Trasformatori a eccimeri da 30 kV: Riduzione dell'induttanza di dispersione

Trasformatori a eccimeri da 30 kV: Riduzione dell'induttanza di dispersione

Astratto

In un laser a eccimeri, un trasformatore di impulsi ad alta tensione accoppia il modulatore al carico e fornisce isolamento. I trasformatori reali aggiungono induttanza di dispersione e capacità di avvolgimento, che insieme formano un sistema risonante che allunga il tempo di salita, immette dal 15% al ​​25% di tensione transitoria aggiuntiva sui condensatori e invia corrente di modo comune ai circuiti di trigger. Questo articolo ricava entrambe le capacità parassite, quantifica il danno e fornisce le regole di avvolgimento che consentono di sopprimerle congiuntamente.

1. introduzione

Un trasformatore di impulsi ad alta tensione in un alimentatore per laser a eccimeri collega il modulatore a bassa tensione al carico ad alta tensione. Fornisce isolamento galvanico e, ove necessario, un rapporto di trasformazione.

In un trasformatore ideale, l'induttanza di dispersione è zero, l'induttanza di magnetizzazione è infinita e la capacità tra gli avvolgimenti è zero, quindi il secondario è una copia esatta del primario. Gli avvolgimenti reali trasportano tutti e tre i termini.

Ai tempi di salita compresi tra 25 e 50 ns richiesti dalla scarica a gas eccimero, l'induttanza di dispersione e la capacità degli avvolgimenti formano un sistema risonante. Ciò distorce il tempo di salita, crea un overshoot e irradia interferenze elettromagnetiche (EMI) nell'elettronica circostante la testa laser.

L'induttanza di dispersione di un trasformatore ben costruito può eguagliare l'induttanza di anello dell'intera rete. Nel frattempo, la capacità tra gli avvolgimenti invia una corrente di modo comune al piano di massa, e tale corrente raggiunge la temporizzazione di trigger degli stadi adiacenti.

2. Meccanismo fondamentale

2.1 Da dove proviene l'induttanza di dispersione

L'induttanza di dispersione deriva dalla parte del flusso magnetico che collega un avvolgimento e non l'altro. Un secondario ad alta tensione necessita di molte spire e di un isolamento spesso, e tale isolamento tende ad allontanare i due avvolgimenti:

L_leak ≈ (μ₀ × N² × mean_turn_length × fill_factor) / (3 × winding_height)

dove L_leak è l'induttanza di dispersione in henry, μ₀ la permeabilità dello spazio libero, N il numero di spire primarie, mean_turn_length la lunghezza media della spira in metri, fill_factor il riempimento di rame della finestra e winding_height l'altezza dell'avvolgimento in metri.

Il risultato è proporzionale al quadrato del numero di spire e diminuisce con l'altezza dell'avvolgimento. Aumenta inoltre con la distanza tra gli avvolgimenti, che è determinata dalla tensione nominale e dal materiale isolante.

In un trasformatore da 30 kV, l'induttanza di dispersione si attesta tra 200 nH e 500 nH, un valore dello stesso ordine di grandezza di un intero anello PFN.

2.2 Da dove proviene la capacità dell'avvolgimento

La capacità tra gli avvolgimenti deriva dal campo elettrico tra il conduttore primario e quello secondario:

C_inter = ε₀ × εr × A / d

dove C_inter è la capacità tra gli avvolgimenti in farad, ε₀ la permittività del vuoto, εr la permittività relativa della barriera, A l'area del conduttore di rivestimento in metri quadrati e d lo spessore della barriera in metri.

Un trasformatore da 30 kV con 2 mm di isolamento in poliimmide presenta una capacità secondaria da 10 pF a 30 pF. L'autocapacità del secondario, tra spire adiacenti e tra l'avvolgimento e il nucleo, aggiunge altri 20 pF a 50 pF. Insieme, queste capacità formano la capacità secondaria che l'impulso percepisce.

Un isolamento più spesso riduce C_inter e aumenta contemporaneamente L_leak. Lo spessore della barriera, quindi, bilancia un parametro parassita con l'altro, ed è per questo che la geometria è più importante della scelta del materiale in questo nodo.

2.3 Due risonanze, non una

L'induttanza di dispersione si collega alla capacità presente ai suoi capi. Due di questi circuiti sono importanti in un generatore di impulsi a eccimeri:

f_ring = 1 / (2π × √(L_leak × C_sec))

dove f_ring è la frequenza di risonanza in hertz, L_leak l'induttanza di dispersione in henry e C_sec la capacità in farad ai capi dell'avvolgimento.

Rispetto alla capacità dell'avvolgimento i valori sono piccoli: 300 nH con anelli da 30 pF a 53 MHz e 100 nH con anelli da 50 pF a 71 MHz. Rispetto a un condensatore di accoppiamento da 20 nF si ottengono gli stessi 200 nH di anelli di dispersione a 2.5 MHz, che è una frequenza sufficientemente bassa da mostrare una coda visibile su ogni impulso.

Entrambi i circuiti sono sottosmorzati, perché la resistenza degli avvolgimenti è piccola rispetto alla reattanza dell'induttanza di dispersione nella banda MHz. Il rapporto di smorzamento di un trasformatore ad alta tensione è quindi ben al di sotto di 0.5.

2.4 Sovratensione sui condensatori

Un ingresso a gradino in una coppia risonante sottosmorzata porta l'oscillatore secondario oltre il suo valore di plateau. Il rapporto di picco segue il rapporto di smorzamento:

V_peak / V_ss = 1 + e^(−πζ / √(1 − ζ²))

dove V_peak è la tensione secondaria di picco in volt, V_ss il valore di plateau in volt e ζ il fattore di smorzamento del circuito secondario.

La sovratensione si ripercuote sull'avvolgimento secondario e su ogni condensatore ad esso collegato. Raggiunge un valore superiore del 20% rispetto alla tensione di uscita nominale e si mantiene tra il 15% e il 25% al ​​di sopra del valore nominale sui condensatori di accoppiamento e di carico.

Questo transitorio si verifica ad ogni impulso di accensione e si ripete milioni di volte in un intervallo di mantenimento. Trovandosi in prossimità della tensione di innesco della scarica parziale, il dielettrico entra in uno stato di scarica parziale durante il picco di ogni sovraelongazione.

2.5 Corrente di modo comune dalla capacità tra gli avvolgimenti

La capacità tra gli avvolgimenti trasporta una corrente di spostamento dal primario al secondario, e tale corrente ritorna attraverso il piano di massa:

I_cmem = C_inter × dV/dt

dove I_cmem è la corrente di modo comune in ampere, C_inter la capacità tra gli avvolgimenti in farad e dV/dt la pendenza della tensione attraverso la barriera in volt al secondo.

Con una capacità di 20 pF e una frequenza di campionamento di 1 kV/ns, la corrente è di 20 A per 5 ns. Attraverso un'impedenza di massa di 100 mΩ, tale corrente sviluppa una tensione di 2 V, sufficiente a provocare un falso innesco in uno stadio adiacente o a spostarne la temporizzazione di nanosecondi.

In un laser multicanale l'effetto si amplifica, perché ogni canale pilota lo stesso piano di massa.

Figura 1 — L'induttanza di dispersione estende il fronte di 30 ns a 60-100 ns, mentre una capacità tra gli avvolgimenti di 20 pF spinge 20 A su 100 mΩ di massa.

3. Punti critici di ingegneria

Punto critico 1: impostazione del tempo di salita dell'induttanza di dispersione

In un trasformatore da 30 kV, l'induttanza di dispersione varia da 200 nH a 500 nH, superando l'intera capacità di circuito di una rete tipica. Il tempo di salita della tensione di uscita segue quindi il trasformatore, non l'interruttore e non il condensatore.

Un fronte di impulso progettato per 30 ns si degrada a 60 ns o 100 ns. L'impulso appare lento, la colpa viene attribuita al condensatore e all'interruttore, ma la causa risiede nella geometria dell'avvolgimento.

Punto critico 2: Energia immagazzinata nella capacità dell'avvolgimento

La capacità tra gli avvolgimenti e l'autocapacità dell'avvolgimento secondario immagazzinano parte dell'impulso durante la fase di salita e la rilasciano durante la fase di discesa. Il rilascio si manifesta come un overshoot e una coda oscillante sulla forma d'onda secondaria.

Il picco di sovratensione raggiunge il 20% rispetto alla potenza nominale e l'oscillazione dura centinaia di nanosecondi. Entrambi i fenomeni sollecitano il condensatore di carico e il diodo di commutazione ad ogni impulso.

Punto critico 3: Interferenze elettromagnetiche che penetrano nei circuiti di innesco e di controllo

La corrente di spostamento attraverso la capacità tra gli avvolgimenti scorre nel piano di massa. Con una corrente di 20 A per 5 ns, si sviluppa un'impedenza di massa di 100 mΩ ai suoi capi una tensione di 2 V.

Quella tensione appare sull'ingresso di trigger dello stadio successivo. In un laser multicanale si manifesta come falsi trigger e jitter di temporizzazione, e si presenta ad ogni scatto.

Punto critico 4: Sovraccarico del condensatore dovuto al superamento della tensione di soglia del trasformatore

I condensatori di accoppiamento e di carico vengono scelti in base alla tensione di uscita nominale. Il sovraccarico e le oscillazioni li caricano quindi con un transitorio superiore del 15-25%.

Un dielettrico che già opera vicino alla sua tensione di innesco di scarica parziale entra in scarica durante il picco. L'erosione si accumula su milioni di impulsi, il condensatore si guasta e il rapporto indica un difetto del componente quando la causa risiede nella forma d'onda del trasformatore.

4. Fasi di progettazione

Strategia 1: intrecciare gli avvolgimenti

L'avvolgimento primario e secondario dell'elica vengono realizzati in settori adiacenti sullo stesso strato, riducendo la distanza tra di essi e diminuendo l'induttanza di dispersione del 50-70%. Per un secondario da 30 kV si utilizzano da 4 a 6 settori, ciascuno dei quali contiene una sezione primaria e una secondaria separate da una sottile barriera.

Scegliete un nucleo con elevato rapporto d'aspetto, lungo e sottile, per aumentare l'altezza dell'avvolgimento. L'induttanza di dispersione diminuisce con l'altezza dell'avvolgimento a parità di spire.

Strategia 2: Proteggere il percorso tortuoso

Inserire uno schermo elettrostatico collegato a terra tra l'avvolgimento primario e quello secondario. Lo schermo cortocircuita la capacità tra gli avvolgimenti verso terra, in modo che la corrente di modo comune ritorni localmente invece di fluire attraverso i circuiti di innesco.

Selezionare un materiale barriera a bassa costante dielettrica: poliimmide con εr 3.5 o PTFE con εr 2.1. Quindi ridurre l'autocapacità del secondario con un avvolgimento a strati che mantenga bassa la tensione per strato.

Strategia 3: Smorzare il ronzio nel primario

Aggiungi un'induttanza bassa resistore a film spesso nel circuito primario per aumentare il rapporto di smorzamento a 0.5 o 0.6 e mantenere l'overshoot al di sotto del 10%. La resistenza stessa deve rimanere al di sotto di circa 10 nH di ESL, altrimenti contribuisce all'induttanza che dovrebbe smorzare.

Verificare lo smorzamento su un prototipo a piena tensione, non solo in simulazione. La misurazione conferma la resistenza di anello ipotizzata nel modello.

Strategia 4: Limitare il superamento secondario

Posizionare un diodo a recupero rapido in antiserie con l'uscita per limitare l'overshoot secondario. Selezionare un componente con recupero inverso pari o inferiore a 35 ns e una carica di recupero sufficientemente bassa da non iniettare corrente nell'overshoot.

Regolare il livello di blocco del 5-8% al di sopra della tensione di uscita prevista. Ciò protegge il condensatore dal picco transitorio senza mettere in conduzione il diodo durante gli impulsi ordinari.

Strategia 5: Scegliere condensatori a bassa ESL per entrambe le posizioni

Utilizzare condensatori con ESL inferiore a 30 nH per le posizioni di accoppiamento e carico, in modo che la loro induttanza non si aggiunga all'induttanza di dispersione del trasformatore. condensatore a film e un componente ceramico N4700 sono i due percorsi che vale la pena misurare rispetto alla stessa forma d'onda prima che il layout sia definito.

Specificare un coefficiente di temperatura di ±30 ppm/°C in modo che la capacità, e quindi la risonanza, non vari con la temperatura. Mantenere il fattore di dissipazione al di sotto dello 0.1% in modo che il condensatore contribuisca poco alla perdita totale e il progetto di smorzamento rimanga valido.

Strategia 6: Inserire entrambi i parassiti nel modello di sistema

Misurare l'induttanza di dispersione e la capacità degli avvolgimenti con un analizzatore di impedenza da 100 kHz a 10 MHz. Inserire i valori misurati nel modello di rete e simulare il tempo di salita, l'overshoot e le oscillazioni dell'intero sistema.

Ripeti la progettazione del trasformatore, della resistenza di smorzamento e del morsetto finché la forma d'onda simulata non soddisfa le specifiche, quindi confermala sull'assemblaggio.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Tensione nominale (serie HVCT8G)	10 kV DC	Hi-pot 1.5× per 60 s
Capacità	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	inferiore a 50 mΩ	-
Induttanza di anello (accordo E40)	inferiore a 8 nH	Distanza tra i terminali: 40 mm
resistenza di isolamento	superiore a 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Range di temperatura	da -40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2
Capacità di misurazione di impulsi dv/dt	oltre 50 kV/µs	a tensione nominale

5. Condensatori HVC N4700 per secondari del trasformatore di impulsi

Quattro requisiti guidano la scelta a questo nodo: un ESL sufficientemente basso da non far sì che il condensatore contribuisca a un'induttanza di dispersione già nell'ordine delle centinaia di nanohenry, un coefficiente di temperatura sufficientemente stretto da mantenere stabile la risonanza, un fattore di dissipazione sufficientemente basso da far sì che lo smorzamento provenga dalla resistenza e una scarica parziale sufficientemente bassa da assorbire l'overshoot. HVC produce questi dispositivi in ​​uno stabilimento di proprietà di 6,000 m² a Dongguan, per una gamma di tensioni da 1 kV a 150 kV.

Sei parametri importanti in questo caso

• Un'induttanza di perdita dielettrica (ESL) inferiore a 30 nH, dovuta a percorsi di corrente corti e ampi, impedisce al condensatore di generare un'induttanza di dispersione che si aggira già tra i 200 nH e i 500 nH, garantendo così che il tempo di salita del trasformatore rimanga inalterato.
• Un coefficiente di temperatura di ±30 ppm/°C mantiene costante la capacità, e quindi la frequenza di oscillazione, nell'intero intervallo di funzionamento, garantendo così la validità del progetto di smorzamento.
• N4700 Un dielettrico con DF inferiore allo 0.1% lascia lo smorzamento del trasformatore alla resistenza esterna, che è la variabile che l'ingegnere può regolare.
• Il test di scarica parziale al 100% a 5 pC o inferiore copre il sovraccarico e le oscillazioni che caricano il componente dal 15% al ​​25% in più rispetto al valore nominale ad ogni impulso.
• HVRGHP Le resistenze di smorzamento con ESL inferiore a 10 nH e i diodi di blocco a recupero rapido con tempi di recupero da 25 ns a 35 ns formano, insieme al condensatore, un circuito secondario smorzato qualificato.
• I corpi con terminali a vite fino a 40 kV sono stati qualificati come sostituti dei condensatori a vite Murata giapponesi nei programmi di riparazione sul campo delle sorgenti luminose. I componenti HVC corrispondono ai parametri di Murata, serie ad alta tensione TDK e Vishay.

Consegna e supporto

I componenti standard vengono spediti in 4-8 settimane, mentre i set trasformatori-secondari abbinati in 6-10 settimane. Il team di ingegneria applicativa di HVC si occupa della caratterizzazione dei parametri parassiti dei trasformatori, della revisione della progettazione di smorzamento e bloccaggio e della selezione di condensatori a bassa ESL.

Inviare il rapporto di spire, la tensione secondaria, l'induttanza di dispersione, la capacità dell'avvolgimento, il tempo di salita e lo schema di layout. HVC restituisce un valore ESL per il package proposto, il valore della resistenza di smorzamento, il livello di blocco e un kit di valutazione con due campioni entro cinque giorni lavorativi.

6. Domande frequenti

D1: Perché l'induttanza di dispersione aumenta con la tensione nominale?

Poiché la potenza nominale determina lo spessore dell'isolamento e lo spessore dell'isolamento determina la distanza tra gli avvolgimenti. Una barriera da 30 kV richiede 2 mm di poliimmide o più, e L_leak ≈ (μ₀ × N² × lunghezza_media_spira × fattore_di_riempimento) / (3 × altezza_avvolgimento) aumenta con tale distanza. I settori intercalati recuperano dal 50% al 70% di esso.

D2: Su quale risonanza dovrei concentrarmi nella progettazione?

Entrambi. Contro la capacità dell'avvolgimento i numeri sono piccoli: 300 nH con 30 pF scorrono a 53 MHz, il che distorce il fronte e innesca scariche parziali. Contro un condensatore di accoppiamento da 20 nF gli stessi scorrono a 2.5 MHz, il che si manifesta come una coda visibile per centinaia di nanosecondi. Ognuno necessita del proprio smorzamento e morsetto.

Q3: Quanto sovraelongazione aggiunge il trasformatore ai condensatori?

Abbastanza per raggiungere il 20% in più rispetto alla potenza di progetto sul secondario e dal 15% al ​​25% di tensione transitoria aggiuntiva sui condensatori di accoppiamento e di carico. Il picco segue V_peak / V_ss = 1 + e^(−πζ / √(1 − ζ²)), quindi aumentando ζ a 0.5 o 0.6 con una resistenza di smorzamento primaria lo si mantiene al di sotto del 10%.

D4: In che modo uno scudo collegato a terra può essere d'aiuto?

Fornisce alla corrente di spostamento un percorso di ritorno locale. Senza di esso, I_cmem = C_inter × dV/dt eroga 20 A per 5 ns nel piano di massa a 20 pF e 1 kV/ns, e un'impedenza di massa di 100 mΩ trasforma tale valore in 2 V all'ingresso di trigger. Con lo schermo in posizione, la corrente ritorna al lato primario.

D5: Quali parametri del condensatore sono importanti sul secondario?

ESL inferiore a 30 nH in modo che il componente non contribuisca all'induttanza di dispersione, un coefficiente di temperatura vicino a ±30 ppm/°C in modo che la frequenza di oscillazione non vari, DF inferiore allo 0.1% in modo che la resistenza di smorzamento controlli il ciclo e scariche parziali inferiori a 5 pC in modo che l'overshoot non eroda il dielettrico.

D6: Come posso verificare la presenza di parassiti nell'unità costruita?

Misurare l'induttanza di dispersione e la capacità dell'avvolgimento con un analizzatore di impedenza da 100 kHz a 10 MHz, quindi inserire i valori misurati nel modello di rete. Confrontare il tempo di salita, l'overshoot e il ringing simulati con la forma d'onda del generatore di impulsi assemblato. La differenza tra di essi mostra la parte del layout che il modello non ha riprodotto.

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