Modulateurs à excimères 6 kHz : Précision de charge résonante

Modulateurs à excimères 6 kHz : Précision de charge résonante

Abstract

Une alimentation de charge résonante remplit le banc de stockage d'énergie à partir d'un bus basse tension pendant l'intervalle entre les impulsions, avec une précision de ±0.5 % ou mieux. À 6 kHz, cet intervalle est de 167 µs, et 4.5 J par impulsion correspondent à une puissance moyenne de 27 kW traversant un circuit résonant. La tolérance du circuit résonant induit des variations de la tension du banc, la commutation à courant nul dépend d'un passage par zéro qui dérive avec la température, et le condensateur résonant transporte le courant de charge maximal à chaque impulsion.

1. Introduction

Une alimentation de charge résonante constitue l'étage d'entrée haute fréquence d'un modulateur excimère entièrement à semi-conducteurs. Elle charge la batterie de stockage à partir d'un bus CC basse tension jusqu'à une tension contrôlée de 20 kV à 35 kV en un intervalle inter-impulsionnel de 100 µs à 1 ms.

La précision de la tension doit être de ±0.5 % ou mieux. À 6 kHz, l'alimentation effectue un cycle de charge complet toutes les 167 µs, et une impulsion de 4.5 J nécessite une puissance moyenne de 27 kW à travers le circuit résonant.

Une topologie à résonance série (ou LCC) atteint une commutation à courant nul à la coupure, ce qui assure le fonctionnement des commutateurs statiques même à des niveaux de tension de bus de plusieurs kilovolts. Ce même processus de résonance est sensible à la capacité de charge, à la tension du bus et aux tolérances des composants.

Un écart de 2 % dans le réservoir décale la fréquence de résonance de 1 %. Sur une fenêtre de charge de 167 µs, cela se traduit par une erreur de tension sur le banc de diodes, et cette erreur atteint le laser sous forme de gigue d'énergie entre les tirs.

2. Mécanisme de base

2.1 L'impulsion de charge en demi-sinusoïde

Dans une alimentation résonante série, l'inductance de résonance, le condensateur de résonance et la capacité de charge forment un circuit en série. Le courant de charge est une demi-sinusoïde dont la durée est déterminée par le circuit résonant.

T_charge = π × √(L_res × C_res)

où T_charge est la durée de l'impulsion en secondes, L_res l'inductance de résonance en henrys et C_res la capacité de résonance en farads.

Le courant de crête suit la tension du bus et l'impédance du circuit résonnant :

I_peak = V_bus × √(C_res / L_res)

où I_peak est le courant de charge de crête en ampères, V_bus la tension du bus CC en volts, C_res la capacité de résonance en farads et L_res l'inductance de résonance en henrys.

Considérons une inductance de 22.5 µH, un condensateur de 100 nF et une tension d'alimentation de 1.5 kV. La demi-sinusoïde dure 4.71 µs et atteint une intensité de crête de 100 A, soit une valeur efficace de 70.7 A sur la durée de l'impulsion.

2.2 Gain de tension par impulsion

La charge délivrée en une demi-sinusoïde apparaît comme un échelon de tension sur la batterie de stockage :

ΔV = (2 × I_peak × T_charge) / (π × C_load)

où ΔV est la tension gagnée par impulsion en volts, I_peak le courant de charge de crête en ampères, T_charge la durée de l'impulsion en secondes et C_load la capacité de stockage en farads.

Avec 100 A et 4.71 µs, chaque impulsion déplace 300 µC. Dans un banc de 10 nF à 30 kV, ce qui correspond au point de consigne complet en une seule impulsion.

L'énergie stockée est proportionnelle au carré de la tension du banc :

E_pulse = ½ × C_load × V_final²

où E_pulse représente l'énergie stockée en joules, C_load la capacité de stockage en farads et V_final la tension du banc en volts. À 10 nF et 30 kV, cela correspond à 4.5 J ; un train fonctionnant à 6 kHz consomme donc 27 kW sur le bus.

2.3 Précision de la tension par rapport à la tolérance du réservoir

La tension finale du banc de batteries suit l'erreur du circuit résonant. Chaque erreur de 1 % sur la capacité ou l'inductance de résonance modifie le temps de charge et le courant de résonance, et le banc de batteries suit à environ 0.2 %.

Un réservoir à ±5 % introduit donc une marge de ±1 % sur la plage de pression, soit le double de la précision requise pour le point de consigne. Un réservoir à ±1 % maintient l'erreur sous la barre des 0.2 % et élimine le besoin d'un étage de régulation supplémentaire, synonyme de coûts et de pertes.

L'erreur énergétique augmente deux fois plus vite que l'erreur de tension. Une erreur de 0.5 % sur la plage de tension se traduit par une erreur énergétique de 1 % au niveau du faisceau laser, ce qui se manifeste par une fluctuation visible de la dose d'une impulsion à l'autre.

2.4 Commutation à courant nul et courant de queue

À la fréquence de résonance, le passage par zéro du courant coïncide avec la coupure de l'interrupteur ; la commutation s'effectue donc sans courant. Les tolérances des composants et la température décalent le passage par zéro par rapport à l'instant de coupure souhaité.

Un passage par zéro survenant avec un retard de 10 à 20 ns laisse le commutateur parcouru par un courant de queue à la tension maximale du bus. Les pertes de commutation augmentent de 30 à 50 %, et à une puissance de 27 kW, cette chaleur se concentre sur la jonction et sur le dissipateur thermique dimensionné pour une puissance inférieure.

Une boucle de contrôle qui suit le passage par zéro mesuré et modifie la synchronisation de l'interrupteur supprime la dépendance à la précision du réservoir dans le chemin de contrôle.

2.5 Pertes ESR dans le condensateur résonant

Le condensateur résonant transporte la totalité du courant de charge, et sa résistance série équivalente (ESR) en convertit une partie en chaleur à chaque impulsion :

P_ESR = I_rms² × ESR × T_charge × PRF

où P_ESR est la perte moyenne en watts, I_rms le courant quadratique moyen sur l'impulsion en ampères, ESR la résistance série équivalente en ohms, T_charge la durée de l'impulsion en secondes et PRF la fréquence de répétition en hertz.

Avec un courant efficace de 70.7 A, une durée d'impulsion de 4.71 µs et une fréquence de 6 kHz, la perte est de 0.0236 J par ohm et par impulsion, soit 1.41 W à 10 mΩ. L'élévation de la température du boîtier suit alors la résistance thermique entre la jonction et l'environnement.

ΔT = P_ESR × R_th(j−a)

où ΔT est l'élévation de température en kelvins, P_ESR la perte moyenne en watts et R_th(j−a) la résistance thermique du diélectrique à l'ambiant en kelvins par watt.

Un corps à connexion radiale soumis à une résistance de 6 K/W voit sa température augmenter de 8.5 K à 10 mΩ. Le même composant, soumis à une résistance de 30 mΩ et après une dérive de 30 % de la résistance série équivalente (ESR), dissipe 4.24 W et voit sa température augmenter de 25 K, ce qui correspond au point où le coefficient de température du diélectrique commence à accroître l'erreur.

Fig. 1 — À 10 mΩ, un condensateur résonant à fils radiaux monte de 8.5 K ; la même pièce à 30 mΩ atteint l'alarme de 25 K, tandis qu'un corps à bornes à vis reste proche de 13 K.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Problème n° 1 : Perte de précision de la tension due aux tolérances du réservoir

De nombreuses conceptions spécifient la capacité et l'inductance de résonance à ±5 %. La dispersion résultante de la fréquence de résonance et du temps de charge induit une tolérance de ±1 % sur la batterie.

Ces fluctuations se traduisent par une variation d'énergie d'une impulsion à l'autre dans le signal laser. La solution habituelle consiste à ajouter un étage de régulation, ce qui engendre des coûts supplémentaires, des pertes et nécessite une seconde boucle de contrôle.

Point faible n° 2 : Augmentation des pertes par commutation à la limite de la commutation à courant nul

Une dérive de 5 % de la fréquence de résonance décale le passage par zéro du courant de 10 à 20 ns par rapport à l'instant de coupure de l'interrupteur. L'interrupteur commute alors avec un courant résiduel à la tension maximale du bus.

Les pertes par commutation augmentent de 30 à 50 %, et le dissipateur thermique, initialement dimensionné pour la valeur nominale, est désormais sous-dimensionné. La température de jonction augmente, et les pertes augmentent à nouveau.

Point faible n° 3 : L’ESR du condensateur résonant provoque un échauffement du composant.

Le condensateur résonant transporte la totalité du courant de charge. À 100 A crête et 70.7 A efficace, sa résistance série équivalente (ESR) génère 1.41 W à 10 mΩ, et cette chaleur est stockée dans un petit volume diélectrique.

Lorsque la résistance série équivalente (ESR) dérive avec la température, les pertes augmentent et la température suit la même tendance. Une multiplication par trois de l'ESR entraîne une perte de 4.24 W et une élévation de température de 25 K, ce qui suffit à accroître simultanément l'erreur de capacité et le temps de charge.

Point faible n° 4 : Dépassement de la consigne lors de la charge insuffisamment amortie

Un circuit de charge insuffisamment amorti dépasse le point de consigne de 0.5 % à 1 % lors de l'impulsion finale. Cette surtension se répète à chaque tir.

La batterie de stockage subit alors une surtension transitoire supérieure à son niveau nominal, et son diélectrique, déjà proche de la tension d'amorçage des décharges partielles, s'érode légèrement à chaque impulsion. La défaillance est interprétée comme un défaut du condensateur et se produit au niveau de l'amortissement du circuit résonnant.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Réduire la tolérance du réservoir

Spécifiez la capacité et l'inductance de résonance à ±1 % pour maintenir l'erreur du banc en dessous de 0.2 %. Utilisez un N4700 Diélectrique de classe I avec un coefficient de température de ±30 ppm/°C et un coefficient de tension négligeable, de sorte que la capacité reste constante sur toute la plage de fonctionnement.

Mesurez et appariez le condensateur et l'inductance lors de la mise en service afin d'atteindre une tolérance combinée de ±0.5 %. Cette étape d'appariement nécessite une mesure par unité et évite l'utilisation d'un régulateur supplémentaire.

Stratégie 2 : Suivre le passage par zéro dans la boucle de contrôle

Utilisez une boucle qui suit le passage par zéro du courant de résonance mesuré et ajuste la temporisation de commutation en temps réel. Réglez la bande passante pour suivre la dérive thermique de 0.1 Hz à 1 Hz, ce qui élimine le bruit entre les impulsions tout en captant le mouvement lent.

Cette boucle élimine la nécessité d'une tolérance stricte dans le circuit de commande. Le réservoir doit toujours être précis pour le calcul de la charge, mais le calage n'en dépend plus.

Stratégie 3 : Réduire les pertes ESR dans le condensateur résonant

Choisissez un condensateur dont le facteur de dissipation (DF) est inférieur à 0.1 % et la résistance série équivalente (ESR) inférieure à 5 mΩ à la fréquence de résonance. Un composant supportant un courant élevé et présentant une faible résistance thermique dissipe la chaleur due aux courants de Foucault sans dépendre de la surface de montage.

Alors qu'un corps à connexion radiale atteint une température de 8.5 K à 10 mΩ avec une perte de 6 K/W, un corps à bornes à vis atteint une température de 4.3 K pour les mêmes pertes, et le condensateurs poignée de porte Les applications utilisées du côté bancaire suivent la même logique. condensateur à film est l'autre candidat pour ce poste, et son ESR à la fréquence de résonance détermine la comparaison.

Stratégie 4 : Amortir le circuit de charge

Ajouter une inductance de faible valeur résistance à couche épaisse En série avec le condensateur de résonance, on augmente le coefficient d'amortissement à 0.5 ou 0.6 et on maintient le dépassement en dessous de 0.2 %. La résistance doit présenter une inductance équivalente (ESL) inférieure à 10 nH afin de ne pas induire de réactance propre.

Vérifiez l'amortissement à pleine tension. Cette mesure confirme la résistance de boucle supposée par le modèle et constitue le seul moyen d'observer le dépassement tel que le laser le perçoit.

Stratégie 5 : Limiter la surtension

Placer un diode à récupération rapide Pour limiter le dépassement de charge à un niveau défini, répartissez le courant sur la batterie de stockage. Choisissez un composant avec un temps de récupération inverse inférieur ou égal à 35 ns et une charge de récupération suffisamment faible pour ne pas injecter de courant dans le dépassement.

Réglez la résistance de limitation de tension de 0.2 % à 0.5 % au-dessus du point de consigne. Cela protège la batterie et préserve la forme d'onde de charge, ce qui est important car le contrôleur mesure cette même forme d'onde pour réguler la tension.

Stratégie 6 : Surveiller la forme d’onde de la charge et la dérive de la résistance série équivalente (ESR).

Mesurez le courant de charge et la tension finale du banc de condensateurs à chaque impulsion. Calculez la perte par impulsion et déterminez la résistance série équivalente (ESR) du condensateur résonant à partir de cette valeur ; pour ce faire, utilisez une résistance d'échantillonnage à faible inductance dans le circuit résonant.

Paramétrez le seuil de maintenance à 20 % de dérive de l'ESR par rapport à la valeur de référence de mise en service. Il s'agit du premier signe visible de vieillissement du condensateur, et il apparaît bien avant que la capacité ne varie.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V efficace
ESR à 1 MHz	inférieur à 50 mΩ	-
Inductance de boucle (accord E40)	en dessous de 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm
La resistance d'isolement	supérieure à 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2
Capacité dv/dt d'impulsion	au-dessus de 50 kV/µs	à la tension nominale

5. Condensateurs HVC N4700 pour la charge par résonance

Quatre exigences déterminent le choix de ce nœud : une capacité suffisamment précise et stable pour garantir la validité des calculs de charge, un facteur de dissipation suffisamment faible pour que les pertes ESR restent inférieures à la capacité thermique, une décharge partielle suffisamment faible pour la variation de tension (dV/dt) élevée d'une demi-sinusoïde de 100 A, et un boîtier permettant d'évacuer la chaleur I²R. HVC fabrique ces composants dans son usine de 6 000 m² à Dongguan, pour une plage de tensions allant de 1 kV à 150 kV.

Six paramètres importants ici

• La capacité triée à ±1 % maintient la fréquence de résonance à moins de 0.5 % de la conception et maintient l'erreur de banc en dessous de 0.2 % sans post-régulateur.
• Un coefficient de température de ±30 ppm/°C maintient la fréquence de résonance constante sur toute la plage de fonctionnement, de sorte que le passage par zéro reste aligné et que la perte de commutation n'augmente pas.
• Un DF inférieur à 0.1 % et une ESR inférieure à 5 mΩ à la fréquence de résonance maintiennent les pertes du condensateur à une petite partie des 27 kW circulant dans le réservoir.
• Les tests de décharge partielle à 100 % à 5 pC ou moins couvrent le dV/dt élevé qu'une demi-sinusoïde de 100 A applique au diélectrique.
• HVRGHP Les résistances de détection avec ESL inférieures à 10 nH donnent une mesure de perte par impulsion, et les diodes de limitation à récupération rapide avec une récupération de 25 ns à 35 ns maintiennent le dépassement du banc.
• Les corps de bornes à vis jusqu'à 40 kV ont été homologués comme solutions de remplacement pour les condensateurs à vis Murata japonais dans les programmes de réparation sur site des sources lumineuses. Les composants HVC correspondent aux paramètres de Murata, les séries haute tension TDK et Vishay.

Livraison et support

Les composants standard sont expédiés sous 4 à 8 semaines et les ensembles résonants appariés sous 6 à 10 semaines. L'ingénierie d'applications HVC prend en charge la caractérisation des circuits résonants, la mesure du facteur de puissance (DF) et de la résistance série équivalente (ESR), ainsi que la revue de conception de l'amortissement et du blocage.

Veuillez envoyer les valeurs du circuit d'absorption, la tension du bus, la capacité du banc de condensateurs, la consigne, le courant et la fréquence de répétition. HVC vous fournira sous cinq jours ouvrés une courbe de capacité et de température pour le composant proposé, une valeur d'ESR à la fréquence de résonance, la valeur de la résistance d'amortissement et un kit d'évaluation à deux échantillons.

6. Questions fréquentes

Q1 : Quelle précision doit avoir la tension du banc ?

Une précision de ±0.5 % ou mieux est requise, et chaque erreur de 1 % sur le circuit intégré entraîne une perte de 0.2 %. Un circuit intégré à ±5 % consomme ±1 % et manque la cible à deux reprises ; c’est pourquoi un circuit intégré à ±1 % ou une paire appariée est la solution pratique. L’erreur d’énergie évolue deux fois plus vite que l’erreur de tension, car E_impulsion = ½ × C_charge × V_final².

Q2 : Qu'est-ce qui détermine la durée de l'impulsion de charge ?

La charge T est égale à π × √(L_res × C_res). Avec une inductance de 22.5 µH et une capacité de 100 nF, la demi-sinusoïde dure 4.71 µs et le courant de crête est égal à V_bus × √(C_res / L_res), soit 100 A pour une tension de bus de 1.5 kV. Cette impulsion induit une charge de 300 µC dans le banc de condensateurs, soit une tension de 30 kV pour une capacité de 10 nF.

Q3 : Quelle est la puissance dissipée par le condensateur résonant ?

P_ESR = I_rms² × ESR × T_charge × PRF. Avec 70.7 A rms, 4.71 µs et 6 kHz, la perte est de 1.41 W à 10 mΩ. Un corps à conducteurs radiaux à 6 K/W entraîne une élévation de température de 8.5 K, et une dérive de 30 mΩ porte la même valeur à 4.24 W et l'élévation à 25 K.

Q4 : Que se passe-t-il si le passage par zéro dérive ?

L'interrupteur se coupe lorsque le courant de queue atteint la tension de bus maximale, et les pertes de commutation augmentent de 30 % à 50 % pour un décalage de 10 à 20 ns. Une dérive de 5 % de la fréquence de résonance suffit à décaler le point de passage par zéro de cette amplitude. Le suivi du passage par zéro mesuré dans la boucle de contrôle permet de maintenir la synchronisation sans resserrer le circuit résonant.

Q5 : Comment puis-je arrêter le dépassement de charge ?

Augmentez le coefficient d'amortissement du circuit de charge à 0.5 ou 0.6 à l'aide d'une résistance en série dont l'ESL est inférieure à 10 nH. Cela limite le dépassement à moins de 0.2 %, et une diode de limitation accordée de 0.2 % à 0.5 % au-dessus du point de consigne capture le reste sans perturber la forme d'onde de charge que le contrôleur régule.

Q6 : Quel est le premier signe de vieillissement d'un condensateur résonant ?

Dérive de la résistance série équivalente (ESR). Mesurez le courant de charge et la tension finale du banc de batteries à chaque impulsion, calculez la perte par impulsion et comparez l'ESR à la valeur de référence de mise en service. Une augmentation de 20 % déclenche la maintenance et se produit avant que la capacité ne varie suffisamment pour modifier le temps de charge.

7. Références

1. E. Kuffel, WS Zaengl, J. Kuffel, Principes fondamentaux de l'ingénierie haute tension, 2e éd., Newnes, 2000.
2. N. Mohan, TM Undeland, WP Robbins, Électronique de puissance : convertisseurs, applications et conception, 3e éd., Wiley, 2003.
3. Avis MIL-HDBK-217F 2, Prédiction de la fiabilité des équipements électroniques 1995.
4. CEI 60384-1:2021, Condensateurs fixes pour équipements électroniques - Partie 1 : Spécifications générales, 6e éd. Genève : CEI, 2021.
5. CEI 61071:2017, Condensateurs pour l'électronique de puissance, 2e éd. Genève : CEI, 2017.
6. GB/T 17702-2021, 电力电子电容器. Publié : 中国标准出版社, 2021.
7. H. Nakao, Y. Yonezawa, T. Sugawara, Y. Nakashima et F. Kurokawa, Méthode d'évaluation en ligne de la dégradation des condensateurs électrolytiques pour la prédiction des défaillances des alimentations à découpage à commande numérique, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 3, pp. 2552-2558, 2018. https://doi.org/10.1109/tpel.2017.2691048.
8. M. Marchesoni et al., Minimisation de l'ondulation de tension du condensateur dans les convertisseurs de source de tension pour les applications HVDC, dans les actes de la conférence internationale AEIT HVDC 2019 (AEIT HVDC), p. 1-6, 2019. https://doi.org/10.1109/aeit-hvdc.2019.8740647
9. Condensateurs à impulsions à film métallisé MKP — Présentation du produit, KEMET Electronics, https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors .
10. États-Unis 6,937,027, Capteur hybride pour la détection des décharges partielles à haute fréquence, Hanyang Hak Won Co., Ltd., délivré en 2005, https://www.freepatentsonline.com/6937027.html.
11. Équipe d'ingénierie des applications HVC, Condensateur céramique haute tension Ressources techniques, https://www.hv-caps.com