Verwendung von Hochspannungs-Scheibenkondensatoren in Halbwellenspannungsverdopplern / -vierfachern und Excimer-Lasersystemen
Lasersysteme können extreme Anforderungen an ihre Komponenten stellen, insbesondere in Leistungsübertragungsschaltungen. Für die Prozesse der Energiespeicherung und -entladung sind Scheibenkondensatoren eine ausgezeichnete Wahl, da sie über eine hohe Kapazität, einen niedrigen Verlustfaktor und mehr verfügen. In diesem Artikel erhalten Sie einen Überblick über die neueste Scheibenkondensator-Technologie von Vishay, die in Hochspannungsanwendungen bis zu 50 kV eingesetzt wird.
Einführung
Hochspannungs-Keramikkondensatoren werden in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt, die eine Betriebsspannung von bis zu 50 kV, eine Kapazität von über 5000 pF, eine geringe Induktivität und einen Verlustfaktor (DF) deutlich unter 0,5 % erfordern. In diesem Whitepaper konzentrieren wir uns auf ihren Einsatz zur Energiespeicherung und Entladung in Lasersystemanwendungen. Darüber hinaus werden Halbwellenspannungs-Verdoppler betrachtet, bei denen es sich um Spannungsmultiplizierschaltungen handelt, die aus zwei Dioden, zwei Kondensatoren und einer Wechselspannungsquelle bestehen. Sie finden Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen, darunter Röntgensysteme, Hochspannungsnetzgeräte, Teilchenbeschleuniger und Ionenpumpen. Die Ausgangsspannungsamplitude dieser Schaltungen ist doppelt so hoch wie die Eingangsspannungsamplitude. Zusätzlich werden wir ihren Einsatz in Spannungs-Vervierfachern untersuchen, die eine zusätzliche Diode-Kondensator-Stufe enthalten.
Halbwellenspannungsverdoppler
Das Schaltbild eines Halbwellenspannungsverdopplers ist in der untenstehenden Abbildung dargestellt. Während der positiven Halbwelle ist die Diode D1 in Durchlassrichtung vorgespannt, sodass Strom durch sie fließt. Dieser Strom fließt zum Kondensator C1 und lädt ihn auf den Spitzenwert der Eingangsspannung VM auf. Jedoch fließt kein Strom zum Kondensator C2, da die Diode D2 in Sperrrichtung vorgespannt ist. Somit blockiert die Diode D2 den Stromfluss zum Kondensator C2. Daher wird während der positiven Halbwelle der Kondensator C1 geladen, während der Kondensator C2 ungeladen bleibt.
Während der negativen Halbwelle ist die Diode D1 in Sperrrichtung. Daher wird der Kondensator C1 während der negativen Halbwelle nicht geladen. Jedoch wird die im Kondensator C1 gespeicherte Ladung (Qm) entladen. D2 ist während der negativen Halbwelle in Durchlassrichtung, sodass der Kondensator C2 auf einen Wert von 2 VM geladen wird, da die Eingangsspannung VM und die Spannung des Kondensators C1 zusammenaddiert werden und auf den Kondensator C2 wirken. Daher wird der Kondensator C2 während der negativen Halbwelle sowohl durch die Eingangsspannung VM als auch durch die Spannung des Kondensators C1 geladen.
Folglich wird der Kondensator C2 auf 2 VM geladen.
Wenn eine Last an die Ausgangsseite des Schaltkreises angeschlossen wird, wird die im Kondensator C2 gespeicherte Ladung (2 VM) entladen und fließt zum Ausgang.
Während der nächsten positiven Halbwelle ist die Diode D1 in Durchlassrichtung und die Diode D2 in Sperrrichtung. Somit wird der Kondensator C1 auf VM geladen, während der Kondensator C2 nicht geladen wird. Jedoch wird die im Kondensator C2 gespeicherte Ladung (2 VM) entladen und fließt zur Ausgangslast. Somit liefert der Halbwellenspannungsverdoppler eine Spannung von 2 VM an die Ausgangslast.
Design-Beispiel
Dioden: 2CL74
Kondensatoren: HVCC103Y6P202KEAX
Für VM = 1000 V Spitzeingang haben wir: Vo = 2(1000 V) = 2 kV
Hinzufügen zusätzlicher Stufen - Spannungsvervierfacher
Der Spannungsviervervielfacher kann erhalten werden, indem eine weitere Diode-Kondensator-Stufe zum Spannungsverdoppler-Kreis hinzugefügt wird. Mit dieser Konfiguration kann man somit N Stufen hinzufügen, um eine Ausgangsspannung von Vo = VMN zu erhalten, wobei N die Anzahl der zum ursprünglichen Spannungsverdoppler hinzugefügten Stufen ist. Der Betrieb des Kreises erfolgt wie folgt: Während der ersten positiven Halbwelle des Eingangssignals der Wechselspannung ist die Diode D1 in Durchlassrichtung geschaltet, während die Dioden D2, D3 und D4 in Sperrrichtung geschaltet sind. Daher lässt die Diode D1 Strom durchfließen. Dieser Strom fließt zum Kondensator C1 und lädt ihn auf den Spitzenwert der Eingangsspannung VM auf.
Während der ersten negativen Halbwelle ist die Diode D2 in Durchlassrichtung geschaltet, während die Dioden D1, D3 und D4 in Sperrrichtung geschaltet sind. Daher lässt die Diode D2 Strom durch. Dieser Strom fließt zum Kondensator C2 und lädt ihn auf. Der Kondensator C2 wird auf die doppelte Spitzen-Spannung des Eingangssignals (2 VM) geladen. Der Grund dafür ist, dass die Ladung (VM), die im Kondensator C1 gespeichert ist, während der negativen Halbwelle entladen wird. Dadurch wird die Spannung des Kondensators C1 (VM) zusammen mit der Eingangsspannung (VM) dem Kondensator C2 hinzugefügt. Kondensatorspannung + Eingangsspannung = VM + VM = 2 VM. Infolgedessen wird der Kondensator C2 auf 2 VM geladen.
Während der zweiten positiven Halbwelle ist die Diode D3 in Durchlassrichtung geschaltet, während die Dioden D1, D2 und D4 in Sperrrichtung geschaltet sind. Diode D1 ist in Sperrrichtung geschaltet, da die Spannung am Verbindungspunkt von C1 und D1 aufgrund der Spannung VM über C1 negativ ist, und die Dioden D2 und D4 sind aufgrund ihrer Orientierung in Sperrrichtung geschaltet. Infolgedessen wird die Spannung (2 VM) über Kondensator C2 entladen. Diese Ladung fließt zum Kondensator C3 und lädt ihn auf die gleiche Spannung von 2 VM.
Während der zweiten negativen Halbwelle sind die Dioden D2 und D4 in Durchlassrichtung geschaltet, während die Dioden D1 und D3 in Sperrrichtung geschaltet sind. Infolgedessen wird die Ladung (2 VM), die im Kondensator C3 gespeichert ist, entladen. Diese Ladung fließt zum Kondensator C4 und lädt ihn auf die gleiche Spannung (2 VM).
Die Kondensatoren C2 und C4 sind in Reihe geschaltet, und die Ausgangsspannung wird über die beiden Reihen-Kondensatoren C2 und C4 abgenommen. Die Spannung über den Kondensator C2 beträgt 2 VM und über den Kondensator C4 ebenfalls 2 VM. Damit ergibt sich die Gesamtausgangsspannung als Summe aus der Spannung des Kondensators C2 und der Spannung des Kondensators C4.
2 VM + 2 VM = 4 VM = VO
Design-Beispiel
Dioden: 2CL74
Kondensatoren: HVCC103Y6P202KEAX
Für VM = 1000 Vpeak Eingang haben wir: VO = 2(1000 V) + 2(1000 V) = 4 kV
Excimerlaser
Laserwirkung in einem Eximer-Molekül tritt auf, weil dieses einen gebundenen (assoziativen) angeregten Zustand besitzt, jedoch einen abstoßenden (dissoziativen) Grundzustand. Edelgase wie Xenon und Krypton sind hoch inert und bilden normalerweise keine chemischen Verbindungen. Wenn sie jedoch in einen angeregten Zustand versetzt werden (z. B. durch elektrische Entladung oder hochenergetische Elektronenstrahlen), können sie vorübergehend gebundene Moleküle mit sich selbst (Eximer) oder mit Halogenen (Exciplex) wie Fluor oder Chlor bilden. Die angeregte Verbindung kann ihre überschüssige Energie durch spontane oder stimulierte Emission freisetzen, was zu einem stark abstoßenden Grundzustandsmolekül führt, das sich innerhalb von Pikosekunden wieder in zwei ungebundene Atome auflöst. Dies führt zu einer Besetzungsinversion.
Im Falle der Initiierung des angeregten Zustands durch elektrische Entladung ist die grundlegende Schaltungstopologie unten dargestellt. Dabei wird der Speicherkondensator, typischerweise ein Speicherbank-System, in einer Blitzeinheit verwendet.
Die erwähnte Kondensatorbank kann mit Vishays 715C-Serie von Klasse-2-Keramikscheibenkondensatoren konfiguriert werden, wenn sie mit dem entsprechenden Kapazitätswert, der Spannungsbewertung und dem Keramiktyp ausgewählt wird.
Die am häufigsten verwendeten Methoden zum Laden von Kondensatoren in gepulsten Anwendungen sind Vollentladung und Teilentladung. Die Vollentladung ermöglicht es, wie der Name schon sagt, den Kondensator für jeden Schuss auf null zu entladen. Das Netzteil wird dann aktiviert, der Kondensator wird auf die vorgegebene Spannung geladen, und der Entladezyklus wird wiederholt. Der Hochspannungsschalter ist üblicherweise ein SCR oder ein Thyratron für Anwendungen mit höherer Spannung.
Die Teilentlademethode nutzt Halbleiterschalter, um die Entladung des Kondensators zur Last ein- und auszuschalten, wodurch der Designer die Impulsbreite zusammen mit der gelieferten Energie variieren kann. Der spezifizierte Kondensator ist in der Regel groß genug, sodass während jedes Schusses nur ein kleiner Prozentsatz der Energie entnommen wird. Daher der Name „Teilentladung“. In beiden Fällen können Standardformeln verwendet werden, um die Größe des Netzteils zu bestimmen und die Ladezeit zu berechnen. Der einfachste Weg, die benötigte Energiemenge für eine Anwendung abzuschätzen, ist die Verwendung dieser Formeln.
DESIGNBEISPIEL: 2,5 kV IMPULS
Netzteil: Lumina CCPF-1500-XX
Kondensatoren: Vishay 715C10KTD80
Für ein System mit einem Kondensatorbank, bestehend aus 20 Kondensatoren mit jeweils 8000 pF, ergibt sich C = 0,16 μF. Wenn dieser Kondensatorbank auf 2,5 kV aufgeladen wird, ergibt sich folgende Energie pro Impuls:
Energie/Impuls = 1/2 CV2 = 0,5(1,6 x 10-5F)(2500 V)2 = 50 J
Die Kondensatoren werden aufgeladen und dann in die Blitzlampe des Systems entladen. Die Frequenz dieses Lade- und Entladeprozesses ist die Wiederholrate (Rep-Rate). Die Ladeleistung wird somit wie folgt berechnet:
Ladeleistung = (Energie/Impuls)(Wiederholrate)
Wobei gilt:
C ist die Kapazität des Kondensators in Farad
V ist die benötigte Ladespannung
Wiederholrate in Hz. Für ein System mit 20 Hz und der oben angegebenen Energie pro Impuls ergibt sich:
Ladeleistung = (50 J)(20 Hz) = 1000 J/s
Diese Formel berücksichtigt keine Totzeit (Erholungszeit), die in den meisten Systemen normalerweise erforderlich ist. Daher ist bei Anwendungen mit niedriger Wiederholrate die Auswahl eines etwas größeren Netzteils meistens die beste Wahl. In diesem Fall wäre ein Netzteil mit 1500 J/s eine gute Option.
Bei Anwendungen mit Teilentladung bestimmt die Zeitdauer, die der Kondensator zur Entladung benötigt, die Energiemenge, die erforderlich ist, um den Kondensator wieder auf die eingestellte Spannung aufzuladen. Impulsbreiten können von mehreren Hundert Mikrosekunden bis zu Zehntelsekunden variieren, mit einem entsprechenden Spannungsabfall. Im Allgemeinen kann die zum Aufladen benötigte Energie mit der folgenden Formel berechnet werden:
EAufladung = 1/2 C (V2max. - V2d)
Wobei gilt:
Vmax. ist die maximale Spannung
Vd ist die niedrigste Spannung nach dem Abfall
Für das oben beschriebene System und unter der Annahme eines Abfalls auf 1 kV ergibt sich:
EAufladung = 0,5(1,6 x 10-5F)(25002-10002)=42 J
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