Auswirkungen der Sperrverzögerung von Hochspannungsdioden auf die Pulsform von CO2-Lasern

Auswirkungen der Sperrverzögerung von Hochspannungsdioden auf die Pulsform von CO2-Lasern

Abstract

In der Multiplikatorkette eines CO₂-Lasers schalten Dioden 20,000 bis 200,000 Mal pro Sekunde. Jeder Übergang von Durchlass- zu Sperrrichtung erzeugt einen Erholungsstromimpuls, der mit der Schleifeninduktivität schwingt. Dies führt zu einer Spannungsspitze bis zum Zweifachen der Ausgangsspannung, einem Leistungsverlust von 250 W pro Diode bei 100 kHz und einer ungleichmäßigen Spannung in der Kette. Dieser Artikel beschreibt die Erholungsgleichungen, die sechs häufigsten Fehlerquellen und die Auswahl- und Auslegungsschritte zu deren Vermeidung.

1. Einleitung

Das Gate-Signal am Hauptschalter ist sauber, und die Resonanzwerte stimmen mit der Simulation überein. Die Messung am Hochspannungsausgang zeigt jedoch etwas anderes: eine Reihe von Impulsen und Überschwingen über der gleichgerichteten Versorgungsspannung, mit Spitzenwerten beim 1.5- bis 2-Fachen des Nennausgangswerts.

Die meisten Ingenieure reagieren darauf, indem sie einen Snubber am Hauptschalter hinzufügen. Die Spannungsspitzen bleiben jedoch bestehen, da die Quelle in der Gleichrichterkette nachgelagert liegt.

Eine Diode, die in Durchlassrichtung leitet, speichert Minoritätsladungsträger in der Nähe des pn-Übergangs. Wenn die Spannung umgekehrt wird, müssen diese Ladungsträger den pn-Übergang verlassen, bevor er sperrt. Dieser Vorgang benötigt eine gewisse Zeit, und währenddessen leitet die Diode in Sperrrichtung.

Der Rückstromimpuls erreicht den Wert des Vorwärtsstroms oder übersteigt ihn. Dieser Impuls schwingt mit der Schleifeninduktivität mit und erzeugt einen Spannungsstoß. Bei einer 10-kV-Versorgung erreicht dieser Stoß 15 kV, wodurch die Reserve aller nachgeschalteten Komponenten aufgebraucht wird.

Dieser Artikel behandelt den Wiederherstellungsmechanismus, die sechs dadurch verursachten Fehler sowie die Diodenauswahl- und Layoutschritte, die den Spannungsspitzenwert innerhalb der Nennwerte halten.

2. Kernmechanismus

2.1 Die zwei Phasen der Rückgewinnung

Im ersten Schritt wird die gespeicherte Ladung abgeführt. Die Sperrspannung liegt bereits an der Diode an, der pn-Übergang leitet weiterhin, und der Sperrstrom steigt mit einer durch die Schleifeninduktivität vorgegebenen Rate an.

di/dt = V_reverse / L_par

wobei di/dt die Stromanstiegsgeschwindigkeit in A/ns, V_reverse die Sperrspannung an der Diode in V und L_par die parasitäre Schleifeninduktivität in nH ist.

Im zweiten Stadium endet die Erregungsleitung. Der Strom erreicht seinen Höchstwert bei I_rr und fällt dann schnell ab; dieser Abfall verursacht den Stromstoß.

V_spike = L_par · (dI_rr / dt)

Dabei ist V_spike der Spannungsspitzenwert in V, L_par die Schleifeninduktivität in nH und dI_rr/dt die Anstiegsgeschwindigkeit des Erholungsstroms in A/ns. Bei 100 nH und einem Stromabfall von 10 A innerhalb von 50 ns erreicht die Spannungsspitze auf der Niederspannungsseite 20 V und auf der Hochspannungsseite deutlich höhere Werte.

Die gesamte Erholungszeit ist die Summe der beiden Phasen. Eine Standard-Hochspannungsdiode benötigt 1 µs bis 5 µs, eine schnelle Diode 100 ns bis 500 ns.

Die gespeicherte Ladung setzt das gesamte Ereignis in Gang.

Q_rr = (I_rr · t_rr) / 2

Dabei ist Q_rr die Erholungsladung in µC, I_rr der maximale Erholungsstrom in A und t_rr die Erholungszeit in µs. Ein 1-A-Spitzenstrom über 500 ns führt dazu, dass bei jedem Zyklus 0.25 µC Ladung aus dem Übergang abgeführt werden müssen.

2.2 Die Kosten des Wiederherstellungsereignisses

Während der Erholungsphase hält die Diode eine Sperrspannung und führt gleichzeitig einen Sperrstrom, wodurch Leistung verbraucht wird.

P_rr = 0.5 · V_reverse · I_rr · t_rr · f_sw

wobei P_rr der Verlust in W, I_rr der Spitzenrückgewinnungsstrom in A, t_rr die Rückgewinnungszeit in s und f_sw die Schaltfrequenz in Hz ist.

Die Zahlen verdeutlichen den Maßstab. Bei 10 kV, 1 A und 500 ns verbraucht eine Diode 250 W bei 100 kHz. Eine 8-stufige Kette mit 16 Dioden verbraucht insgesamt 4 kW, was 20 % der Ausgangsleistung entspricht.

Zwei Hebel reduzieren diesen Wert. Eine Diode mit einer Erholungszeit von 100 ns verringert die Verluste im Vergleich zu einer Diode mit 500 ns um das Fünffache. Ein niedrigerer Spitzenstrom bei der Erholung reduziert sie zusätzlich, und dieser Strom folgt dem Vorwärtsstrom der Stufe.

2.3 Die Erholungsspreads bringen die Kette aus dem Gleichgewicht.

In einer Cockcroft-Walton-Kette teilen sich die Stufen die Sperrspannung. Eine Diode mit längerer Erholzeit speichert beim Sperren mehr Restladung, wodurch ihre Sperrwirkung später eintritt und ihre Stufe weniger Spannung aufnimmt. Die benachbarten Stufen tragen dann mehr als ihren Anteil.

Die Kette benötigt daher eine definierte Spanne für t_rr und Q_rr und nicht nur einen Maximalwert. Eine Stufe, die 20 % mehr trägt als ihre Nennlast, altert schneller und fällt früher aus.

2.4 Das Spektrum der Erholungskante

Der schnelle Abfall des Erholungsstroms bestimmt die Bandbreite des von ihm abgestrahlten Rauschens.

BW = 0.35 / t_r

Dabei ist BW die spektrale Bandbreite in MHz und t_r die Stromabfallzeit in µs. Ein Abfall von 10 ns ergibt eine Bandbreite von 35 MHz, die über die Verkabelung und die Luft die Steuerplatine erreicht.

2.5 Die Wärmeentwicklung an der Schnittstelle verschlechtert die Erholung

Die Lebensdauer der Minoritätsträger steigt mit der Sperrschichttemperatur. Eine längere Lebensdauer bedeutet mehr gespeicherte Ladung, wodurch sowohl Q_rr als auch t_rr ansteigen. Der Leckstrom nimmt schneller zu, und die Verluste steigen mit allen drei Größen. Ein industrieller CO₂-Laser arbeitet bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C bis 50 °C, sodass die Sperrschichttemperatur 100 °C bis 150 °C beträgt und sich die Erholungszeit gegenüber dem Wert bei 25 °C verdoppeln kann.

Abb. 1 — Bei 10 kV und 1 A beträgt der Erholungsverlust 50 W bei 100 ns und 250 W bei 500 ns, daher benötigt die Kette ein schnelles Teilstück und einen RC-Snubber.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Der Spannungsspitzenwert verbraucht die Isolationsreserve.

Eine 10-kV-Schiene erreicht mit einer Spannungsspitze von 1.5-fachem Nennwert 15 kV. Ein für 15 kV ausgelegtes Filterbauteil verfügt theoretisch über eine 1.5-fache Sicherheitsreserve, die bei jedem Zyklus in die Spannungsspitze einfließt. Nach Hunderten von Betriebsstunden versagt die Isolierung, und das Bauteil weist einen Kurzschluss auf.

Problem 2: Eine 20%ige Streuung bei t_rr überlastet eine Stufe

In einer achtstufigen Kette speichert eine Diode mit einer um 20 % längeren Erholungszeit als ihre Nachbarn mehr Restladung. Ihre Stufe sperrt später, und die benachbarten Stufen tragen die Differenz. Die Dioden am Hochspannungsende fallen zuerst aus, und ein Werkstest bei Vollspannung an einem neuen Gerät zeigt keine Auffälligkeiten.

Problempunkt 3: Der Effizienzabfall tritt nach zwei Stunden auf.

Das Netzteil erreicht beim Kaltstart einen Wirkungsgrad von 90 % und sinkt nach zwei Stunden Dauerbetrieb auf 80 %. Die Sperrschichttemperatur ist von 25 °C auf 130 °C angestiegen, die Sperrzeit (t_rr) hat sich um 50 % auf 100 % erhöht, und die Erholungsverluste sind entsprechend gestiegen. Der Kühlkörper des Diodenstapels ist so heiß, dass er nicht mehr berührt werden kann.

Problempunkt 4: Leckströme verhindern das Laden der Kette

Jede Diode lässt unter Sperrspannung einen kleinen Leckstrom abfließen, der in der Kette die bereits in den Multiplikatorkondensatoren gespeicherte Ladung entlädt. Bei 1 µA pro Diode und 16 Dioden ergibt sich ein Gesamtstrom von 16 µA, was bei einer Quellimpedanz von 1 GΩ einen Verlust von 16 V an der Ausgangsspannung bedeutet. Ein ungünstigerer Wert verhindert, dass die Versorgungsspannung unter Volllast ihren Sollwert erreicht.

Problempunkt 5: Der Zündimpuls zerstört die Diode

Beim Zünden des Lasers wechselt die Impedanz der Entladungsröhre innerhalb von Mikrosekunden von hoch zu niedrig, und die Gleichrichterkette erzeugt einen Stromstoß. Eine Diode, deren Durchlassstromfestigkeit unterhalb des Zündstromspitzenwerts liegt, versagt in diesem Moment. Der sichere Betriebsbereich muss auch den Erholungsstromspitzenwert abdecken, der den Durchlassstrom überschreiten kann.

Problempunkt 6: Die Erholungsflanke stört den Regelkreis

Das 35-MHz-Band einer 10 ns langen Flanke wird in den Abtastpfad und die PWM-Referenz eingekoppelt. Der Messwert schwankt um einige zehn mV, die Schleife korrigiert einen nicht vorhandenen Wert, und der Ausgang ändert sich entsprechend.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Bewerten Sie die Diode anhand von drei Zahlen

Legen Sie gleichzeitig Grenzwerte für die Erholungszeit, die Erholungsladung und den Sperrstrom fest. Die Nennspannung allein sagt nichts über die vom Bauteil erzeugte Spannungsspitze aus. Für eine Kette, die mit 20 kHz bis 200 kHz arbeitet, sollten die Werte für t_rr unter 100 ns, Q_rr unter 1 µC und I_r unter 1 µA bei 125 °C liegen.

Bitten Sie um Angabe aller drei Werte bei der Betriebstemperatur des Sperrschichtübergangs. schnelle Erholungsdiode mit einer Erholungszeit von 100 ns und einer Ladungsgrenze von 1 µC deckt die Multiplikatorkette einer 10 kV-Versorgung ab.

Strategie 2: Dämpfung der Erholungsflanke an der Diode

Schließen Sie an jede Diode einen RC-Snubber an, dessen Größe sich nach der Schleifeninduktivität und der Sperrschichtkapazität richtet. Der Widerstandswert sollte nahe √(L_par / C_j) und der Kapazitätswert über 2 · Q_rr / V_reverse liegen. Der Snubber leitet die Rückgewinnungsenergie in den Widerstand, sodass er dort wirkt, wo der Widerstand die Wärme abführen kann.

Strategie 3: Schließen Sie einen gemeinsamen Widerstand an jede Diode an.

Der Streustrom muss die Streuung der Stufe um mindestens den Faktor 10 übersteigen.

R_balance = V_stage / (10 · I_r_max)

Dabei ist R_balance der gemeinsame Widerstand in Ω, V_stage die Sperrspannung pro Stufe in V und I_r_max der maximale Leckstrom bei der höchsten Sperrschichttemperatur in A. Bei 1.25 kV pro Stufe und 1 µA Leckstrom ergibt sich ein Wert von 125 kΩ, und der Widerstand führt dann 10 µA mit 12.5 mW Verlustleistung.

Strategie 4: Die Sperrschichttemperatur reduzieren

Die Sperrschichtdicke sollte unter 70 % ihres maximalen Nennwerts liegen, was eine Sicherheitsmarge von über 30 % ergibt. Der Kühlkörper sollte für den ungünstigsten Fall aus Umgebungstemperatur und Last dimensioniert werden. Jede Diode in einem gemeinsamen Stapel sollte den gleichen Wärmewiderstand aufweisen, um einen gleichmäßigen Stromfluss zu gewährleisten.

Strategie 5: Halten Sie jede Dioden-Kondensator-Schleife kurz.

Die Schleifeninduktivität bestimmt den Spannungsimpuls. Jede Schleife sollte weniger als 20 mm Leiterbahnlänge haben, Hin- und Rückleitung sollten parallel verlaufen und die Steuerleitungen vom Gleichrichterbereich ferngehalten werden. Eine 100 nH-Schleife auf einer langen Leiterbahn wandelt einen Erholungsstrom von 10 A in einen Spannungsimpuls von 20 V auf der Niederspannungsseite und deutlich mehr auf der Hochspannungsseite um.

Strategie 6: Die Teile an der Kette zusammenfügen

Verwenden Sie ein N4700 Keramikscheibenkondensator In der Multiplikatorstufe sorgt ein niedriger Verlustfaktor für eine stabile Stufenspannung unter 100-kHz-Impulsbelastung. Erfassen Sie den Kettenstrom mit einem HVRGXP. AbtastwiderstandDie vom Induktionsschleifensensor erfasste Wellenform entspricht also der von den Dioden gemessenen Wellenform.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Wiederholte Spitzensperrspannung	10 kV VRRM	2CL-Serie, 25 °C
Durchschnittlicher Durchlassstrom	0.8 A IF(AV)	Rechteckwelle, Tc ≤ 85 °C
Vorwärtsstoßstrom	100 A bei 8.3 ms	Einzelstoß, IFSM
Wiederherstellungszeit umkehren	unter 1 µs trr	weicher Erholungsgrad
Sperrschichtkapazität	25 pF typ.	VR = 4 kV, 1 MHz
Betriebstemperatur	−55 °C bis +125 °C	Tj max
Der Leckstrom	unter 5 mA bei VRRM	25 °C, volle Bewertung

5. HVC-Gleichrichterdioden und Siliziumstapel für Multiplikatorketten

HVC fertigt Gleichrichterdioden und passende Siliziumstapel für die Multiplikatorposition und speichert die Erholungswerte, die den Spannungsanstieg bestimmen. Die Serienfertigung erfolgt in einem 6,000 m² großen Werk in Dongguan und deckt einen Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV ab.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Die Erholungszeit liegt unter 100 ns und die Erholungsladung unter 1 µC, dank eines kontrollierten Minoritätsträgerlebensdauerprozesses. Bei 100 kHz sinkt der Verlust einer Diode auf unter 50 W, verglichen mit 250 W bei der schnellrückstellenden Variante.
• Der Sperrstrom liegt bei Nennvorspannung und 125 °C unter 1 µA. Sechzehn Dioden in Reihe geschaltet verbrauchen daher insgesamt weniger als 16 µA, wodurch die Versorgungsspannung bei Volllast auf ihrem Auslegungswert bleibt.
• Die Stoßstromfestigkeit ist auf den Zündimpuls ausgelegt, damit der Stromstoß beim Durchschlag der Röhre die Verbindung nicht zerstört.
• Die Erholungswerte bewegen sich langsam von −40 °C bis +150 °C, wodurch der Unterschied in der Effizienz zwischen Kalt- und Warmstart ausgeglichen wird.
• Es handelt sich um aufeinander abgestimmte Siliziumstapel, die mehrere Dioden in einem Gehäuse aufnehmen, wobei die Erholungszeit werkseitig getestet wird, sodass die Streuung zwischen den Stufen konstruktionsbedingt reduziert wird.
• Zusammengesetzte Teile. Ein HVCT8G Ein Teil davon enthält die Multiplikatorstufe. HVR-BSP Gradierungswiderstand verwaltet die Vertriebskette, und ein Lieferant dokumentiert den gesamten Ablauf.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen geliefert, kundenspezifische Spannungsklassen oder Stapelgrößen innerhalb von 6 bis 10 Wochen. Bestellungen enthalten einen Bericht über die Wiederherstellungszeit und die Ladung bei 125 °C, eine Leckstromkurve in Abhängigkeit von der Temperatur sowie eine Querverweis Vergleichstabelle mit den entsprechenden Teilen der führenden Marken.

Senden Sie die Kettenstufen, die Schaltfrequenz, die Ausgangsspannungsklasse und den Zündstrompeak. HVC liefert eine Diodenliste mit den zugehörigen Wiederherstellungsdaten, eine Schätzung der Kettenverluste und zwei Testeinheiten für einen Stoßspannungstest.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum treten die Spannungsspitzen am Ausgang und nicht am Schalter auf?

Weil die Gleichrichterkette sie erzeugt. Der Erholungsstromimpuls jeder Diode verstärkt sich mit der Schleifeninduktivität ihrer Stufe, und dieser Verstärkungsstrom addiert sich zur gleichgerichteten Versorgungsspannung. Ein Snubber am Hauptschalter erreicht ihn nicht, da die Quelle nach diesem Knotenpunkt liegt.

Frage 2: Wie hoch sind die Kosten für die Rückabwicklung?

P_rr = 0.5 · V_reverse · I_rr · t_rr · f_sw. Bei 10 kV, 1 A, 500 ns und 100 kHz verbraucht eine Diode 250 W. Eine 8-stufige Kette mit 16 Dioden verbraucht etwa 4 kW, was 20 % einer Ausgangsleistung von 20 kW entspricht. Eine 100-ns-Diode reduziert diesen Wert um das Fünffache.

Frage 3: Welche Wiederherstellungszeit sollte in der Bestellung angegeben werden?

Unter 100 ns für eine Kette, die mit 20 kHz bis 200 kHz arbeitet, mit Q_rr unter 1 µC. Eine Standard-PN-Übergangsdiode weist eine Ansprechzeit von 1 µs bis 5 µs auf und eignet sich daher nur für die Gleichrichtung unter 5 kHz. Eine Diode mit schneller Ansprechzeit liegt zwischen 100 ns und 500 ns, eine ultraschnelle zwischen 30 ns und 100 ns.

Frage 4: Wie dimensioniere ich den Verbindungswiderstand?

R_balance = V_stage / (10 · I_r_max). Der Streustrom muss die maximale Streuung um den Faktor 10 übersteigen. Bei 1.25 kV pro Stufe und 1 µA Streustrom ergibt sich ein Wert von 125 kΩ. Der Widerstand führt dann 10 µA und verbraucht 12.5 mW.

Frage 5: Verschlimmert sich das Erholungsproblem bei Hitze?

Ja. Die Lebensdauer der Minoritätsträger steigt mit der Sperrschichttemperatur, daher steigen Q_rr und t_rr gemeinsam an, wobei der Leckstrom schneller zunimmt als beide. In einer Industrieanlage mit 50 °C Umgebungstemperatur erreicht die Sperrschichttemperatur nahezu 130 °C, wodurch sich die Erholungszeit gegenüber dem Wert bei 25 °C verdoppeln kann.

Frage 6: Kann ein Snubber eine schnelle Diode ersetzen?

Nein. Ein Snubber dämpft den Schwingungsausschlag und leitet einen Teil der Erholungsenergie in einen Widerstand um. Er reduziert jedoch nicht die gespeicherte Ladung, die der Übergang abführen muss. Wo der Widerstand die Wärme abführen kann, halbiert ein Snubber den Spannungsspitzenwert. Der Erholungsverlust bleibt bestehen, bis sich das Bauteil selbst ändert.

7. Referenzen

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11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com