Охлаждение высоковольтных конденсаторов в компактных лазерных источниках питания

Охлаждение высоковольтных конденсаторов в компактных лазерных источниках питания

Резюме

Высоковольтный блок лазерной резки мощностью 2 кВт/л теряет от 360 до 720 Вт мощности, занимая при этом треть прежнего объема. В этой статье приводится расчет тепловых параметров, определяющих температуру в самой горячей точке конденсатора, четыре основных варианта компоновки, влияющих на нее в герметичных модулях, а также варианты диэлектрических свойств, параметров воздушного потока и снижения номинальной мощности, позволяющие поддерживать температуру блока на 20 кВ ниже 96 °C.

1. Введение

Производители станков продолжают интегрировать высоковольтный блок лазерной резки в модульные стойки, отсеки на портальных платформах и ниши в раме станка. Плотность мощности выросла с 0.5 кВт/л десять лет назад до 2 кВт/л и выше в современных конструкциях. Те же потери теперь приходится на треть первоначального объема.

Большая часть этих потерь приходится на пассивные компоненты и магниты. Высокочастотный трансформатор, цепь умножителя и фильтрующие конденсаторы вместе рассеивают от 3% до 6% выходной мощности. Таким образом, устройство мощностью 12 кВт выделяет от 360 до 720 Вт тепла в компактном корпусе.

Конденсаторы хуже всего реагируют на нагрев. Срок их службы сокращается вдвое с каждым повышением внутренней температуры на 10 °C, а причины их отказов зависят от температуры: растрескивание диэлектрика, дрейф емкости и рост частичного разряда.

В этой статье приводятся расчеты тепловых параметров, четыре варианта компоновки, определяющие температуру в самой горячей точке конденсатора, а также выбор диэлектрика, параметров воздушного потока и параметров снижения номинальных характеристик, позволяющие герметичному интегральному блоку работать с полной плотностью без потери срока службы конденсатора.

2. Основной механизм

2.1 Объемная тепловая нагрузка

Единица объема V, рассеивающая общие потери тепла P_total, имеет объемную плотность тепла:

q_v = P_total / V

где q_v — объемная плотность тепла в Вт/л, P_total — общие потери тепла внутри корпуса, а V — объем корпуса. При мощности 720 Вт в корпусе объемом 12 л, q_v = 60 Вт/л, что в пять раз превышает нагрузку корпуса объемом 60 л.

Для отвода этого тепла происходит последовательный тепловой процесс от каждого компонента с потерями тепла к наружному воздуху:

T_hotspot = T_ambient + P_local × (R_th_component + R_th_interface + R_th_enclosure)

где T_hotspot — температура поверхности детали, T_ambient — температура входящего воздуха, P_local — потери в этом компоненте, а три члена R_th — тепловое сопротивление компонента, интерфейса и корпуса.

2.2 Самонагрев конденсатора

Потери в конденсаторе описываются уравнением пульсаций:

P_cap = I_rms² × ESR

где P_cap — рассеиваемая мощность конденсатора в Вт, I_rms — пульсирующий ток через него, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление на частоте переключения. При 9 А среднеквадратичного значения на 40 мОм P_cap = 3.2 Вт.

Повышение температуры, вызванное этими потерями, зависит от теплового сопротивления корпуса:

∆T_cap = P_cap × R_th

где ∆T_cap — повышение температуры над уровнем местного воздуха, P_cap — рассеиваемая мощность из предыдущего уравнения, а R_th — тепловое сопротивление корпуса в монтажном устройстве. При 12 °C/Вт в условиях плотной компоновки 3.2 Вт повышают температуру детали на 38 °C, тогда как при использовании термопрокладки, уменьшающей R_th вдвое до 6 °C/Вт, температура детали повышается на 19 °C.

2.3 Пределы конвекции и излучения

Свободная конвекция в герметичном корпусе отводит от 5 Вт/м²/°C до 10 Вт/м²/°C разницы температур между поверхностью и воздухом. Принудительная вентиляция увеличивает этот показатель до 20 Вт/м²/°C до 50 Вт/м²/°C. Излучение добавляет температурный член T⁴, который преобладает при температуре поверхности выше 80 °C.

Таким образом, удельная площадь корпуса на ватт ограничивает возможности компактных устройств. В большинстве герметичных конструкций причиной высокой температуры является не только эффективность компонентов, но и управление воздушным потоком.

2.4. Срок службы в зависимости от температуры

Срок службы конденсатора подчиняется правилу десяти градусов:

Life = L_rated × 2^((T_rated − T_actual) / 10)

где Life — ожидаемый срок службы, L_rated — номинальный срок службы при номинальной температуре, T_rated — номинальная температура сердечника, а T_actual — реальная температура сердечника. Снижение температуры сердечника со 115 °C до 96 °C увеличивает срок службы детали, рассчитанной на 2,000 часов при 105 °C, с 1,000 часов до 4,000 часов.

Рис. 1 — Тепловая нагрузка 60 Вт/л приводит к нагреву блока умножителей до 115 °C до тех пор, пока порядок воздушного потока, сопротивление корпуса R_th и диэлектрик с низкими потерями не выведут из цепи температуру на 19 °C.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Трансформатор создает тень над конденсаторной батареей.

В электрической последовательности конденсаторы умножителя располагаются после трансформатора. Это также является источником горячего отвода воздуха из трансформатора. Тепловизионная съемка показала, что конденсаторы работают на 15 °C горячее, чем при обдуве воздухом, и при этом частота отказов в полевых условиях удваивается.

Решение механическое, и начинается оно с воздуховода. Обеспечьте первый проход приточного воздуха к блоку и направьте отработанный воздух трансформатора прямо на выходную решетку.

Проблема 2: Герметизация задерживает тепло конденсатора.

Герметичные интегрированные модули предотвращают попадание пыли и не оставляют воздушных потоков. В герметичном конденсаторе на 40 кВ, рассеивающем 4 Вт, температура в герметичном корпусе повышается на 45 °C по сравнению с температурой окружающей среды в вентилируемом шкафу, тогда как в вентилируемом шкафу она составляет 20 °C, поскольку застой воздуха устанавливает сопротивление R_th на уровне корпуса.

Эпоксидная смола плохо проводит электричество (0.3 Вт/м·К). Внутри герметичного модуля деталь должна достигать опорной пластины по твердому проводнику, иначе единственным выходом остается воздух из полости.

Проблема 3: Высокочастотная СОЭ скрывает информацию в оценке убытков.

В тепловых расчетах часто используется расчетное эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) для частоты 1 кГц, указанное в технической документации. При частоте переключения 100 кГц эффективное ESR пленочного конденсатора возрастает в 2–3 раза. В результате расчет занижает температуру самой горячей точки конденсатора на 15 °C, и эта ошибка проявляется только в виде ранних отказов в полевых условиях.

Запросите значения ESR и пульсационного тока при реальной частоте переключения и реальной температуре корпуса. Скорректированные значения изменяют потери в 2–3 раза.

Проблема №4: Поток охлаждающего воздуха обходит наиболее нагревающиеся части.

В компактном воздуховоде воздух обходит плотный слой труб. Измеренный расход воздуха в блоке труб составлял 30% от номинальной мощности вентилятора, поэтому самые горячие части получали наименьшее охлаждение. Вентилятор выполнял свою работу, а воздуховод — нет.

Установка перегородок, более узкое сечение воздуховода и прямой входной патрубок позволяют восстановить поток. Проверьте это с помощью лопастного анемометра на плате, а не на выходе вентилятора.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Заменить диэлектрики с потерями на керамику класса I N4700.

N4700 поддерживает тангенс угла диэлектрических потерь на уровне 0.1% или ниже, поэтому мощность 3.2 Вт в §2.2 снижается до 0.8 Вт при том же среднеквадратичном токе пульсаций 9 А. Вклад самонагрева определяется формулой ∆T_cap = P_cap × R_th и снижается с 38 °C до 10 °C. Соберите аккумуляторную батарею из N4700 Детали рассчитаны на полное напряжение постоянного тока.

Кроме того, конденсатор N4700 выдерживает погрешность ±30 ppm/°C, поэтому его емкость не уменьшается по мере нагревания детали. Это разрывает замкнутый контур, в котором более горячий конденсатор потребляет больший пульсирующий ток.

Стратегия 2: Сделать тепловую цепь ограничением компоновки.

Разместите трансформатор и умножитель таким образом, чтобы входящий воздух сначала попадал в компоненты с наибольшими потерями, а горячий отработанный воздух отводите от блока. Изменение последовательности воздушного потока в одном из прототипов позволило снизить температуру в зоне перегрева конденсатора со 115 °C до 96 °C без каких-либо изменений в электрических характеристиках.

Рассматривайте порядок воздушного потока как фиксированное ограничение в механической компоновке, наряду с расстоянием утечки и монтажными отверстиями.

Стратегия 3: Разместите термопрокладки под каждой деталью с высокими теплопотерями.

Установите конденсаторы и быстровосстанавливающийся диод Пакеты размещаются на теплопроводящих площадках, соединенных с опорной пластиной или локальным радиатором. Уменьшение R_th вдвое с 12 °C/Вт до 6 °C/Вт преобразует повышение температуры на 38 °C в 19 °C, и это обходится в одну площадку на деталь.

Подберите толщину контактной площадки в соответствии с расстоянием между ней и стойкой. Воздушный зазор в 0.1 мм при использовании некачественной пасты сам по себе приводит к повышению температуры на 5–15 °C.

Стратегия 4: Проверка потерь с помощью данных ЭПР, скорректированных по частоте.

Необходимо указать значение ESR для каждой конденсаторной емкости в устройстве при частоте переключения и ожидаемой температуре корпуса. Компания HVC публикует данные о значениях ESR и пульсаций тока при частоте 100 кГц, поэтому в моделировании можно использовать измеренные значения вместо идеальных 1 кГц.

Где пленочный конденсатор Тем не менее, он по-прежнему заслуживает места в рейтинге, если оценивать его по собственной кривой ЭПР на частоте 100 кГц, поскольку коэффициент нарастания различается между металлизированными и пленочными конструкциями.

Стратегия 5: Оснастить зону перегрева сетью терморезисторов.

Установите от 3 до 5 терморезисторов в предполагаемых местах перегрева: верхний каскад умножителя, обмотка трансформатора и конденсаторы шины. Заблокируйте устройство при температуре выше 90 °C и запишите показания.

Непрерывный сбор данных о температуре также используется в модели прогнозирующего технического обслуживания, которая выявляет потери воздушного потока из-за засорения фильтров или остановки вентилятора до того, как это приведет к перегреву аккумуляторной батареи. толстопленочный резистор В сетевом модуле работает делитель, который масштабирует эти сигналы для контроллера.

Стратегия 6: Снижение напряжения и пульсаций в герметичных модулях.

Для герметичных или частично герметичных модулей следует эксплуатировать конденсаторы при напряжении не более 70% от номинального и пульсациях не более 50% от номинального. Такое снижение номинальных характеристик позволяет сравнять показатели отказов интегральных схем с показателями схем, устанавливаемых в шкафы, с показателями схем, монтируемых в шкафы.

Снижение номинальной мощности также обеспечивает запас на случай засорения фильтра. Устройство сохраняет номинальную производительность, даже когда поток воздуха уменьшается, а блокировка дает время для проведения технического обслуживания.

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 высоковольтных лазерных блоков с высокой плотностью размещения.

Выбор этого узла определяется тремя требованиями: низкими потерями на частоте переключения, тепловым путем выхода из герметичного модуля и отсутствием дрейфа емкости при нагреве компонента. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 (T3M) на основе SrTiO3 на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• tan δ 0.1% или ниже. При 9 А среднеквадратичного значения один конденсатор рассеивает 0.8 Вт вместо 3.2 Вт, и объемная теплоемкость устройства снижается вместе с ним.
• Температурный коэффициент составляет ±30 ppm/°C. Емкость остается в пределах ±0.35% в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C, поэтому нагретая деталь не потребляет дополнительный пульсирующий ток и не выходит из-под контроля.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Заводская фильтрация частичных разрядов обеспечивает отсутствие пустот в диэлектрике, поэтому самонагрев не запускает рост частичных разрядов, который губителен для герметизированных компонентов.
• Корпуса, сокращающие тепловой путь. Корпуса с винтовыми клеммами и плоскими клеммами напрямую соединяются с шиной или радиатором, что вдвое уменьшает сопротивление R_th на уровне компонентов по отношению к выводным элементам в условиях плотной компоновки отсека.
• Высокая энергия на единицу объема в диапазоне от 1 кВ до 100 кВ, в радиально-выводных, винтово-клеммных и других вариантах. дверная ручка конденсаторы, которая возвращает объем, который уменьшается в результате интеграции.
• Сертифицированы как взаимозаменяемые компоненты для ведущих брендов в программах полевого ремонта и указаны производителями лазерного оборудования в новых интегрированных платформах. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпусов. Murata высоковольтные компоненты винтового и радиального типов выводов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а изготовленные на заказ устройства с соответствующими термопрокладками — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в проведении теплового моделирования, выборе корпуса и способа монтажа, а также в измерении ЭПР с коррекцией частоты.

Укажите объем устройства, выходную мощность, частоту переключения, пульсационный ток, температуру входящего воздуха и монтажное пространство. Компания HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам термотехническую спецификацию с номерами деталей, ESR при 100 кГц, R_th для каждого корпуса и образцами для проверки.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какую температуру в самой горячей точке следует предусмотреть в герметичном высоковольтном лазерном блоке?

Поддерживайте температуру поверхности конденсатора ниже 90 °C при температуре входящего воздуха 45 °C, а блокировку устройства — при более высокой температуре. Устройство на 20 кВ, 8 кВт достигает температуры 115 °C при соотношении 12 °C/Вт, что сокращает срок службы примерно до 1,000 часов. Та же конструкция достигает 96 °C после коррекции воздушного потока и сопротивления R_th, что восстанавливает срок службы до 4,000 часов.

В2: Почему в технической документации указано заниженное значение ESR для прогнозируемого нагрева конденсатора?

В технических характеристиках указывается эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) на частоте 1 кГц. На частоте 100 кГц эффективное ESR пленочного конденсатора возрастает в 2–3 раза, поэтому P_cap = I_rms² × ESR в 2–3 раза больше, чем расчетное значение. В результате тепловое моделирование занижает температуру в зоне перегрева на 15 °C. Используйте ESR, измеренное на частоте переключения, и реальную температуру.

В3: Как охлаждать конденсаторы в модуле, залитом эпоксидной смолой?

Обеспечьте надежное тепловое соединение детали с опорной пластиной. Конденсатор, залитый компаундом на 40 кВ и рассеивающий 4 Вт, нагревается на 45 °C выше температуры окружающей среды в герметичной полости, тогда как при соприкосновении корпуса с радиатором температура повышается на 20 °C. Компаунд с теплопроводностью 0.3 Вт/м·К сам по себе не отводит тепло.

Вопрос 4: Какой фактический поток воздуха необходим для блока множителей?

В результате поток на блоке вентиляторов превышает 50% от его номинальной мощности. Измеренный поток на блоке вентиляторов с множителем составил 30% от номинальной мощности, поскольку воздух обходил плотную секцию. Перегородки и более узкая секция воздуховода восстанавливают поток, что подтверждает лопастной анемометр на плате управления.

В5: Действительно ли снижение номинального напряжения помогает герметичному модулю?

Да. В компактных интегральных блоках частота отказов конденсаторов в 2.3 раза выше, чем в аналогичных блоках в корпусных шкафах. Работа при 70% от номинального напряжения и 50% от номинального уровня пульсаций устраняет этот недостаток, а также покрывает период, когда засоряется фильтр.

В6: Какой диэлектрик подходит для высокоплотного блока сигналов с частотой 100 кГц?

Керамика класса I N4700. При тангенсе угла диэлектрических потерь tan δ 0.1% или ниже она рассеивает 0.8 Вт, тогда как деталь класса II рассеивает 3.2 Вт при той же частоте пульсаций, а её коэффициент ±30 ppm/°C поддерживает постоянную емкость по мере нагрева детали. Кроме того, керамика класса II теряет от 2% до 5% емкости за декаду-час.

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. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357.
6. Б. Ван, Дж. Мэн и П. Чжао, Мониторинг состояния старения алюминиевых электролитических конденсаторов в преобразователях частотыIEEE Transactions on Power Electronics, том 37, № 4, стр. 4564-4574, 2022. https://doi.org/10.1109/tpel.2021.3121813.
7. Заряжая энергией будущее: как высоковольтные многослойные керамические конденсаторы повышают эффективность современной электроникиМурата, https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html .
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 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
10. Эй Джей Моулсон и Дж. М. Герберт, Электрокерамика: материалы, свойства, области применения., 2-е изд. Чичестер: Wiley, 2003.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com