تصميم مشترك لمكثف ومقاوم دائرة التخميد RC لعواكس الليزر

تصميم مشترك لمكثف ومقاوم دائرة التخميد RC لعواكس الليزر

الملخص

يقوم مصدر طاقة الوسم بالليزر بتشغيل الأحمال الحثية في مُعزز وصلة التيار المستمر، ومُحول الصمام الثنائي الضخ، ومُشغل مفتاح Q، وكل عملية إيقاف تشغيل تُحوّل مُحاثة الحلقة إلى نبضة جهد. يعمل مُخمد RC فقط عندما يتم تحديد حجم كلا العنصرين معًا. تستنتج هذه المقالة معادلات المكثف والمقاوم المُقترنة، وتُحدد كميًا الطرق الثلاث التي يتفاعل بها العنصران، وتُقدم ست خطوات تصميم مُشتركة تُحافظ على التخميد من النموذج الأولي إلى الإنتاج.

1. مقدمة

تقوم كل مرحلة عاكسة في وحدة تزويد الطاقة الخاصة بأجهزة الوسم بالليزر بتشغيل حمل حثي بتردد عالٍ. ويؤدي كل حدث إيقاف تشغيل إلى إطلاق الطاقة المخزنة في ملف الحث الحلقي، مما يسبب ارتفاعًا مفاجئًا في الجهد عبر الجهاز.

وتنتج هذه الذروة مباشرة عن محاثة الحلقة:

V_spike = L_loop × dI/dt

حيث V_spike هو التجاوز فوق جهد الناقل، و L_loop هو الحث الطفيلي لحلقة التبديل، و dI/dt هو ميل التيار عند إيقاف التشغيل.

يؤدي ارتفاع مفاجئ وغير مُدار في التيار إلى إخراج الجهاز من نطاق تشغيله الآمن. ثم يؤدي الإجهاد التراكمي الناتج عن الانهيار الجليدي إلى تقصير عمر الجزء، أو إنهائه عند أول حدث ضار.

يُعدّ مُخمّد RC، وهو عبارة عن مُقاومة ومُكثّف موصولين على التوالي عبر المفتاح، الحلّ الكلاسيكي. وهو يعمل فقط عندما يكون حجم العنصرين مُناسبًا: يجب أن يتحمّل المُكثّف طاقة النبضة مع ارتفاع مقبول في الجهد، ويجب أن تُبدّد المُقاومة تلك الطاقة دون حدوث رنين أو ارتفاع في درجة الحرارة.

تكمن الصعوبة في أن كلا العنصرين يتفاعلان عبر العناصر الطفيلية للدائرة، وتعتمد هذه العناصر الطفيلية على تصميم الدائرة. عند ترددات تتراوح بين 100 و400 كيلوهرتز، تصبح قيمة الحث الكهروستاتيكية الذاتية للمخمد، وحث مقاومته، وحث مساره، قابلة للمقارنة مع العناصر الطفيلية التي صُممت لامتصاصها. يتعامل التصميم المشترك مع المخمد كشبكة RLC واحدة، حيث يُعد كل عنصر طفيلي متغيرًا تصميميًا.

2. الآلية الأساسية

2.1 استخرج الحلقة الطفيلية أولاً

تمتد الحلقة من مكثف وصلة التيار المستمر عبر المفتاح ثم تعود:

L_loop = L_pcb + L_cap_ESL + L_package

حيث L_loop هي محاثة حلقة التبديل الكلية، وL_pcb هي محاثة المسار، وL_cap_ESL هي محاثة السلسلة المكافئة لمكثف وصلة التيار المستمر، وL_package هي محاثة حزمة الجهاز.

قم بقياسه باستخدام جهاز اختبار النبض المزدوج أو محلل الشبكة على الدائرة القصيرة. في حالة التصميم الجيد، تتراوح قيمة المقاومة بين 10 نانو هنري و50 نانو هنري، بينما في حالة التصميم غير المتقن، تتراوح بين 100 نانو هنري و300 نانو هنري. عند قيمة 50 نانو هنري وتيار 1 أمبير/نانو ثانية، يصل جهد الذروة إلى 50 فولت على ناقل البيانات، وهو ما يكفي لتجاوز تصنيف الجهاز البالغ 600 فولت بعد احتساب انخفاض الجهد على ناقل البيانات وتأثير درجة الحرارة.

2.2 حدد حجم المكثف بما يتناسب مع ارتفاع الجهد الذي تقبله

يمتص المكثف طاقة الحلقة ½L·I² ويخزنها عند جهد أكبر:

C_s = L_loop × I_off² / ΔV²

حيث C_s هي سعة التخميد، و L_loop هي محاثة حلقة التبديل، و I_off هو التيار عند إيقاف التشغيل، و ΔV هو ارتفاع الجهد الذي تسمح به عبر المكثف.

بالنسبة لقيمة 50 نانو هنري، وتيار 10 أمبير، وفرق جهد ΔV = 40 فولت، تكون القيمة 3.1 نانو فاراد. يجب أن تبقى قيمة الحث الذاتي للمكثف أقل بكثير من قيمة الحث الذاتي للحلقة، أي أقل من 10 نانو هنري لحلقة سعتها 50 نانو هنري، وإلا سيصبح مسار التخميد مصدرًا جديدًا للنبضات الكهربائية.

2.3 تحديد حجم المقاومة عند هدف التخميد

تحدد المقاومة مقدار التخميد في حلقة التخميد:

R_s = √(L_total / C_s)

حيث R_s هي مقاومة التخميد، و L_total هي محاثة الحلقة بما في ذلك مسار التخميد، و C_s هي سعة التخميد.

عندما تكون L_total = 80 نانو هنري و C_s = 3.1 نانو فاراد، تكون القيمة 5.1 أوم. وتُستنتج نسبة التخميد من نفس الكميات الثلاث:

ζ = R_s / (2 × √(L_total / C_s))

حيث ζ هي نسبة التخميد لحلقة التخميد. R_s = √(L_total/C_s) تعطي ζ = 0.5، وهو ما يمثل تجاوزًا أوليًا للذروة بنسبة 16%. مضاعفة قيمة المقاومة تصل إلى ζ = 1 وتزيل التجاوز، ولكن على حساب زيادة الفقد.

يقوم المقاوم بتبديد الطاقة التي ينقلها في كل دورة:

P_R = ½ × C_s × ΔV² × f_sw

حيث P_R هي متوسط ​​قدرة المقاومة، و C_s هي سعة التخميد، و ΔV هو تأرجح الجهد عبرها، و f_sw هو تردد التبديل.

بالنسبة لـ 3.1 نانو فاراد، 40 فولت و 200 كيلو هرتز، فإن ذلك يعادل 0.5 واط، لذا فإن تخفيض القدرة بمقدار 2x يتطلب جزءًا غير حثي بقدرة 1 واط.

2.4 ثلاثة وصلات تربط التصميم معًا

تُضاف محاثة مسار دائرة التخميد إلى حلقة التبديل، لذا يجب أن تستخدم حسابات التخميد L_total وليس الحلقة وحدها. في النموذج الأولي، تُضيف محاثة دائرة التخميد الكهروستاتيكية بالإضافة إلى 15 مم من مسار التوصيل 30 نانو هنري.

تُخمد مقاومة المكثف المكافئة (ESR) أيضًا. تخفي وحدة ذات مقاومة مكافئة عالية هامشًا في المختبر يختفي عند ظهور وحدة ذات مقاومة مكافئة أقل في الإنتاج، لذا يجب إدخال المقاومة المكافئة في الحساب كقيمة معلومة.

تعمل المحاثة الطفيلية للمقاومة ضدها. قد يُظهر جزء ملفوف سلكيًا عند تردد 200 كيلوهرتز مفاعلة أكبر من المقاومة، مما يحول المخمد إلى ملف حث. تُصبح الحسابات صحيحة باستخدام سيراميك منخفض الحث المكافئ من الفئة الأولى ذي قيمة tanδ تساوي أو تقل عن 0.1%، ومقاومات ذات طبقة سميكة أو رقيقة غير حثية.

الشكل 1 - يحمل فرع التخميد الخاص به 30 نانو هنري من محاثة المسار فوق حلقة التبديل 50 نانو هنري، لذلك فإن R_s المحدد من الحلقة وحدها يقلل من تخميد عقدة التبديل.

3. نقاط الضعف الهندسية

نقطة الضعف الأولى: رنين غير مُخمد بسبب تجاهل مسار التخميد

يأخذ المصمم قيمة L_loop = 50 نانو هنري من التصميم، ويضبط قيمة R_s = 4 أوم من √(50 نانو هنري / 3.1 نانو فاراد). تضيف قيمة ESL الخاصة بالمخمد، بالإضافة إلى 15 مم من مسار التوصيل، قيمة 30 نانو هنري، وبالتالي فإن قيمة L_loop التي يُخمدها المقاوم فعليًا هي 80 نانو هنري.

تنخفض نسبة التخميد من 0.5 إلى 0.39، ويزداد تجاوز الذروة الأولى من 16% إلى 26%. يرنّ مفتاح التبديل بتردد 40 ميجاهرتز، وتنتقل الطاقة الزائدة إلى الجهاز بنفس طريقة وصولها إلى الذروة الأصلية.

نقطة الألم الثانية: احتراق المقاوم عند معدل تكرار عالٍ

يتناسب P_R مع f_sw. نفس دائرة التخميد 3.1 نانو فاراد ذات نطاق تأرجح 40 فولت تبدد 0.25 واط عند 100 كيلو هرتز، و0.5 واط عند 200 كيلو هرتز، و0.74 واط عند 300 كيلو هرتز.

قطعة بقدرة 1 واط تحمل 0.25 واط بهامش أمان 4x، تستهلك 0.74 واط عند التردد الأعلى، وهو ما يقع ضمن نطاق خفض القدرة بمقدار 2x الذي تنص عليه قاعدة التصميم عند 100 كيلوهرتز فقط. يتغير المقاوم، وتتغير قيمته، ويتغير التخميد تبعًا لذلك.

نقطة الضعف الثالثة: إنتاج ESR يزيل التخميد

استخدم النموذج الأولي مكثفًا بمقاومة مكافئة متسلسلة (ESR) تبلغ 0.5 أوم، مما أدى إلى تخميد الحلقة كأثر جانبي. انتقل الإنتاج إلى وحدة ذات مقاومة مكافئة متسلسلة أقل تبلغ 0.05 أوم، فانخفضت المقاومة الفعالة من 4 أوم إلى 3.55 أوم، وانخفضت نسبة التخميد من 0.39 إلى 0.35، وزاد التجاوز من 26% إلى 31%.

لم يطرأ أي تغيير على سعة المكثف أو تصنيف الجهد. ثم ظهرت أعطال في الدفعة بعد أسابيع من الشحن، ويبدو أن العطل ناتج عن مشكلة في جودة قطعة مطابقة للمواصفات المطبوعة.

نقطة الضعف الرابعة: ارتفاع درجة حرارة مكثف التخميد ذاتيًا تحت تأثير طاقة النبضات المتكررة

في دائرة تخميد سعتها 3.1 نانوفاراد على مرحلة جهد 300 فولت، يتعرض المكثف لتأرجح جهد مقداره 260 فولت عند كل عملية تبديل. عند تردد 200 كيلوهرتز، يبدد جزء من الفئة الثانية ذو معامل فقد 1.5% طاقة مقدارها 2 واط داخل العازل، وعند درجة حرارة 20 درجة مئوية/واط، يمثل ذلك ارتفاعًا في درجة الحرارة بمقدار 40 درجة مئوية فوق درجة حرارة المحيط.

يُبدد جزء من الفئة الأولى ذو قيمة tanδ تساوي أو تقل عن 0.1% طاقة قدرها 0.13 واط في نفس العقدة، وترتفع درجة حرارته بمقدار 2.7 درجة مئوية. أما وحدة الفئة الثانية، فتتغير قيمتها مع ارتفاع درجة حرارتها، وقد تتعرض لعطل قصر، مما يحول دائرة التخميد إلى العطل الذي تم تركيبها لمنعه.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية الأولى: قياس الحلقة قبل اختيار أي شيء

قم بقياس L_loop على حلقة التبديل المختصرة مع وجود بصمة المخمد مسبقًا. لا يُعد تقدير ورقة البيانات لتصميم غير مُقاس مدخلًا للتصميم، لأن الرقم يُستخدم في جميع العمليات الحسابية الأخرى في السلسلة.

الاستراتيجية الثانية: اختيار المكثف ذي المقاومة المكافئة المنخفضة (ESL) والمقاومة المكافئة المنخفضة (ESR).

اختر مكثفًا تكون قيمة ESL الخاصة به أقل من 20% من قيمة L_loop، وتكون قيمة ESR الخاصة به معروفة وصغيرة. HVC N4700 الفئة الأولى المكثفات القرص السيراميك قم بدمج tanδ عند أو أقل من 0.1٪ مع بنية محورية منخفضة ESL، بحيث يأتي التخميد من المقاوم الذي اخترته وليس من المكثف الذي اشتريته بالصدفة.

الاستراتيجية الثالثة: تحديد الحجم من الحلقة المقاسة وإغلاق الحلقة عدديًا

احسب C_s = L·I²/ΔV² و R_s = √(L_total/C_s) من القيمة المقاسة، ثم قم بمحاكاة الشبكة مع تضمين العناصر الطفيلية في دائرة التخميد. قم بمسح R_s بنسبة ±30% حول النقطة المحسوبة، واحرص على ألا يتجاوز التجاوز في أسوأ الحالات 80% من تصنيف الجهاز.

الاستراتيجية الرابعة: تقليل قدرة المقاومة عند أقصى تردد للتبديل

احسب P_R = ½·C_s·ΔV²·f_sw عند أعلى معدل تكرار يمكن أن تعمل به الآلة، ثم قلل المعدل بمقدار الضعف. استخدم محركًا غير حثي مقاوم ذو طبقة سميكة ومنحه تدفق هواء خاص به، لأن المقاوم الذي يسخن المكثف المجاور له يغير السعة والفقد في نفس الوقت.

الاستراتيجية الرابعة: التحقق باستخدام اختبار النبض المزدوج واختبار الانفجار

أجرِ اختبارات النبض المزدوج عند أقصى تيار، واختبارات النبضات المتتالية عند أقصى معدل تكرار، وافحص عقدة المفتاح باستخدام مسبار تفاضلي بتردد 500 ميجاهرتز. اقبل التصميم عندما يبقى الانحراف أقل من 80% من تصنيف الجهاز، وينخفض ​​سعة الرنين إلى أقل من 5% من سعة النبضة خلال دورة واحدة.

الاستراتيجية السادسة: ربط قائمة المواد بالموظفين المؤهلين من ذوي الخبرة في مجال التعليم (ESR) وموظفي الدعم التعليمي (ESL).

اكتب حدود المقاومة المكافئة التسلسلية (ESR) والحث المكافئ التسلسلي (ESL) في مواصفات الشراء بجوار سعة المكثف وقيمة الجهد. مكثف الفيلم يؤدي الاستبدال إلى تغيير التخميد بنفس طريقة تغيير مقاومة السلسلة المكافئة، و ثنائي سريع الاستعادة يؤدي اختلاف وقت التعافي إلى تغيير الميل الحالي الذي يتعين على المخمد امتصاصه.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
القدرة المقدرة (سلسلة HVR)	50 واط عند 70 درجة مئوية	هيكل من الألومنيوم، هواء حر
قيمة المقاومة	10 كيلو أوم ±5%	مرجع 25 درجة مئوية
العمل الجهد	10 كيلو فولت تيار متردد/مستمر	متواصل
تحمل النبض	30 كيلو فولت عند 10 ميكروثانية	10 نبضات، فئة IEC 60110
معامل درجة الحرارة (مقاوم)	±50 جزء في المليون/درجة مئوية	55 درجة مئوية إلى +155 درجة مئوية
مقاومة العزل	أعلى من 1 جيجا أوم عند 1000 فولت تيار مستمر	الحد الأدنى للزحف 25 مم
قدرة تحمل التيار المفاجئ	100 أمبير عند 1 مللي ثانية	ملفوف بسلك غير حثي

5. مكثفات HVC لتصميم دوائر التخميد المشتركة

لا يمكن تكرار أداء دائرة التخميد إلا بقدر دقة خصائصها الطفيلية. تحدد شركة HVC مقاومة السلسلة المكافئة (ESR) وحث السلسلة المكافئة (ESL) لمكثفاتها بدقة كافية لاستخدامها كمتغيرات تصميم، وتصنعها في مصنعها الخاص في دونغقوان، الذي تبلغ مساحته 6,000 متر مربع، ضمن نطاق جهد يتراوح من 1 كيلو فولت إلى 100 كيلو فولت.

ستة معايير مهمة هنا

• مقاومة مكافئة منخفضة ومعروفة. عازل من الفئة الأولى N4700 مع tanδ عند أو أقل من 0.1٪ يحافظ على مساهمة التخميد للمكثف صغيرة، لذا فإن المقاومة التي اخترتها تحدد النتيجة.
• انخفاض ESL. يحافظ التصميم المحوري على ESL المكثف أقل من 20٪ من حلقة التبديل النموذجية 50 نانو هنري، مما يحافظ على R_s = √(L_total/C_s) صالحة عند 200 إلى 400 كيلو هرتز.
• تغطية الجهد من 1 كيلو فولت إلى 100 كيلو فولت، لذلك تستخدم مرحلة وصلة التيار المستمر ومرحلة مفتاح Q نظام عازل واحد ومجموعة واحدة من حدود ESR.
• يكون التفريغ الجزئي أقل من 5 بيكو كولوم عند الجهد المقنن، لذلك يقوم جهاز التخميد عالي الجهد بامتصاص الارتفاع المفاجئ دون إدخال ضوضاء التفريغ في العقدة التي يحميها.
• فقدان ثابت مع تغير درجة الحرارة. معامل ±30 جزء في المليون/درجة مئوية يحافظ على حسابات التخميد دون تغيير من بدء التشغيل البارد إلى الثبات.
• سجل حافل بالاستبدال. سلسلة 40 كيلو فولت / 441 المكثفات مقابض الابواب تُعد بديلاً مناسباً وسهل التركيب لـ موراتا تُستخدم المكثفات من النوع اللولبي في برنامج إصلاح مصادر الضوء في الطباعة الحجرية، ويقوم مطورو الأشعة فوق البنفسجية العميقة الآن بتحديد أجزاء HVC في مصادر الضوء الجديدة.

التوصيل والدعم

تُشحن القطع القياسية خلال 4 إلى 8 أسابيع، ومجموعات المخمدات المتطابقة خلال 6 إلى 10 أسابيع. يدعم قسم هندسة التطبيقات في HVC قياسات الدائرة، وتحديد حجم المخمدات، وتحليل النبضات المزدوجة. أرسل مخطط الدائرة، وقيمة محاثة الدائرة المقاسة، وتيار الإيقاف، وتردد التبديل. تُرسل HVC جدولًا لتحديد الحجم يتضمن بيانات المقاومة المكافئة التسلسلية (ESR)، والحث المكافئ التسلسلي (ESL)، وبيانات الفقد خلال خمسة أيام عمل.

6. أسئلة مكررة

س1: كيف يمكنني تحديد حجم مكثف التخميد؟

من الطاقة التي تُطلقها الحلقة: C_s = L·I²/ΔV². بالنسبة لـ 50 نانو هنري، و10 أمبير، وارتفاع جهد 40 فولت، تكون الإجابة 3.1 نانو فاراد. يسمح فرق الجهد الأكبر باستخدام مكثف أصغر وفقد أقل في المقاومة.

س2: لماذا لا يقوم المخمد الخاص بي بالتخميد؟

لأن الحلقة التي يُخمدها أكبر من تلك التي قمت بقياسها. أضف مقاومة الحث الكهروستاتيكي (ESL) الخاصة بالمخمد ومسارها إلى L_loop، ثم أعد الحساب. في النموذج الأولي، تصل هذه الإضافة إلى 30 نانو هنري، مما يُغير قيمة ζ من 0.5 إلى 0.39.

س3: ما هي قدرة المقاومة التي أحتاجها؟

P_R = ½·C_s·ΔV²·f_sw، عند أعلى تردد تبديل في المواصفات. يحتاج مُخمد سعته 3.1 نانوفاراد بنطاق جهد 40 فولت إلى 0.25 واط عند 100 كيلوهرتز و0.74 واط عند 300 كيلوهرتز، قبل تطبيق تخفيض القدرة بمقدار الضعف.

س4: هل تؤثر مقاومة المكثف المكافئة (ESR) في دائرة التخميد؟

نعم، وهو يخفي هامش الخطأ. أضافت مقاومة مكافئة متسلسلة (ESR) بقيمة 0.5 أوم في النموذج الأولي تخميدًا لا يوفره جزء الإنتاج ذو المقاومة المكافئة المتسلسلة بقيمة 0.05 أوم، مما أدى إلى زيادة التجاوز من 26% إلى 31% دون أي تغيير في المواصفات المطبوعة.

س5: ما الذي يسخن مكثف التخميد؟

فقدها العازل الذاتي. في دائرة تخميد سعتها 3.1 نانو فاراد عند تأرجح 260 فولت و200 كيلو هرتز، يبدد معامل فقد 1.5% طاقة 2 واط ويرتفع 40 درجة مئوية بمعدل 20 درجة مئوية/واط، بينما يبدد جزء من الفئة الأولى بنسبة 0.1% طاقة 0.13 واط ويرتفع 2.7 درجة مئوية.

س6: ما الذي يثبت أن التصميم ناجح في الإنتاج؟

هناك سجلان: الأول هو قيمة محاثة الحلقة المقاسة مع وجود المخمد، والثاني هو حدود المقاومة المكافئة التسلسلية (ESR) والحث المكافئ التسلسلي (ESL) المحددة في مواصفات الشراء. وبدون كليهما، يعتمد التخميد على الجزء الذي اختاره المشتري في ذلك الشهر.

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. هوبوكين، نيوجيرسي: جون وايلي وأولاده، 2003.
3. إشعار رقم 2 من MIL-HDBK-217F، التنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونية، 1995.
4. IEC 60384-1: 2021 ، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 1: المواصفات العامة، الطبعة الرابعة. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2021.
5. IEC 61071:2017، مكثفات لإلكترونيات الطاقة، الطبعة 2.0. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2017.
6. غيغابايت / تي 17702-2021، 电力电子电容器 (المكثفات لإلكترونيات الطاقة). بكين: 国家市场监督管理总局، 2021.
7. هـ. وانغ وف. بلايبيرغ، موثوقية المكثفات لتطبيقات وصلة التيار المستمر في محولات إلكترونيات الطاقة - نظرة عامة، مجلة IEEE للمعاملات في التطبيقات الصناعية، المجلد 50، العدد 5، الصفحات 3569-3578، 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357.
8. إل تشنغ، إل تشو، جيه ليو، زي دي، إس جي، خصائص الإصلاح الذاتي لمكثف الأغشية المعدنية تحت تأثير جهد التيار المستمر والتيار المتردد المتراكب مع التوافقيات، في مؤتمر IEEE لعام 2022 حول العزل الكهربائي والظواهر العازلة (CEIDP)، الصفحات 175-178، 2022. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286.
9. AN2001_06 — توصيل IGBTs على التوالي, Infineon Technologies, AN2001_06, http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN2001_06_Series_connection_of_IGBTs-AN-v1.0-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b40f000d12f7 .
10. طلب توصية بشأن دائرة التخميد لحماية شريحة Infineon FF300R17KE4P، مجتمع مطوري Infineon، https://community.infineon.com/t5/IGBT/Request-for-Snubber-Circuit-Recommendation-for-Protecting-Infineon-FF300R17KE4P/td-p/1241451 .
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com