Поставки для волоконных лазерных насосов: ООО «Резонансное мягкое переключение»

Поставки для волоконных лазерных насосов: ООО «Резонансное мягкое переключение»

Резюме

Источники питания волоконных лазеров работают от шины 400–800 В и обеспечивают ток от 10 до 60 А с пульсациями менее 1% от пикового значения. Жесткое переключение на частоте 200 кГц и выше приводит к превышению напряжения на шине в 1.5 раза и излучению в диапазоне от 30 МГц до 300 МГц. В данной статье рассматриваются уравнения для колебательного контура LLC, резонансное напряжение конденсатора, граничные условия ZVS и выбор конденсатора, обеспечивающий поддержание частоты контура 250 кГц в течение 100 000 часов.

1. Введение

Волоконные лазеры мощностью от 1 кВт до 30 кВт используют многоступенчатые массивы диодов накачки, для которых требуется пульсация тока менее 1% от пикового значения. Преобразователь работает от шины 400–800 В и подает ток от 10 до 60 А при напряжении от 2 до 5 В на каждый диодный массив.

В понижающем или обратноходовом преобразователе с жестким переключением на частоте 200 кГц и выше происходит потеря энергии на каждом фронте. Выброс при выключении первичного ключа достигает 1.5–2 раз напряжения шины, а результирующий фронт излучается в диапазоне от 30 МГц до 300 МГц.

В топологии LLC ток в контуре стабилизации преобразуется в синусоиду, благодаря чему первичные ключи включаются при нулевом напряжении, а вторичные выпрямители восстанавливаются при токе, близком к нулю. Потери при переключении снижаются на 60–80%, а кондуктивные помехи — на 15–20 дБ.

В данной статье рассматриваются уравнения для контура, резонансное напряжение конденсатора, граничные условия режима нулевого напряжения (ZVS), четыре пути отказа, а также выбор конденсатора, обеспечивающий поддержание частоты контура.

2. Основной механизм

2.1 Параметры резонансного контура

Резонаторный контур состоит из трех компонентов: последовательно включенного индуктора L_r, последовательно включенного конденсатора C_r и намагничивающей индуктивности L_m. Резонансная частота последовательного соединения следующая:

f_r = 1 / (2π × √(L_r × C_r))

где f_r — частота последовательного резонанса, L_r — индуктивность последовательного соединения, а C_r — резонансная емкость.

Вторая, более низкая частота следующая:

f_m = 1 / (2π × √((L_r + L_m) × C_r))

где f_m — резонанс намагничивания, L_m — индуктивность намагничивания, а остальные члены такие же, как указано выше. Преобразователь работает в диапазоне частот от f_m до f_r, и коэффициент усиления напряжения на нормированной частоте f_n определяется следующим образом:

M(f_n, Q) = 1 / √[(1 + 1/k − 1/(k × f_n²))² + Q² × (f_n − 1/f_n)²]

где M — коэффициент усиления, f_n — частота переключения, деленная на f_r, k — отношение L_m/L_r, а Q — добротность, которая равна √(L_r/C_r), деленной на отраженное сопротивление нагрузки.

2.2 Ток и потери резонансного конденсатора

Ток в колебательном контуре имеет почти синусоидальную форму, и весь этот ток проходит через конденсатор:

I_C_rms = I_out × π / (2 × √2 × n)

где I_C_rms — ток конденсатора, I_out — выходной ток, а n — коэффициент трансформации трансформатора. Выходной ток 30 А при коэффициенте трансформации 8 дает 4.2 А среднеквадратичного значения.

Максимальное напряжение на конденсаторе достигается в:

V_C_peak = √2 × I_C_rms / (2π × f_r × C_r)

где V_C_peak — пиковое напряжение на конденсаторе, I_C_rms — ток колебательного контура, f_r — частота последовательного резонанса, а C_r — резонансная емкость.

Для поддержания пикового напряжения 280 В при среднеквадратичном токе 4.2 А и частоте 250 кГц требуется емкость колебательного контура около 13.5 нФ, что соответствует семи параллельно соединенным элементам емкостью 2.2 нФ, каждый из которых потребляет 0.6 А среднеквадратичного тока. При этом каждый элемент будет находиться под напряжением около 246 В, что находится в пределах номинального напряжения 600 В с запасом на ступенчатое изменение нагрузки.

Убытки банка следующие:

P_loss = I_C_rms² × ESR

где P_loss — рассеиваемая мощность, I_C_rms — ток через элемент, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление. Один элемент, пропускающий полный ток 4.2 А среднеквадратичного значения, потребляет 2.1 Вт при 120 мОм, а тот же ток, распределенный между семью элементами, потребляет 0.30 Вт при 120 мОм или 0.05 Вт при 20 мОм.

2.3 Граница переключения при нулевом напряжении

Ток намагничивания должен вызвать колебание напряжения на шине в узле переключателя за время задержки:

½ × L_m × I_m² ≥ C_oss × V_in²

где L_m — индуктивность намагничивания, I_m — ток намагничивания в момент переключения, C_oss — выходная емкость переключателя, а V_in — напряжение шины.

Намагничивающий ток следует далее:

I_m = V_in × t_dead / (2 × L_m)

где t_dead — мертвое время, а остальное — как указано выше. Неравенство должно выполняться в диапазоне от 10% до 100% номинальной нагрузки. При малой нагрузке намагничивающий ток падает, неравенство может нарушиться, и переключатели переходят в режим жесткого переключения с пиком электромагнитных помех на каждом фронте.

2.4 Дрейф частоты, вызванный дрейфом конденсатора

Резонансная частота изменяется вместе с емкостью, поэтому стабильность всего контура зависит от одной его части. Конденсатор, теряющий 15% своего значения, изменяет f_r примерно на 8%, чего достаточно, чтобы удерживать преобразователь вне зоны переключения при нулевом напряжении (ZVS) в части диапазона нагрузки.

Рис. 1 — Семь элементов емкостью 2.2 нФ пропускают среднеквадратичный ток колебательного контура 4.2 А на частоте 250 кГц, поэтому их эквивалентное последовательное сопротивление определяет как потери в контуре, так и стабильность частоты преобразователя.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Резонансное эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора, которое сдвигает частоту.

Компонент C0G с выходным напряжением выше 200 В выпускается только с небольшими значениями емкости, менее 10 нФ, поэтому для колебательного контура необходима параллельная схема с дополнительной паразитной индуктивностью. Компонент X7R обеспечивает необходимое значение емкости в одном корпусе, но имеет эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) от 80 до 150 мОм на частоте колебательного контура, и после 10 000 часов работы при 85 °C он может потерять от 15% до 20% своей емкости. Это смещает резонансную частоту на 8-10% и выводит преобразователь из режима нулевого напряжения (ZVS).

Проблема 2: Недостаточный запас напряжения для ступеней нагрузки.

Контроллер лазера переходит из режима ожидания в режим полной мощности примерно за 10 мкс, и резонансный конденсатор во время этого перехода испытывает перенапряжение, в 1.3–1.5 раза превышающее его пиковое значение в установившемся режиме. Компонент, работающий при напряжении 300 В и пиковом напряжении 260 В, имеет запас прочности в 15%, который расходуется в процессе переходного процесса.

Разряд на границе диэлектрика вызывает эрозию детали и повышает её эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). В установках мощностью 10 кВт 22% отказов LLC-преобразователей в течение первых 8,000 часов связаны с резонансным конденсатором. пленочный конденсатор обеспечивает большую прибыль в более крупном формате, и выбор сводится к доступному пространству.

Проблема 3: обходные конденсаторы, которые трескаются при высоком значении dV/dt.

Входные шунтирующие конденсаторы на полумостовой схеме пропускают от 5 до 10 В/нс на каждом переходе. Деталь с тангенсом угла диэлектрических потерь (tan δ) выше 0.5% рассеивает энергию на каждом фронте и образует внутренние горячие точки. После 20 000 часов работы в диэлектрике появляются микротрещины, возрастает ток утечки, и источник питания издает прерывистый шум, который трудно обнаружить в процессе производства.

Проблемный момент 4: Тепловая связь между резонатором и драйвером диода.

Каждый резонансный конденсатор рассеивает от 0.5 до 1.5 Вт, и в компактном модуле это тепло повышает температуру соседних резисторов датчика тока на 5–12 °C. Дрейф показаний датчика на 0.05–0.12% на канал накапливается по восьми каналам накачки, достигая 1% от общего дисбаланса тока, что проявляется в виде сдвига длины волны.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Оснастить резервуар диэлектриком класса I.

Используйте N4700 Компонент класса I с тангенсом угла диэлектрических потерь ниже 0.1% для резонансного конденсатора. Компонент емкостью 2.2 нФ при номинальном напряжении 300 В снижает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) со 120 мОм до менее 20 мОм. При его доле в 0.6 А среднеквадратичного значения это составляет 7 мВт против 43 мВт, а один элемент, пропускающий полный ток 4.2 А среднеквадратичного значения, потребляет 0.35 Вт против 2.1 Вт. Диэлектрик класса I также устраняет дрейф частоты, присущий компоненту класса 2.

Стратегия 2: Снизить напряжение вдвое на этапе нагрузки.

Номинальное напряжение резонансного конденсатора должно составлять 2× пикового значения в установившемся режиме. При пиковом напряжении 280 В требуется конденсатор на 600 В. Этот запас позволяет удерживать напряжение ниже уровня начала частичного разряда во время ступенчатого изменения нагрузки, а конденсатор класса I удерживает частичные разряды ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем его номинальное значение, в качестве второго уровня запаса.

Стратегия 3: Установите коэффициент индуктивности для режима нулевого напряжения при широкой нагрузке.

Удерживайте k = L_m/L_r в диапазоне от 5 до 7, что обеспечивает выполнение неравенства ZVS от 20% до 100% нагрузки при C_oss на узле переключения. Точка малой нагрузки имеет наибольшее значение, поскольку именно там ток намагничивания минимален и именно там лазер проводит время в режиме ожидания.

Стратегия 4: Распределить ток в баке между параллельно соединенными частями.

При токе выше 5 А среднеквадратичного значения, параллельно установите несколько конденсаторов с номинальным током от 1 до 2 А среднеквадратичного значения каждый и расположите их симметрично вокруг резонансного индуктора с одинаковой длиной дорожек. Одинаковая длина дорожек обеспечивает равенство индуктивностей ветвей, поэтому ток в ветвях не будет чрезмерно велико. Корпус HVCT8G с радиальными выводами обеспечивает эквивалентную индуктивность ниже 30 нГн и работает в параллельном режиме до 500 кГц. В местах, где последовательная цепочка конденсаторов использует общую шину высокого напряжения, добавьте градуировочные резисторы Таким образом, подразделение в Вашингтоне остаётся на прежнем уровне.

Стратегия 5: Отделить колебательный контур от драйвера диода и подавить сигналы на выпрямители.

Расположите резонансные компоненты на расстоянии не менее 15 мм от диодного драйвера тока, с заземленной медной заливкой между ними. Разместите резонансный контур на первичной плате, а резисторы датчика — на вторичной плате, поперек изоляционной границы. Это снизит перекрестную связь с 12 °C до менее 3 °C и удержит дрейф датчика около ±0.03%, что обеспечит согласование каналов в пределах ±0.5%.

На вторичной обмотке установите конденсаторы емкостью от 100 до 470 пФ параллельно каждому выпрямителю, чтобы поддерживать dV/dt ниже 3 В/нс и снизить вторичные электромагнитные помехи на 8–12 дБ. Измерьте параметры каналов измерения с помощью... резистор выборки Таким образом, любое отклонение проявляется до того, как достигнет 1%.

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 для источников питания резонансных насосов LLC.

Выбор на этом узле определяется тремя требованиями: низким тангенсом угла потерь, чтобы тепловыделение от бака оставалось небольшим, стабильной емкостью, чтобы резонансная частота сохранялась, и уровнем частичных разрядов, достаточно низким, чтобы ступенчатое изменение нагрузки не оставляло после себя повреждений. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 (T3M) для этого комплекта на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, для напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ) составляет 0.1% или меньше, обычно 0.05%, при частоте 1 МГц, по сравнению с 0.5%–2.0% для диэлектрика класса 2, с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) ниже 20 мОм при 300 кГц, что обеспечивает ток от 3 до 5 А среднеквадратичного значения без снижения теплового режима.
• Температурный коэффициент, близкий к ±30 ppm/°C, обеспечивает сохранение емкости в пределах 0.35% в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C, что ограничивает дрейф колебаний резонансного контура с частотой 250 кГц примерно до 440 Гц, или 0.18%, поэтому переключение при нулевом напряжении сохраняется при любой рабочей температуре.
• Доза плазмы ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, останавливает кумулятивную эрозию, которая повышает эквивалентное последовательное сопротивление в стандартной керамической детали.
• Корпуса HVCT8G с радиальными выводами обеспечивают эквивалентную индуктивность (ESL) ниже 30 нГн и поддерживают работу колебательного контура до 500 кГц, что позволяет поддерживать синусоидальный ток контура и снижает потребность в фильтре.
• Емкость остается в пределах 2% после 50 000 часов при температуре 85 °C, а собственный ресурс превышает 100 000 часов, что исключает необходимость плановой замены конденсатора.
• 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 резонансных контуров — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в моделировании резонансных контуров, подборе конденсаторов для параллельных массивов, тепловом анализе компоновки контуров, а также в выборе напряжения и емкости для заданной топологии.

Отправьте напряжение шины, выходной ток, диапазон частот переключения, индуктивность колебательного контура и коэффициент трансформации трансформатора. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит рекомендации по резонансному конденсатору с данными ESR, отчет о частичных разрядах и комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему бы не использовать конденсатор X7R в резонансном контуре?

Потому что и его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), и дрейф оказывают негативное влияние. Микросхема X7R емкостью 2.2 нФ работает с сопротивлением от 80 до 150 мОм на частоте колебательного контура, а один элемент, пропускающий полный ток 4.2 А среднеквадратичного значения, рассеивает 2.1 Вт и повышает температуру корпуса на 15–25 °C. После 10 000 часов работы при 85 °C она может потерять от 15% до 20% своего значения и сместить частоту f_r на 8–10%, что выводит преобразователь из режима нулевого напряжения (ZVS).

В2: Какой запас по напряжению необходим для резонансного конденсатора?

Оцените его значение как в 2 раза превышающее пиковое значение в установившемся режиме. Переход лазерной нагрузки из режима ожидания в режим полной мощности за 10 мкс приводит к превышению напряжения в 1.3–1.5 раза, и у компонента, работающего на 300 В при напряжении 260 В, остается всего 15% мощности для этого события. Компонент, работающий на 600 В, преодолевает пиковое значение при 280 В, и разряд фотодиода остается ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное.

В3: Что определяет границу ZVS?

Неравенство ½ × L_m × I_m² ≥ C_oss × V_in². Ток намагничивания I_m уменьшается с увеличением нагрузки, поэтому граница достигается при малой нагрузке. Удержание k = L_m/L_r в диапазоне от 5 до 7 позволяет сохранить неравенство верным до 20% от номинальной нагрузки, что охватывает режим ожидания.

Вопрос 4: Как разделить ток в контуре, превышающий 5 А среднеквадратичного значения?

Параллельно расположенные конденсаторы с номинальным током от 1 до 2 А среднеквадратичного значения размещаются симметрично вокруг резонансного индуктора с одинаковой длиной дорожек. Одинаковая длина дорожек обеспечивает равенство индуктивностей ветвей, поэтому ток делится равномерно. Корпус с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 30 нГн также сохраняет синусоидальную форму до 500 кГц.

Вопрос 5: Влияет ли нагрев бака на работу драйвера тока диода?

Это происходит, когда оба блока расположены на одном радиаторе. Резонансный конденсатор, рассеивающий от 0.5 до 1.5 Вт, повышает температуру соседних резисторов датчика на 5–12 °C, что добавляет от 0.05% до 0.12% дрейфа показаний на канал и до 1% общего дисбаланса по восьми каналам. Чтобы удержать это повышение температуры ниже 3 °C, необходимо поддерживать расстояние в 15 мм и заземлить блок между двумя блоками.

В6: Как долго резонансная частота остается на заданном уровне?

При использовании диэлектрика класса I емкость остается в пределах 2% после 50 000 часов работы при 85 °C. На частоте 250 кГц это составляет около 0.18%, что находится в пределах диапазона ZVS, поэтому преобразователю не требуется адаптивное регулирование частоты. У компонентов класса 2 дрейф значительно больше за первые 10 000 часов.

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. У. К. Нанналли и др., Дифференциальное измерение быстроразрядного конденсатора, индуктивности и сопротивленияIEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, том 24, № 2, стр. 112-114, 1975. https://doi.org/10.1109/tim.1975.4314389
6. Л. Чжэн, Л. Чжу, Дж. Лю, З. Ди и С. Цзи, Самовосстанавливающиеся характеристики металлизированного пленочного конденсатора при постоянном и переменном напряжении с гармониками., в сборнике трудов конференции IEEE по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям (CEIDP), 2022 г., стр. 175-178, 2022 г. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286.
7. ANP109: Импедансные спектры различных технологий конденсаторов, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, https://www.we-online.com/ANP109.
8. США 9,620,285 B2, Конденсаторы для высоковольтного заряда и высокотокового разряда, 受让人未标注, 2017 г., https://patents.justia.com/patent/9620285.
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com