цепи необходимо повысить коэффициент демпфирования до 0.5 или 0.6 и удержать перерегулирование ниже 10%. Сам резистор должен оставаться в пределах примерно 10 нГн от эквивалентной индуктивности (ESL), иначе он будет увеличивать индуктивность, которую должен демпфировать.

Проверьте демпфирование на прототипе с полным напряжением, а не только в симуляции. Измерение подтвердит сопротивление контура, принятое в модели.

Стратегия 4: Ограничение вторичного перерегулирования

Поместите быстровосстанавливающийся диод В обратном порядке с выходным сигналом для подавления вторичного выброса. Выберите компонент с обратным восстановлением на уровне 35 нс или ниже и достаточно низким зарядом восстановления, чтобы он не вводил ток в выброс.

Установите уровень ограничения на 5–8% выше расчетного выходного напряжения. Это защитит конденсатор от пиковых переходных процессов, не допуская перехода диода в проводящее состояние при обычных импульсах.

Стратегия 5: Выберите конденсаторы с низким ESL для обеих позиций.

Для разделительных и нагрузочных участков используйте конденсаторы с эквивалентной индуктивностью (ESL) ниже 30 нГн, чтобы их собственная индуктивность не увеличивала индуктивность рассеяния трансформатора. пленочный конденсатор Перед окончательным определением конфигурации стоит сравнить результаты измерений керамического компонента N4700 с одной и той же формой сигнала.

Укажите температурный коэффициент ±30 ppm/°C, чтобы емкость, а следовательно, и резонанс, не изменялись с температурой. Поддерживайте коэффициент рассеяния ниже 0.1%, чтобы конденсатор вносил незначительный вклад в общие потери, и конструкция демпфирования оставалась работоспособной.

Стратегия 6: Включить оба паразитных фактора в модель системы.

Измерьте индуктивность рассеяния и емкость обмотки с помощью анализатора импеданса в диапазоне частот от 100 кГц до 10 МГц. Вставьте измеренные значения в модель сети и смоделируйте время нарастания, перерегулирование и колебания всей системы.

Повторяйте доработки конструкции трансформатора, демпфирующего резистора и зажима до тех пор, пока смоделированная форма сигнала не будет соответствовать техническим требованиям, затем подтвердите это на собранном устройстве.

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 вторичных обмоток импульсных трансформаторов

Выбор на этом узле определяется четырьмя требованиями: достаточно низким значением ESL, чтобы конденсатор не увеличивал индуктивность рассеяния, уже исчисляющуюся сотнями наногенри; достаточно низким температурным коэффициентом, обеспечивающим стабильность резонанса; достаточно низким коэффициентом диссипации, обеспечивающим затухание за счет резистора; и достаточно низким уровнем частичного разряда, чтобы поглотить перерегулирование. 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.

• Значение ESL ниже 30 нГн, обусловленное короткими и широкими токовыми путями, предотвращает возникновение индуктивности рассеяния конденсатора, которая и без того составляет от 200 до 500 нГн, благодаря чему время нарастания сигнала трансформатора сохраняется.
• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C обеспечивает постоянство емкости, а следовательно, и частоты колебаний, во всем рабочем диапазоне, благодаря чему конструкция демпфирования остается работоспособной.
• N4700 Диэлектрик с коэффициентом диэлектрической проницаемости ниже 0.1% перекладывает демпфирование трансформатора на внешний резистор, который является переменной, регулируемой инженером.
• Испытание на 100% частичный разряд при температуре 5 пКл или ниже охватывает перерегулирование и колебания, которые создают нагрузку на деталь на 15–25% выше номинального значения при каждом импульсе.
• HVRGHP Демпфирующие резисторы с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн и быстровосстанавливающиеся диоды с временем восстановления от 25 до 35 нс образуют качественный демпфированный вторичный каскад с конденсатором.
• 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 компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты трансформаторов с вторичными обмотками — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в определении паразитных характеристик трансформаторов, анализе конструкции демпфирования и ограничения колебаний, а также в выборе конденсаторов с низким эквивалентным уровнем звукового давления (ESL).

Отправьте коэффициент трансформации, вторичное напряжение, индуктивность рассеяния, емкость обмотки, время нарастания и чертеж компоновки. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит значение ESL для предлагаемого корпуса, значение демпфирующего резистора, уровень ограничения напряжения и комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему индуктивность рассеяния возрастает с увеличением номинального напряжения?

Поскольку номинальный ток определяет толщину изоляции, а толщина изоляции определяет расстояние между обмотками. Для барьера на 30 кВ требуется 2 мм полиимида или больше, и L_leak ≈ (μ₀ × N² × средняя_длина_витка × коэффициент_заполнения) / (3 × высота_обмотки) увеличивается с этим расстоянием. Чередующиеся секторы компенсируют от 50% до 70% этого.

В2: На какой резонанс следует ориентироваться при проектировании?

И то, и другое. Против емкости обмотки значения невелики: 300 нГн при 30 пФ на частоте 53 МГц, что искажает фронт и вызывает частичный разряд. Против разделительного конденсатора 20 нФ те же самые колебания утечки наблюдаются на частоте 2.5 МГц, проявляясь в виде видимого хвоста в течение сотен наносекунд. Для каждого случая необходимы свои методы демпфирования и ограничения.

В3: Какое перерегулирование вносит трансформатор в конденсаторы?

Этого достаточно, чтобы достичь выходного напряжения на вторичной обмотке на 20% выше расчетного, а также дополнительного переходного напряжения на 15–25% на разделительных и нагрузочных конденсаторах. Пиковое значение определяется формулой V_peak / V_ss = 1 + e^(−πζ / √(1 − ζ²)), поэтому увеличение ζ до 0.5 или 0.6 с помощью демпфирующего резистора на первичной обмотке позволяет удерживать его ниже 10%.

Вопрос 4: Чем помогает заземленный экран?

Это обеспечивает локальный обратный путь для тока смещения. Без него I_cmem = C_inter × dV/dt подаёт 20 А в течение 5 нс в плоскость заземления при 20 пФ и 1 кВ/нс, а сопротивление заземления в 100 мОм преобразует это в 2 В на входе триггера. При наличии экрана ток возвращается на первичную обмотку.

В5: Какие параметры конденсатора важны на вторичной обмотке?

Значение ESL ниже 30 нГн, чтобы компонент не увеличивал индуктивность рассеяния, температурный коэффициент около ±30 ppm/°C, чтобы частота колебаний не изменялась, коэффициент затухания ниже 0.1%, чтобы демпфирующий резистор контролировал контур, и частичный разряд ниже 5 пКл, чтобы перерегулирование не разрушало диэлектрик.

В6: Как подтвердить наличие паразитных параметров во встроенном модуле?

Измерьте индуктивность рассеяния и емкость обмотки с помощью анализатора импеданса в диапазоне от 100 кГц до 10 МГц, затем вставьте измеренные значения в модель сети. Сравните смоделированное время нарастания, перерегулирование и колебания с формой сигнала собранного импульсного генератора. Разница между ними показывает ту часть схемы, которую модель не отобразила.

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 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
6. МЭК 60664-1:2020, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения — Часть 1: Принципы, требования и испытания., 3-е изд. Женева: МЭК, 2020.
7. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
8. К. Ориа, А. Ортис, Д. Ферреньо, И. Карраскаль и И. Фернандес, Современный обзор характеристик целлюлозных диэлектрических материалов в силовых трансформаторах: механический отклик и старение.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 26, no. 3, pp. 939-954, 2019. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.007896.
9. СА Бхумиват, Оценка состояния изоляции трансформаторных вводов с помощью анализа токов поляризации/деполяризации., в сборнике трудов Международного симпозиума IEEE по электрической изоляции 2004 года, стр. 500-503, 2004. https://doi.org/10.1109/elinsl.2004.1380664.
10. JP 3979823 B2, 巻線装置及びそれを用いた高電圧パルス発生装置 (Намоточное оборудование и генератор высоковольтных импульсов, использующий его), Gigaphoton Inc., https://www.sumobrain.com/patents/JP3979823B2.html .
11. AND9800/D — Выбор демпфирующего конденсатора для применения в системах управления двигателями (таблица 15, данные испытаний), onsemi, AND9800-D, https://m.onsemi.jp/pub/Collateral/AND9800-D.PDF .
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com