تثبيت ارتفاع الجهد في مصادر الجهد العالي للحام بالليزر

تثبيت ارتفاع الجهد في مصادر الجهد العالي للحام بالليزر

الملخص

تُحوّل عملية اللحام بالليزر تيار اللحام من 10 أمبير إلى 100 أمبير في غضون مئات النانوثانية في مواجهة حثّ طفيلي مقداره 5 ميكروهنري. تُقدّم هذه المقالة معادلات النبضة والطاقة التي تُحوّل 40 أمبير و5 ميكروهنري إلى جهد عابر مقداره 2 كيلوفولت وطاقة مقدارها 4 ملي جول لكل حدث، وسعة المكثف التي تُبقي الجهد الزائد عند 80 فولت على ناقل جهد 400 فولت، وقاعدة حثّ الحلقة التي تُبقي الجهد المتبقي أقل من 10% من مستوى المكثف، واختبار النبضة المزدوجة الذي يُثبت ذلك.

1. مقدمة

يتم تشغيل اللحام بالليزر على الحواف الحادة. تقوم وحدة الجهد العالي بتبديل عشرات الكيلوفولتات لثقب المفتاح، بينما تقوم إلكترونيات العملية بتبديل تيارات اللحام والمساعدة من 10 أمبير إلى 100 أمبير في مئات النانوثانية.

تتفاعل كل من هذه التحولات مع الحث: في تسريب محول الجهد العالي، وقضبان التوصيل، وكابلات اللحام، وحلقات التثبيت. والنتيجة هي ارتفاع مفاجئ في الجهد يصل إلى 1.5 إلى 3 أضعاف جهد الدائرة الاسمي، وأكثر من ذلك في حالة الرنين.

الارتفاع المفاجئ هو طاقة حثية تُطلق في جزء من الميكروثانية. عبر مرحلة خرج مصدر الجهد العالي، يُمثل ارتفاع مفاجئ بقيمة 2 كيلو فولت على ناقل جهد 10 كيلو فولت إجهادًا زائدًا بنسبة 20%. أما عبر وصلة تيار مستمر بجهد 400 فولت، فيُمثل إجهادًا زائدًا بمقدار 5 أضعاف، مما يُؤدي إلى تلف أشباه الموصلات المُستخدمة في التبديل.

في دراسة شملت 80 ماكينة لحام ليزرية، تبين أن 18% من أعطال إلكترونيات الطاقة تعود إلى دوائر تثبيت غير محكمة أو ذات سعة غير كافية، وكان العطل الأكثر شيوعًا هو تلف مفتاح كهربائي نتيجة ارتفاع مفاجئ في التيار الكهربائي بنسبة تتراوح بين 15% و25% فوق سعته المقدرة. وتتراوح تكلفة كل عطل بين 800 و3,500 دولار أمريكي، بالإضافة إلى توقف الإنتاج لمدة تتراوح بين 4 و8 ساعات.

2. الآلية الأساسية

2.1 جهد الذروة والطاقة

يتناسب مقدار الإشارة العابرة مع الحث الطفيلي وميل التيار:

V_spike = L_stray × dI/dt

حيث V_spike هو الجهد المستحث، وL_stray هو الحث الطفيلي في حلقة التبديل، وdI/dt هو معدل تبديل التيار. يبلغ معدل انتقال تيار 40 أمبير خلال 100 نانوثانية 4 × 10⁸ أمبير/ثانية، ومع حث حلقي قدره 5 ميكروهنري، يصل الجهد المستحث إلى 2,000 فولت.

الطاقة المخزنة في هذا الملف الحثي هي ما يجب أن يمتصه المشبك:

E_spike = 0.5 × L_stray × I²

حيث تمثل E_spike الطاقة لكل حدث، وI التيار لحظة التبديل. عند قيمة 5 ميكروهنري وتيار 40 أمبير، تكون الطاقة 4 ملي جول لكل حدث.

2.2 متوسط ​​قوة المشبك

يجب أن يقوم المشبك بتبديد تلك الطاقة بمعدل تكرار العملية:

P_clamp = E_spike × f_rep

حيث P_clamp هي متوسط ​​القدرة في منطقة التثبيت و f_rep هي معدل التكرار. عند تردد 6 كيلوهرتز، تتحول طاقة الحدث البالغة 4 ملي جول إلى 24 واط من التبديد المستمر، ويمكن أن يؤدي عطل عابر ذو تيار أعلى إلى توليد أكثر من 100 ملي جول في حدث واحد.

2.3 تحديد حجم مكثف التثبيت

يجب أن يمتص مكثف التثبيت طاقة الحدث بينما يرتفع جهد الناقل بما لا يزيد عن التجاوز المسموح به:

0.5 × L × I² = 0.5 × C_clamp × [(V_bus + ΔV)² − V_bus²]

حيث C_clamp هي سعة المكثف، وV_bus هو جهد ناقل البيانات، وΔV هو التجاوز المسموح به فوقه. وبحل المعادلة لإيجاد السعة، نحصل على معادلة تحديد حجم هذه العقدة:

C_clamp = L × I² / [(V_bus + ΔV)² − V_bus²]

حيث C_clamp هي الحد الأدنى لسعة التثبيت. مع L = 5 ميكروهنري، I = 40 أمبير، V_bus = 400 فولت، وΔV = 80 فولت، تكون القيمة 114 نانوفاراد، لذا فإن استخدام مكثف بسعة تتراوح بين 100 نانوفاراد و220 نانوفاراد، مصنف بجهد أعلى من 1.2 × 480 فولت، هو الخيار العملي.

2.4 محاثة حلقة التثبيت وتردد الرنين

لا يعمل المشبك بكفاءة إلا بقدر كفاءة حلقته. وفيما يلي الزيادة المتبقية عبر المفتاح:

V_os = L_loop × dI/dt

حيث V_os هي الزيادة عن مستوى التثبيت، وL_loop هي محاثة حلقة التثبيت. قاعدة التصميم: يجب أن تكون V_os أقل من 10% من مستوى التثبيت البالغ 480 فولت، وهو ما يعني عند حافة عطل تبلغ 4 × 10⁹ أمبير/ثانية أن تكون قيمة محاثة الحلقة أقل من 12 نانوهنري.

يشكل مكثف التثبيت وحث التسريب خزانًا يرن ما لم يتم تخميده:

f_ring = 1 / (2π × √(L_leak × C_clamp))

حيث f_ring هو تردد الرنين، وL_leak هو معامل الحث التسريبي، وC_clamp هي سعة التثبيت. عند استخدام 5 ميكروهنري و114 نانوفاراد، يرن الرنين عند 211 كيلوهرتز، ويحول مقاوم متسلسل من 2 إلى 5 أوم هذا الرنين إلى استقرار مُخمد.

الشكل 1 - مشبك RCD يحمل حدث ارتفاع الجهد 2 كيلو فولت إلى تجاوز 80 فولت على ناقل 400 فولت؛ الجزء 220 نانو فاراد وحلقة 10 نانو هنري تحمل حالة العطل 100 مللي جول.

3. نقاط الضعف الهندسية

المشكلة الأولى: مكثفات التثبيت مصممة لتحمل التموج، وليس لتحمل طاقة العطل.

يتعطل المشبك المصمم بناءً على تموج الحالة المستقرة عند أول عطل عابر. عندما يصطدم تيار اللحام المتزايد بوصلة تثبيت غير محكمة، تتضاعف طاقة الحدث الواحد ثلاث مرات، ويشحن مكثف المشبك بشكل زائد، ويتعطل صمام ثنائي المشبك، ثم يستقبل المفتاح ذروة التيار الكاملة غير المثبتة.

نقطة الضعف الثانية: يلغي الحث الحلقي للمشبك المشبك

لا يكون أداء المشبك فعالاً إلا بقدر فعالية حلقته. مع وجود 50 مم من المسار بين مكثف المشبك والمفتاح، تسمح قيمة 20 نانو هنري الإضافية بوصول التجاوز المتبقي إلى 17% من مستوى المشبك البالغ 480 فولت عند حافة عطل تبلغ 4 × 10⁹ أمبير/ثانية، ويمتص المفتاح هذا الفرق.

المشكلة الثالثة: الحماية النشطة بطيئة للغاية بالنسبة لحدث مدته 100 نانوثانية

يستجيب مسار الحماية الكلاسيكي من الجهد الزائد الذي يستغرق 1 ميكروثانية بعد مرور نبضة جهد مدتها 100 نانوثانية بفترة طويلة. وبحلول وقت تفعيل المقارن، يكون المفتاح قد تحمل الجهد الزائد. يجب أن يكون مسار التثبيت مسارًا سلبيًا وفوريًا؛ ولا يمكن للحماية النشطة إلا أن تدعمه.

نقطة الضعف الرابعة: حلقات التثبيت مع تسرب المحول

يشكل مكثف التثبيت وحث التسريب للمحول دائرة رنين LC بتردد 211 كيلوهرتز ما لم يتم تخميدها. عندئذٍ، تتحول النبضة الواحدة إلى تذبذب متلاشٍ يُجهد المفتاح بشكل متكرر ويُضيف ضوضاء مسموعة إلى العملية.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية 1: تحديد حجم المشبك بناءً على أسوأ حالة عطل

حدد أقصى طاقة ناتجة عن حدث واحد عند أسوأ نقطة تشغيل، مع أقصى تيار لحام وأقل حث للحلقة، ثم أضف هامش أمان بمقدار الضعف. في المثال أعلاه، مكثف تثبيت سعته 220 نانوفاراد، ومعدل تبديده للطاقة يساوي ضعف متوسط ​​قدرة التثبيت، يحمل هذا الهامش.

الاستراتيجية الثانية: حافظ على حلقة التثبيت أقل من 10 نانو هنري

ضع الصمام الثنائي والمكثف المثبتين مباشرةً عبر أطراف جهاز التبديل ذي أصغر مساحة حلقة وأوسع سلك نحاسي. يُحافظ V_os = L_loop × dI/dt على قيمة التيار المتبقي أقل من 10% من مستوى التثبيت عند حافة العطل.

الاستراتيجية الثالثة: مطابقة الصمام الثنائي مع سرعة الذروة

اختر مشبكًا ثنائي سريع الاستعادة مع زمن استعادة أقل من 75 نانوثانية واستعادة سلسة لتجنب الرنين المفاجئ. كما يجب أن يتحمل تيار التثبيت الأقصى، لذا بالنسبة لتيار تبديل 40 أمبير، يُعد الصمام الثنائي المصنف 60 أمبير مع هامش عابر مضاعف هو الأساس.

الاستراتيجية الرابعة: تخفيف رنين المشبك

أضف مقاومة توالي تتراوح قيمتها بين 2 و 5 أوم مع مكثف صغير موصول بالتوازي مع مكثف التثبيت. هذا يحوّل رنين 211 كيلوهرتز إلى استقرار مُخمّد حرج دون تغيير وظيفة الحالة المستقرة للتثبيت.

الاستراتيجية الخامسة: تثبيت خط خرج الجهد العالي أيضًا

بالنسبة لحافلة جهد 10 كيلو فولت، ضع مكثف تثبيت الجهد العالي بسعة 1 نانو فاراد تقريبًا وجهد 20 كيلو فولت مباشرة على الملف الثانوي للمحول مع صمام ثنائي عالي الجهد سريع الاستعادة موصول على التوالي لامتصاص التسربات العابرة للمضاعف. N4700 الجزء الذي يتميز بتفريغ جزئي أقل من 5 بيكو كولوم و ±30 جزء في المليون/درجة مئوية يحافظ على عتبة التثبيت فوق درجة الحرارة، و مكثف الفيلم يغطي نفس العقدة حيث تكون طاقة النبضة أكبر.

الاستراتيجية السادسة: التحقق من المشبك باستخدام اختبار النبض المزدوج

يُجرى اختبار نبضي مزدوج عند أقصى تيار على كل تصميم مشبك، ويُقاس تجاوز الذروة وزمن الاستقرار باستخدام راسم إشارة بتردد 200 ميجاهرتز. هذا يحوّل تصميم المشبك إلى هامش مُقاس، ويؤكد عادةً وجود هامش أمان يزيد بمقدار الضعف عن تصنيف المفتاح.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
الجهد المقنن (سلسلة HVCT8G)	10 كيلو فولت العاصمة	جهد عالي 1.5× لمدة 60 ثانية
مواسعة	4700 بيكوفاراد ±20% (472 ميجا)	1 ميجاهرتز، 1 فولت RMS
المقاومة المكافئة التسلسلية عند 1 ميجاهرتز	أقل من 50 ملي أوم	-
محاثة الحلقة (وتر E40)	أقل من 8 نانوهيدروجين	تباعد طرفي 40 مم
مقاومة العزل	أعلى من 10 جيجا أوم عند 500 فولت تيار مستمر	25 درجة مئوية، 60% رطوبة نسبية
نطاق درجة حرارة	40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية	سلسلة IEC 60068-2
قدرة نبض dv/dt	أعلى من 50 كيلو فولت/ميكروثانية	عند الجهد المقدر

5. مكثفات HVC لتثبيت الارتفاع المفاجئ للتيار

يمتص مكثف التثبيت الطاقة التي قد تتسبب في تلف المفتاح، لذا يجب أن يتحمل أعطالًا متكررة دون انحراف أو ارتفاع في درجة الحرارة. تصنع شركة HVC هذه الأجزاء باستخدام مادة عازلة من الفئة الأولى N4700 (T3M)، مصنوعة من تيتانات السترونتيوم، بجهد يتراوح من 1 كيلو فولت إلى 100 كيلو فولت.

ستة معايير مهمة في هذه العقدة

• امتصاص طاقة النبضات. يقوم هيكل الفئة الأولى بتخزين الطاقة وإطلاقها دون إجهاد الاستقطاب الذي تعاني منه سيراميك الفئة الثانية، لذا فإن مكثف التثبيت 20 كيلو فولت يتحمل أحداثًا متكررة بقيمة 100 مللي جول دون انحراف في السعة.
• تفريغ جزئي أقل من 5 بيكو كولوم عند الجهد المقنن، محمي في المصنع، لذلك لا يضيف المشبك عابرًا خاصًا به أثناء الارتفاع المفاجئ.
• عتبة تثبيت مستقرة مع تغير درجة الحرارة. معامل درجة حرارة ±30 جزء في المليون/درجة مئوية وعامل تبديد 0.1% أو أقل يحافظان على جهد التثبيت مع ارتفاع درجة حرارة أرضية اللحام خلال نوبة العمل.
• انخفاض الحث التسلسلي المكافئ لتوصيل سريع. تحافظ حزم الأسلاك الشعاعية والأطراف اللولبية على الحث التسلسلي المكافئ أقل من 30 نانو هنري، بحيث يستجيب المشبك داخل نافذة النبضة البالغة 100 نانو ثانية.
• تم مطابقة تصنيفات الجهد مع ناقل البيانات، من مشابك مساعدة 1 كيلو فولت إلى مشابك إخراج 40 كيلو فولت، مع بيانات PD وبيانات حرارية متسقة من مورد واحد.
• سجل الاستبدال. تم اعتماد مكثف طرفي لولبي من سلسلة 441 / 40 كيلو فولت كبديل مباشر لمكثفات موراتا اليابانية من النوع اللولبي في برنامج إصلاح مصدر الضوء لآلات الطباعة الحجرية ASML.

يتحمل مشبك خط الإخراج جهد الناقل بالكامل، لذا HVCT8G يغطي المخطط ذو الوتر الطرفي 40 مم وحث الحلقة 8 نانو هنري هذا الموضع ويحافظ على حلقة التثبيت قصيرة.

التوصيل والدعم

يتم شحن القطع القياسية خلال 4 إلى 8 أسابيع، ومجموعات المشابك المتطابقة خلال 6 إلى 10 أسابيع. يدعم نظام HVC حساب حجم المشبك، والتحقق من طاقة النبضة، وخطة اختبار النبضة المزدوجة، ومجموعات الجهد والسعة المخصصة.

أرسل تيار التبديل، وزمن التبديل، والحث الطفيلي، وجهد ناقل البيانات، ومعدل التكرار. يُعيد برنامج HVC تصميمًا للتثبيت مع تجاوز متوقع، وتقريرًا عن طاقة النبضة، وعينات للتحقق من صحة النبضة المزدوجة. تتوافق أجزاء HVC مع المعايير الكهربائية وأبعاد العبوة لـ VISHAY وغيرها من نطاقات الجهد العالي من الدرجة الأولى.

6. أسئلة مكررة

س1: ما حجم الارتفاع المفاجئ الناتج عن 40 أمبير في 100 نانوثانية؟

V_spike = L × dI/dt. عند 4 × 10⁸ أمبير/ثانية من خلال 5 ميكروهنري من الحث الطفيلي، تصل الذروة إلى 2,000 فولت، وهو ما يمثل 20% من ناقل 10 كيلو فولت و5 أضعاف وصلة تيار مستمر 400 فولت.

س2: ما مقدار الطاقة التي يحملها حدث واحد؟

E_spike = 0.5 × L × I². مع 5 ميكروهنري و40 أمبير، ينتج عن ذلك 4 ملي جول لكل حدث، والتي تصبح عند معدل تكرار 6 كيلوهرتز 24 واط من متوسط ​​قدرة التثبيت. يمكن أن يُنتج عطل عابر أكثر من 100 ملي جول في حدث واحد.

س3: كيف يتم حساب سعة المشبك؟

C_clamp = L I² / [(V_bus + ΔV)² − V_bus²]. بالنسبة لـ 5 ميكروهنري، 40 أمبير، ناقل 400 فولت، وبدل جهد 80 فولت، تكون القيمة 114 نانوفاراد، لذا يُنصح بتركيب مكثف 220 نانوفاراد لتغطية حالة العطل بهامش أمان.

س4: ما هي المسافة التي يجب أن تقترب بها المشابك من المفتاح؟

يكفي أن تكون قيمة V_os = L_loop × dI/dt أقل من 10% من مستوى التثبيت. عند حافة عطل تبلغ 4 × 10⁹ أمبير/ثانية، يعني ذلك أن قيمة الحلقة أقل من 12 نانو هنري، ويضيف 50 مم من المسار بالفعل 20 نانو هنري.

س5: لماذا يصدر صوت رنين من المشبك، وكيف يتم تخميده؟

f_ring = 1 / (2π√(L_leak C_clamp)). مع 5 ميكروهنري و114 نانوفاراد، يرن الرنين عند 211 كيلوهرتز. مقاومة توالي من 2 إلى 5 أوم مع مكثف صغير موصول على التوازي تحول الرنين إلى استقرار مُخمد.

س6: هل يمكن أن تحل الحماية النشطة من الجهد الزائد محل المشبك؟

لا. لا يمكن لمسار الحماية الذي يستغرق 1 ميكروثانية الاستجابة خلال فترة ذروة مدتها 100 نانوثانية، ويتحمل المفتاح الحمل الزائد قبل أن يُفعّل المُقارن. يجب أن يكون التثبيت سلبيًا وفوريًا، مع وجود حماية نشطة كنسخة احتياطية.

7. المراجع

1. إي. كوفيل، دبليو إس زينجل، جيه. كوفيل، أساسيات هندسة الجهد العالي، الطبعة الثانية، نيونس، 2000.
2. ن. موهان، تي إم أونديلاند، دبليو بي روبنز، إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة، وايلي، 3.
3. إشعار رقم 2 من MIL-HDBK-217F، التنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونية، 1995.
4. IEC 62477-1: 2022 ، متطلبات السلامة لأنظمة ومعدات محولات إلكترونيات الطاقة - الجزء 1: عام، الطبعة الثانية. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2022.
5. IEC 61000-4-5:2014+AMD1:2017 CSV, التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) - الجزء 4-5: تقنيات الاختبار والقياس - اختبار مقاومة التيار الزائد، الطبعة 3.1. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2017.
6. غيغابايت / تي 7247.1-2024، عنوان المنتج الرئيسي: العنوان الأول: عنوان المنتج ورقم المنتج. المصدر: 中国标准出版社، 2024.
7. ب. خانزاده، ي. أوكازاكي، وت. ثيرينغر، مقارنة أحجام المكثفات والمفاتيح في محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر عالية القدرة متوسطة الجهد المزودة بمحول ثلاثي الأطوار متوسط ​​التردد، مجلة IEEE للمواضيع الناشئة والمختارة في إلكترونيات الطاقة، المجلد 9، العدد 3، الصفحات 3331-3338، 2021. https://doi.org/10.1109/jestpe.2020.2999726.
8. م. شياو وآخرون، بحث حول خصائص التفريغ الجزئي والإصلاح الذاتي للأغشية المعدنية للمكثفات، في المؤتمر الدولي الخامس لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) حول المواد العازلة (ICD)، الصفحات 1-4، 2024. https://doi.org/10.1109/icd59037.2024.10613348
9. مكثفات نبضية ذات طبقة معدنية من نوع MKP - أبرز مميزات المنتج، KEMET Electronics، https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors .
10. الولايات المتحدة 6,760,215 ، مكثف ذو عتبة انهيار جهد عالية، دي إف ديفو (متعلق ببريسيديو)، مُنح عام 2004، https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com