Драйверы лазерной накачки: распределение тока с помощью высоковольтных конденсаторов.

Драйверы лазерной накачки: распределение тока с помощью высоковольтных конденсаторов.

Резюме

Волоконный лазер мощностью 10 кВт управляет 4–12 массивами накачки с током 20 А на канал, а для фиксации длины волны требуется распределение тока с точностью ±0.5%. Это определяется выходными конденсаторами, резисторами датчика и шунтирующими конденсаторами драйвера затвора. В данной статье рассматривается соотношение просадки напряжения, распределение пульсаций, обусловленное эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), ошибка измерения, вызванная тепловым дрейфом, и правила выбора, позволяющие удерживать восемь каналов в пределах ±0.5% в течение 50 000 часов.

1. Введение

Промышленные волоконные лазеры с длиной волны от 1060 до 1080 нм управляют массивами из 4–12 диодов накачки, каждый из которых обеспечивает оптическую мощность от 100 до 300 Вт на длинах волн 915 или 976 нм. Каждый массив питается от собственного импульсного преобразователя с током от 10 до 40 А.

Фиксация длины волны и качество пучка зависят от распределения тока. Распределение 5% тока между восемью каналами приводит к распределению 5% оптической мощности между волокнами накачки, и это несоответствие проявляется в виде горячей точки в месте соединения усиливающего волокна.

Согласно данным сервисной документации, сбои в распределении тока составляют более 35% от всех замен насосных модулей. Стоимость модуля составляет от 2,000 до 8,000 долларов США, поэтому стоит предусмотреть устранение ошибки в распределении тока при проектировании.

В данной статье рассматриваются зависимость просадки напряжения, разделение пульсаций, обусловленное эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), ошибка измерения, вызванная тепловым дрейфом, четыре пути отказа и правила работы компонентов, обеспечивающие целостность каналов.

2. Основной механизм

2.1 Распределение просадки и требования к допустимым отклонениям

Управление с помощью просадки напряжения позволяет выходному напряжению падать по мере увеличения тока нагрузки, а коэффициент определяет распределение напряжения:

R_droop = ΔV / ΔI_out

где R_droop — коэффициент просадки напряжения, ΔV — допустимая просадка напряжения, а ΔI_out — изменение тока, которое её вызывает.

Допуски, которым должны соответствовать резисторы регулирования напряжения, следующие:

δR / R ≤ (2 × ΔI_share) / (N × I_total)

где δR/R — относительный допуск резистора, ΔI_share — допустимая ошибка распределения, N — количество параллельных каналов, а I_total — общий выходной ток. Для восьми каналов по 20 А каждый с целевым значением распределения ±2% резисторы регулирования должны обеспечивать ±0.5%.

2.2 Выходное эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора и разделение пульсаций

Каждый канал передает свою долю пульсаций выходного тока:

I_ripple = V_out × (1 − D) / (f_sw × L × N_ch)

где I_ripple — пульсирующий ток на канал, V_out — выходное напряжение, D — коэффициент заполнения, f_sw — частота переключения, L — индуктивность фильтра, а N_ch — количество каналов.

Когда эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) различается между каналами, происходит перераспределение пульсаций:

ΔI_ripple_k = I_ripple_total × (ESR_avg − ESR_k) / (N_ch × ESR_avg)

где ΔI_ripple_k — дополнительная пульсация в канале k, I_ripple_total — общая пульсация, ESR_avg — среднее эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) по всем каналам, а ESR_k — ESR этого канала. 20% ESR, распределенное по восьми конденсаторам, перемещает около 2.5% пульсации в один канал, и эта ошибка добавляется к ошибке распределения постоянного тока.

2.3 Точность измерительного резистора и температурный дрейф

Управление в режиме пикового тока считывает ток индуктора через измерительный резистор, и ошибка состоит из двух составляющих:

ΔI_sense / I_sense = √[(ΔR / R)² + (α × ΔT)²]

где ΔI_sense/I_sense — относительная погрешность измерения, ΔR/R — начальный допуск, α — температурный коэффициент сопротивления, а ΔT — повышение температуры резистора.

Толстопленочный элемент с α = ±50 ppm/°C и повышением температуры на 40 °C сам по себе добавляет 0.2% погрешности. При слабой тепловой связи между каналами этот член различается от канала к каналу и напрямую входит в сумму распределения.

2.4 Чередование и эффективная пульсация

Смещенные на 360°/Н соседние каналы частично компенсируют пульсации в общем узле. При наличии восьми каналов смещение составляет 45°, эффективная частота пульсаций становится 8×f_sw, а выходной конденсатор пропускает меньший пульсационный ток, чем при использовании одного канала. Меньший пульсационный ток означает меньший нагрев, вызванный эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), и меньший разброс ESR в течение срока службы, что обеспечивает стабильность баланса распределения.

Рис. 1 — Два из N чередующихся каналов подают по 20 А каждый на общую шину питания. Резисторы датчика определяют ошибку распределения, а выходной конденсатор ESR распределяет пульсации между ними.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: несоответствие СОЭ, из-за которого пульсация смещается в один канал.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют допуск по эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR) от ±20% до ±40%. В четырехканальной системе на 80 А разброс в 30% приводит к увеличению пульсаций тока в одном из каналов до 8%, что вызывает его нагрев, повышение ESR и дальнейшее усиление пульсаций. Цикл продолжается до тех пор, пока самый слабый конденсатор в блоке не станет самым горячим.

Проблема 2: Выявление дрейфа резистора из-за тепловой перекрестной связи.

Измерительный резистор, установленный рядом с силовым выключателем, считывает температуру выключателя, а также ток. Разница температур в 15 °C между двумя соседними выключателями может быть незначительной. резистор выборки При концентрации носителей заряда 100 ppm/°C в каналах возникает смещение на 0.15%, что соответствует дисбалансу в 120 Вт в лазере мощностью 10 кВт, сдвигу длины волны на 0.3 нм и потерям поглощения накачки на 2%.

Проблема 3: конденсаторы шунтирования драйвера затвора, теряющие емкость.

Развязывающий конденсатор с широким температурным коэффициентом теряет значение по мере нагрева драйвера, поэтому импеданс контура затвора возрастает, а фронт переключения замедляется. Изменение времени нарастания затвора на 10% между параллельными ключами создает сквозной канал, который создает нагрузку на оба устройства и повышает излучение источника питания. пленочный конденсатор В этом положении керамика сохраняет свои свойства лучше, чем керамика класса 2, а керамика класса 1 сохраняет их лучше, чем любая из них.

Проблема 4: Прогрессивный дрейф в течение 20 000 часов работы.

Источники накачки работают круглосуточно в помещениях с температурой от 35 °C до 50 °C. После 20 000 часов работы электролитическая батарея теряет от 30% до 40% своей емкости, а ее эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) возрастает на 50% до 100%, поэтому баланс распределения энергии смещается вместе с ней. Это смещение остается незаметным до тех пор, пока мощность лазера не упадет ниже технологического предела.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Заменить электролитический выходной блок на керамический блок класса 1.

An N4700 Выходной конденсатор обеспечивает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ниже 5 мОм на частоте 100 кГц с допуском ±5%, что в пять раз точнее, чем у электролитического конденсатора. В четырехканальной системе при токе 20 А на канал это позволяет поддерживать дисбаланс пульсаций ниже 1.3% и длину волны в пределах ±0.1 нм.

Стратегия 2: Укажите сопротивление резисторов датчика на уровне 15 ppm/°C и обеспечьте их термическую связь.

Выберите толстопленочный или металлополосковый резистор с сопротивлением 15 ppm/°C или лучше, установите его на термопрокладку с контролируемым путем к радиатору и поддерживайте разницу температур между каналами ниже 5 °C. В этом случае погрешность измерения останется в пределах ±0.075%, что составляет менее 0.1% от общей суммы.

Стратегия 3: Заглушить каждый драйвер затвора стабильным диэлектриком.

Подключите конденсатор N4700 емкостью 100 нФ непосредственно к выводам питания драйвера затвора, обеспечив общую индуктивность контура менее 2 нГн. Диэлектрик класса 1 сохраняет свои значения в пределах ±0.35% в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C, поэтому каждый параллельно подключенный переключатель получает один и тот же фронт сигнала на затворе независимо от температуры корпуса.

Стратегия 4: Чередование каналов

Смещение соседних каналов на 360°/Н, что составляет 45° для восьми каналов. Чередование повышает частоту пульсаций до N-кратного значения частоты переключения, что уменьшает пульсационный ток в выходном блоке и устраняет дисбаланс, вызванный ESR. В тех случаях, когда цепочка конденсаторов использует общую шину высокого уровня, добавьте градуировочные резисторы Таким образом, подразделение в Вашингтоне не создает собственного дисбаланса.

Стратегия 5: Добавить цикл совместного использования по схеме "ведущий-ведомый" для оставшихся половины процента.

Пусть один канал регулирует выходное напряжение, а остальные следуют общему опорному току. Эта схема снижает ошибку распределения ниже ±0.5% даже при широком диапазоне допусков компонентов, ценой использования одного операционного усилителя на канал. Используйте её там, где пассивное согласование само по себе не позволяет достичь целевого результата.

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. Компоненты HVC для многоканальных драйверов насосов

Выбор на этом узле определяется тремя требованиями: выходной блок, обеспечивающий согласование с точностью до нескольких процентов, измерительный элемент, сохраняющий свое значение при изменении температуры, и шунтирующий конденсатор, поддерживающий одинаковый фронт затвора по всем каналам. Компания HVC поставляет этот комплект с собственного завода площадью 6,000 м² в Дунгуане, используя диэлектрик N4700 (T3M) класса I для напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Диэлектрик N4700 имеет температурный коэффициент около ±30 ppm/°C и изменение емкости менее 0.35% в рабочем диапазоне, поэтому каждый канал получает одинаковую выходную характеристику фильтра.
• Допуск ESR ниже ±5% позволяет удерживать разброс пульсаций тока ниже 1.3%, что обеспечивает длину волны накачки в пределах ±0.1 нм.
• После 50 000 часов работы при температуре 85 °C емкость остается в пределах 2%, поэтому баланс распределения емкости не изменяется в течение интервала обслуживания, как это происходит с электролитическими батареями.
• Корпуса HVCT8G с радиальными выводами обеспечивают эквивалентную индуктивность (ESL) ниже 30 нГн и поддерживают работу в режиме чередования до 500 кГц, что сохраняет переходную характеристику при изменении нагрузки.
• Частичная разрядность ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, в линиях постоянного тока от 400 В до 800 В предотвращает внутреннюю эрозию, которая со временем могла бы привести к смещению согласования ESR.
• Компоненты с винтовыми клеммами 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 конденсаторов — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в моделировании распределения тока, подборе конденсаторов с заданным допуском, тепловом анализе цепи измерения и проектировании шунтирующей схемы для контура управления затвором.

Отправьте количество каналов, ток на канал, напряжение звена постоянного тока, частоту переключения и целевое значение совместного использования. HVC вернет согласованный набор с данными ESR для каждого устройства, рекомендацией по резистору датчика и комплектом для оценки из двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Насколько плотным должно быть эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора?

В пределах ±5% по всем каналам. 20%-ное распределение по восьми конденсаторам приводит к тому, что около 2.5% пульсаций тока перетекает в один канал через ΔI_ripple_k, а 30%-ное распределение электролитического тока в четырехканальной системе на 80 А достигает 8%. Керамические конденсаторы класса 1 с ±5%-ным распределением обеспечивают разброс пульсаций ниже 1.3%.

В2: Каким должен быть допуск резистора, регулирующего просадку напряжения?

Для восьми каналов по 20 А каждый с целевым значением ±2% погрешности, лучше ±0.5%, при δR/R ≤ (2 × ΔI_share) / (N × I_total). Если пассивный допуск не может достичь целевого значения, добавьте контур "ведущий-ведомый", чтобы удержать погрешность ниже ±0.5%.

В3: Почему температура измерительного резистора имеет такое большое значение?

Поскольку эта погрешность напрямую влияет на общую сумму. Разница в 15 °C между соседними каналами при 100 ppm/°C дает смещение на 0.15%, что составляет 120 Вт из 10 кВт выходной мощности, сдвиг длины волны на 0.3 нм и потерю поглощения накачки на 2%. Часть с разницей в 15 ppm/°C и разбросом в 5 °C удерживает погрешность на уровне ±0.075%.

Вопрос 4: Способствует ли чередование обмену информацией или только создает цепную реакцию?

И то, и другое. Фазовый сдвиг 360°/N компенсирует пульсации в общем узле, поэтому эффективная частота возрастает до N раз по сравнению с частотой переключения, а выходной конденсатор пропускает меньший пульсационный ток. Меньший пульсационный ток означает меньший нагрев ESR и более медленный дрейф ESR, что поддерживает стабильный баланс распределения на протяжении всего срока службы.

Вопрос 5: Какой диэлектрик следует использовать для шунтирования драйвера затвора?

Микросхема класса 1, например N4700, с емкостью 100 нФ на драйвер и индуктивностью контура менее 2 нГн. Она обеспечивает стабильность в пределах ±0.35% в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C, поэтому фронт сигнала на затворе остается неизменным на каждом параллельном переключателе, и между ними не возникает сквозного канала.

Вопрос 6: Как долго сохраняется баланс, предназначенный для распределения?

Конденсаторная часть сохраняет емкость в течение 50 000 часов при температуре 85 °C с отклонением не более 2%, что примерно в пять раз превышает срок службы электролитической батареи, теряющей от 30% до 40% своей емкости за 20 000 часов. Если резисторы датчика подключены с тем же интервалом, баланс будет оставаться в пределах ±0.5% на протяжении всего периода эксплуатации.

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. Й. Шнак, С. Брукнер, Х. Сунксен, У. Шуман и Р. Мальвиц, Анализ и оптимизация технологии электролитических конденсаторов для высокочастотного интегрального инвертора.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 11, no. 6, pp. 999-1011, 2021. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2021.3084371.
6. 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
7. Пленочные конденсаторы (МФУ) различных типов для требовательных применений.TDK Electronics (EPCOS), https://www.tdk-electronics.tdk.com/download/1211170/0a03733d8613c569c5a68ff1318e7c46/pdf-en.pdf .
8. 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 .
9. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器. Источник: 中国标准出版社, 2021.
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