Драйверы лазерных диодов с высоким током: понижающая схема с чередованием импульсов.

Драйверы лазерных диодов с высоким током: понижающая схема с чередованием импульсов.

Резюме

Для работы диодных линеек накачки на длине волны 976 нм требуется ток от 30 до 120 А с пульсациями ниже 0.5%, и однофазный понижающий преобразователь не может достичь этого значения без большого блока электролитических конденсаторов. Чередование N фаз с шагом 360°/N компенсирует пульсации на выходном узле и уменьшает требуемую емкость. В этой статье приведено уравнение компенсации, токи входного и выходного конденсаторов, четыре пути отказа, а также правила подсчета фаз и компонентов, которые удерживают пульсации ниже 0.35%.

1. Введение

Многоэмиттерные накачивающие лампы на длине волны 976 нм потребляют от 30 до 120 А каждая. Ток возбуждения должен оставаться в пределах ±0.5%, чтобы длина волны диода оставалась в пределах ±0.1 нм.

Однофазный понижающий преобразователь с трудом справляется с такими токами. Один индуктор несет всю нагрузку, а один выходной конденсатор поглощает весь пульсирующий ток, поэтому батарея разрастается либо до большого электролитического блока, либо до широкой керамической батареи.

Понижающий преобразователь с чередованием фаз распределяет нагрузку между N фазами, переключение которых происходит с шагом 360°/N. Пульсирующие токи от фаз частично компенсируются в выходном узле, поэтому выходной блок уменьшается, а входные конденсаторы начинают работать с большей нагрузкой.

В этой статье рассматриваются вопросы компенсации, токи конденсаторов в обоих узлах, четыре пути отказа, а также правила подсчета фаз и согласования, которые поддерживают целевой уровень пульсаций.

2. Основной механизм

2.1 Компенсация пульсаций с N фазами

Каждая фаза несет в себе пульсации индуктора, и сумма на выходном узле выглядит следующим образом:

I_ripple_total = I_ripple_phase × (1 / (N × sin(π/N))) × |sin(N × π × D)|

где I_ripple_total — пульсация выходного тока, I_ripple_phase — пульсация в одной фазе, N — количество фаз, а D — коэффициент заполнения каждой фазы.

При четырех фазах с коэффициентом заполнения 0.5 отношение падает до 0.063, что составляет 93.7% от подавленной пульсации. Эффективная частота пульсаций возрастает до N-кратного значения частоты переключения, поэтому 200 кГц на фазу на выходе превращается в 800 кГц.

2.2 Ток выходного конденсатора

Банк на выходном узле переносит то, что остается после завершения фаз:

I_C_out_rms = I_ripple_total / (2 × √3)

где I_C_out_rms — среднеквадратичный ток в выходном блоке, а I_ripple_total — остаточный пульсационный ток. При токе 60 А, поддерживаемом с точностью до 0.5%, амплитуда пульсаций составляет 0.3 А, что оставляет около 87 мА среднеквадратичного значения для блока. Этот ток достаточно мал для керамических конденсаторов с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) ниже 10 мОм, поэтому выходной фильтр занимает небольшую площадь и выделяет мало тепла.

2.3 Ток на входном конденсаторе

На входе протекает ток. Каждая фаза потребляет импульсный ток в течение времени своего включения:

I_C_in_rms = I_load / N × √(D × (1 − D))

где I_C_in_rms — среднеквадратичный ток во входном конденсаторе одной фазы, I_load — общий ток нагрузки, N — количество фаз, а D — коэффициент заполнения. При токе 60 А, четырех фазах и коэффициенте заполнения 0.5 конденсатор каждой фазы пропускает 3.75 А среднеквадратичного значения.

Вся входная сеть затем передает:

I_C_in_total = I_load × √(D × (1 − D) / N)

где I_C_in_total — общий входной ток конденсатора, а остальные члены уравнения аналогичны приведенным выше. Тот же привод на 60 А подает на входной блок 15 А среднеквадратичного значения, поэтому его ESR определяет как потери, так и повышение температуры внутри герметичного корпуса.

2.4 Напряжение на каждом узле

Входные конденсаторы воспринимают напряжение всей шины, от 48 В до 60 В в типичном насосном модуле, плюс 10–20% перерегулирования, которое добавляет каждый импульс переключения. Выходные конденсаторы воспринимают напряжение от 2 В до 5 В с учетом скачков нагрузки. В цепи постоянного тока 200–400 В входные конденсаторы передают напряжение шины с запасом на переходный процесс, и их эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) по-прежнему обеспечивает фазовый баланс.

Рис. 1 — Четыре фазы, смещенные на 90° при коэффициенте заполнения 0.5, оставляют 6.3% однофазных пульсаций на выходном узле и повышают частоту пульсаций до 800 кГц.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: ESR входного конденсатора, нарушающее баланс фаз.

Каждая фаза получает свой импульс от входной шины, и импеданс цепи меняется в зависимости от емкости конденсаторов. Электролитическая батарея обеспечивает допуск ESR от ±20% до ±40%, а разброс в 15% между четырьмя входными конденсаторами создает дисбаланс тока между фазами от 0.8% до 1.2%. Дополнительный ток нагревает сердечник индуктора и переключатель перегруженной фазы, что еще больше увеличивает дисбаланс.

Проблема 2: Потеря выходной емкости из-за постоянного смещения.

Диэлектрик класса 2 теряет от 10% до 30% своего номинального значения при постоянном напряжении смещения и перепадах температуры. Блок конденсаторов емкостью 10 мкФ, рассчитанный на 5 В, дает от 6 до 7 мкФ при 4.5 В и 85 °C, что увеличивает пульсации выходного напряжения на 40–60% по сравнению с расчетным значением. Каждый 1% пульсаций тока сдвигает диод накачки 976 нм примерно на 0.02 нм, поэтому потери проявляются как сдвиг поглощения накачки вдоль усиливающего волокна.

Проблемный момент 3: Сбой в работе обходного механизма привода ворот на одной из фаз.

Развязывающий конденсатор на каждом драйвере затвора должен поддерживать низкое сопротивление на частоте переключения и ее гармониках. Деталь с высокими диэлектрическими потерями нагревается на этих частотах и ​​трескается после длительной эксплуатации. Когда одна фаза теряет развязывающий конденсатор, эта фаза переключается неравномерно и перекладывает свою долю нагрузки на три другие, что может привести к срабатыванию защиты от перегрузки по току или повреждению диодной полосы.

Проблема №4: Термическое старение внутри герметичного модуля.

Насосный модуль находится в герметичном алюминиевом корпусе с ограниченным потоком воздуха, где внутренняя температура воздуха достигает 50–65 °C. Входной блок, рассеивающий от 2 до 5 Вт потерь ESR, работает в этом воздухе, а электролитическая деталь теряет от 40% до 50% своей емкости в течение 15 000 часов. Замена требует вскрытия модуля и перенастройки оптоволоконного соединения, что обходится в 2,000–5,000 долларов США с учетом работы и расходных материалов.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Оснастить входной блок керамикой класса I.

An N4700 Эта деталь обеспечивает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ниже 5 мОм с допуском ±5%, в отличие от электролитических конденсаторов, где оно составляет от 20 до 80 мОм с допуском от ±20% до ±40%. В четырехфазном преобразователе на 60 А это позволяет снизить дисбаланс, вызванный ESR, до уровня ниже 0.3% и уменьшить потери на входе с 4.5 Вт до менее 1.1 Вт, что наиболее важно в герметичном корпусе.

Стратегия 2: Выбирайте выходной блок с учетом потерь, а не только емкости.

Выберите выходные конденсаторы с тангенсом угла потерь tan δ равным или ниже 0.1% и температурным коэффициентом около ±30 ppm/°C, чтобы емкость оставалась в пределах ±0.35% во всем рабочем диапазоне, а коэффициент компенсации сохранялся. Привод на 60 А с заданным уровнем пульсаций 0.5% в процессе производства будет работать с уровнем пульсаций ниже 0.35%, что обеспечит запас для достижения целевой длины волны.

Стратегия 3: Отслеживайте каждую фазу с помощью согласованного резистора.

Поместите один резистор выборки на фазу с точностью 15 ppm/°C или лучше и допуском ±0.5%, а измерительные дорожки проложить звездой от каждого резистора к контроллеру. Добавить шунт класса I емкостью 100 нФ на каждом измерительном узле для фильтрации коммутационных шумов без добавления температурно-зависимого смещения.

Стратегия 4: Выберите количество фаз по току нагрузки.

Используйте две фазы с частотой 300 кГц каждая для тока от 20 до 40 А, четыре фазы с частотой 200 кГц для тока от 40 до 80 А и шесть фаз с частотой 150 кГц для тока от 80 до 120 А. Такая схема обеспечивает баланс между подавлением пульсаций, количеством компонентов и управляющим воздействием, а также поддерживает пульсации каждой фазы в диапазоне, где работает уравнение подавления, описанное в §2.1.

Стратегия 5: Разделение входного сигнала с помощью гибридного блока, где шина находится в высоком состоянии.

Над шиной 100 В разместите конденсаторы класса I класса 10–100 нФ (1 кВ) непосредственно на каждом входном клеммном выводе фазы для высокочастотных переходных процессов, а основные алюминиевые конденсаторы (100–470 мкФ) расположите на расстоянии 20–30 мм. Керамика обрабатывает край, а основная часть удерживает энергию. В местах, где входная цепочка состоит из нескольких последовательно соединенных устройств, добавьте градуировочные резисторы Таким образом, ни один автобус не занимает больше своей доли автобусного пространства.

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. Конденсаторы HVC для чередующихся драйверов насосов

Выбор параметров на этом узле определяется тремя требованиями: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), соответствующее каждой фазе, емкость, сохраняющая свои характеристики при смещении и нагреве, и шунт, выдерживающий непрерывный высокочастотный ток. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 (T3M) для этого комплекта на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Подгонка ESR в пределах ±5% по всем производственным партиям позволяет удерживать дисбаланс, вызванный ESR, в четырехфазном преобразователе ниже 0.3%, в отличие от 1.2%, которые возникают при 15% разбросе электролитического тока.
• Значение tan δ, равное или ниже 0.1%, обычно 0.05%, при 1 МГц обеспечивает самонагрев менее 0.5 Вт на компонент при среднеквадратичном токе пульсаций 3 А, в отличие от 2–4 Вт для компонента класса 2, поэтому герметичному модулю не требуется специальное охлаждение конденсатора.
• Температурный коэффициент, близкий к ±30 ppm/°C, обеспечивает поддержание емкости в пределах 0.35% в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C, поэтому коэффициент компенсации остается в пределах 2% от проектного целевого значения даже при сезонных колебаниях в нерегулируемых производственных условиях.
• Диапазон напряжений от 1 кВ до 100 кВ охватывает шину модуля от 48 В до 60 В и линию постоянного тока от 200 В до 400 В для устройств того же семейства, а также источники накачки мощностью от 100 Вт до 30 кВт.
• Емкость остается в пределах 2% после 50 000 часов при 85 °C, а собственный ресурс превышает 100 000 часов, в то время как алюминиевый электролитический конденсатор теряет от 40% до 50% своей емкости в том же диапазоне.
• Винтовые компоненты на 40 кВ прошли квалификацию в качестве прямой замены японских винтовых конденсаторов Murata в программах ремонта источников света для литографии и включены в спецификации новых конструкций источников света DUV.

Радиально-выводные диски, винтовые клеммы и дверная ручка конденсаторы Диапазон напряжения составляет от 1 кВ до 150 кВ. Компоненты HVC соответствуют параметрам... Vishay HVCC, радиальный проводник KEMET, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты фаз — в течение 6–10 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в моделировании преобразователей с чередованием фаз, согласовании ESR для фазовых решеток, тепловом анализе герметичного корпуса и выборе емкости для заданного целевого уровня пульсаций.

Отправьте ток нагрузки, количество фаз, частоту переключения, напряжение шины и целевой уровень пульсаций. HVC вернет согласованный по фазам набор данных с информацией об эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) для каждого блока, рекомендацию по использованию байпаса и комплект для оценки с двумя образцами в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Насколько эффективно устраняется эффект чередования?

При четырех фазах с коэффициентом заполнения 0.5 пульсации на выходе падают до 0.063 от одной фазы, что составляет 93.7%, от I_ripple_total = I_ripple_phase × (1/(N × sin(π/N))) × |sin(N × π × D)|. Наилучшее подавление наблюдается при коэффициенте заполнения около 0.5 и ослабевает по мере приближения коэффициента заполнения к 0 или 1.

Вопрос 2: Какой конденсатор пропускает наибольший ток?

Входной конденсатор. Привод на 60 А с четырьмя фазами и коэффициентом заполнения 0.5 пропускает 3.75 А среднеквадратичного значения через входной конденсатор каждой фазы и 15 А среднеквадратичного значения через весь входной блок. Выходной блок получает 87 мА среднеквадратичного значения, поскольку фазы компенсируют большую часть пульсаций до их поступления.

В3: Почему входное ЭПР имеет большее значение, чем выходное ЭПР?

Поскольку входной ток является током нагрузки, а его падение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) изменяет эффективное напряжение, от которого работает каждая фаза. 15% ESR, распределенное между четырьмя входными конденсаторами, приводит к дисбалансу тока между фазами от 0.8% до 1.2%; согласование ESR с допуском ±5% позволяет удерживать этот дисбаланс ниже 0.3%.

Вопрос 4: Сколько фаз мне следует использовать?

Два импульса на частоте 300 кГц для тока от 20 до 40 А, четыре на частоте 200 кГц для тока от 40 до 80 А и шесть на частоте 150 кГц для тока от 80 до 120 А. Большее количество фаз компенсирует больше пульсаций и рассеивает тепло, но это происходит за счет большего количества драйверов затвора, большего количества каналов считывания и более сложного контроллера.

В5: Почему бы не использовать X7R в качестве выходного банка?

Поскольку постоянное смещение и температура составляют от 10% до 30% от номинального значения, конденсаторная батарея емкостью 10 мкФ при напряжении 5 В дает 6–7 мкФ при напряжении 4.5 В и температуре 85 °C, что увеличивает пульсации напряжения на 40–60% и, соответственно, сдвигает длину волны накачки. Компонент класса I обеспечивает точность в пределах ±0.35% в заданном диапазоне и поддерживает коэффициент подавления на целевом уровне.

В6: Что произойдет, если в одной из фаз выйдет из строя шунтирующий конденсатор затвора?

Эта фаза переключается с перебоями, и её доля нагрузки переходит на другие фазы, что приводит к срабатыванию защиты от перегрузки по току или повреждению диодной полосы. Используйте шунт класса I на каждом драйвере с контуром токовой нагрузки менее 2 нГн и проверяйте шунтирующие элементы с той же периодичностью, что и силовые конденсаторы.

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 60384-1:2018, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики.
5. М. Маркезони и др., Минимизация пульсаций напряжения на конденсаторе в преобразователе напряжения для высоковольтных систем постоянного тока., в материалах Международной конференции AEIT HVDC 2019 года (AEIT HVDC), стр. 1-6, 2019. https://doi.org/10.1109/aeit-hvdc.2019.8740647
6. Ю. Гао, С. Лян, В. Бао, Ч. У и С. Ли, Анализ разрушения композитного изолятора в условиях полевого хрупкого разрушения: характеристика методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.Высокое напряжение, том 4, № 2, стр. 89-96, 2019. https://doi.org/10.1049/hve.2018.5084.
7. Вопросы применения многослойных керамических конденсаторов BME высокого напряжения.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS International 2012), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2012CARTS-ApplicationConsiderationsHighVoltBME-X7RCeramicCapacitors.pdf .
8. УЛ 810, Стандарт безопасности для конденсаторов, 6-е изд. Нортбрук: UL Standards & Engagement, 2019.
9. МЭК 62477-1:2022, Требования безопасности для силовых электронных преобразовательных систем и оборудования — Часть 1: Общие положения, 2-е изд. Женева: МЭК, 2022.
10. 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.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com