Ausgleich von LLC-Effizienz und Restwelligkeit in CO2-Lasernetzteilen

Ausgleich von LLC-Effizienz und Restwelligkeit in CO2-Lasernetzteilen

Abstract

Eine CO₂-Laserröhre bewirkt bereits eine kleine Spannungsänderung eine große Änderung der Strahlleistung. Daher äußert sich eine Restwelligkeit von 10 V an einem 10-kV-Bus als Rauheit an einer Schnittkante. Hartgeschaltete PWM-Brücken verursachen Schaltverluste und breitbandige Restwelligkeit bei hohen Frequenzen. LLC-Resonanzwandler eliminieren beides, ihre Verstärkungskurve folgt jedoch dem Resonanzkondensator. Dieser Artikel beschreibt die Schwingkreisgleichungen, die vier häufigsten Fehlerquellen und die Auswahlregeln, die die Anwendungsmöglichkeiten erweitern.

1. Einleitung

Eine Schneidemaschine funktioniert oft die erste halbe Stunde einwandfrei. Dann zeigen die Schnittkanten feine Wellenlinien. Techniker überprüfen zunächst die Schienen und die Optik; der Fehler liegt meist in der Hochspannungsversorgung, wo die Ausgangsspannung zu schwanken beginnt.

Eine CO₂-Laserröhre ist eine Gasentladungslast mit einer steilen Leistungskurve. Zehn Volt Restwelligkeit an einer 10-kV-Zwischenkreisspannung entsprechen einer Änderung von 1 ‰. Innerhalb der Röhre führt diese Änderung zu einer starken Schwankung des Entladungsstroms, wodurch die Strahlleistung um Hunderte von Watt ansteigt. Bei einem Schnitt im Mikrometerbereich erzeugt dieser Sprung eine raue Kante.

Früher wurden diese Netzteile mit hartgeschalteten PWM-Halb- und Vollbrücken betrieben. Deren Schaltverluste steigen mit der Frequenz, und die Restwelligkeit tritt an der Schaltflanke auf, wo eine Filterung schwierig ist. LLC-Resonanzwandler, die bei Nullspannung eingeschaltet werden, reduzieren sowohl die Schaltverluste als auch die Restwelligkeit, weshalb sie heute in den meisten neuen Netzteilen zum Einsatz kommen.

Die Kosten bestehen in der Empfindlichkeit. Die LLC-Verstärkungskurve folgt dem Resonanzinduktor und dem Resonanzanteil. Verschiebt sich der Resonanzwert mit steigender Temperatur des Netzteils, ändert sich f_r1, die Verstärkungskurve verformt sich und das Netzteil verliert sein ZVS-Fenster. Gemessene Geräte weisen einen Wirkungsgradabfall von 92 % auf 75 % bei einer Temperaturerhöhung von 50 °C auf, und es kommt zu Restwelligkeit.

2. Kernmechanismus

2.1 Der Resonanzkörper und seine zwei Pole

Ein LLC-Resonator besteht aus drei Teilen: einer Serieninduktivität L_r, die die Streuung des Transformators beinhaltet, einer Magnetisierungsinduktivität L_m und einem Serienresonanzteil C_r. Der Resonanzkreis hat zwei Pole, und die Stromversorgung verläuft zwischen ihnen.

f_r1 = 1 / (2π · √(L_r · C_r))

wobei f_r1 der erste Pol in Hz, L_r die Serieninduktivität in H und C_r die Serienkapazität in F ist.

f_r2 = 1 / [2π · √((L_r + L_m) · C_r)]

wobei f_r2 der zweite Pol in Hz und L_m die Magnetisierungsinduktivität in H ist.

Lässt man die Schaltfrequenz f_s zwischen f_r2 und f_r1 variieren, verhält sich der Schwingkreis induktiv. Der Strom eilt dann der Spannung nach, die Body-Diode leitet, bevor der Schalter einschaltet, und die Spannung am Bauelement wird auf nahezu null begrenzt. Dies ist Nulldurchgangsschaltung, wodurch die Einschaltverluste eliminiert werden. Eine kleine Änderung von C_r verschiebt beide Pole, daher muss das Fenster über den gesamten Bereich von C_r überprüft werden.

2.2 Verstärkungskurve und Lastgütefaktor

Das Netzteil hält seine Ausgangsspannung durch Verändern der Schaltfrequenz aufrecht. Die Spannungsverstärkung M stellt die Ausgangsspannung auf die Eingangsspannung ein.

M = m · f_n² / √[(m · f_n² + f_n² − 1)² + f_n² · (f_n² − 1)² · (m − 1)² · Q²]

wobei M die Spannungsverstärkung, f_n die durch f_r1 geteilte Schaltfrequenz, m das Induktivitätsverhältnis (L_r + L_m)/L_r und Q der Lastgütefaktor ist.

Der Gütefaktor Q steigt mit zunehmender Last, wodurch die Kennlinie flacher wird und die maximale Verstärkung sinkt. Bei geringer Last fällt Q ab, was die Kennlinie steiler macht. Beim Zünden zieht die Röhre keinen Strom, daher ist Q nahe null und die Versorgungsspannung muss eine hohe Verstärkung erreichen. Nach dem Durchbruch sinkt die Röhrenimpedanz auf Hunderte von Ohm, Q steigt rapide an, und die Versorgungsspannung muss bei konstantem Strom eine niedrigere Spannung halten. Eine Kennlinie muss beide Bereiche abdecken.

2.3 Verluste und Wärme im Resonanzbereich

Die Verluste in einem Keramikbauteil resultieren aus zwei Komponenten, die beide mit der Frequenz skalieren:

P_self = I_rms² · ESR + 2π · f · C · V_pk² · DF

wobei P_self der interne Verlust in W, I_rms der Effektivstrom in A, ESR der Serienwiderstand in Ω, f die Frequenz in Hz, C die Kapazität in F, V_pk die Spitzenspannung in V und DF der Verlustfaktor ist.

Ein Resonanzteil führt bei 100 kHz und einer Versorgungsspannung von 10 kW einen Effektivwert von 20 A. Ein Bauteil der Schutzklasse II mit einem Verlustfaktor (DF) von 1.5 % bis 2.5 % verursacht die 15-fache Verlustleistung eines Bauteils der Schutzklasse I mit einem DF unter 0.1 %. Erreicht ein Bauteil eine Verlustleistung von 2 W, muss die Wärme über die Anschlüsse und die Montage abgeleitet werden. Bei Bauteilen mit langen Anschlussdrähten ist dies nicht möglich. Berücksichtigt man zusätzlich den ESR-Wert bei 20 A Effektivwert, überschreitet der Temperaturanstieg die zulässige Grenze von 15 °C.

2.4 Durch die Drift wird die Stromversorgung aus dem induktiven Bereich herausgeführt.

f_r1 folgt der Quadratwurzel von C_r, daher verschiebt eine Wertänderung von 10 % den Pol um 5.4 %. Ein Bauteil der Schutzklasse II verliert bei einer Temperaturerhöhung von 50 °C 10 % bis 15 % seines Wertes, was für ein Netzteil, das den ganzen Tag in Betrieb ist, normal ist. Die Pole verschieben sich nach oben, der Arbeitspunkt gleitet vom induktiven in den kapazitiven Bereich, und die Nullspannungsregelung (ZVS) geht verloren. Die Schaltwärme steigt dann mit jedem Zyklus, und das Netzteil erreicht eine Überhitzungsabschaltung.

Die Streuinduktivität trägt zum gleichen Term bei. Bei 100 kHz addiert sich die äquivalente Serieninduktivität des Bauteils und seiner Sammelschiene zu L_r, wodurch f_r1 nach unten verschoben und das Fenster erneut verschoben wird. Bauteilwert und Montagegeometrie müssen als ein Schwingkreis ausgelegt werden.

Abb. 1 — Ein Teil eines Tanks der Klasse II verliert bei einer Temperaturerhöhung von 50 °C 10 % seines Wertes, hebt den ersten Pol um 5.4 % an und schließt das Nullspannungsfenster.

3. Schwachstellen im Engineering

Problempunkt 1: ZVS geht beim Zündvorgang verloren

Beim Zündvorgang ändert sich der Lastwiderstand innerhalb von Mikrosekunden von Leerlauf auf einige hundert Ohm. Der Regler muss die Eingangsfrequenz f_s im selben Augenblick vom Leerlaufpunkt auf den Volllastpunkt verschieben. Weicht der Quellwert vom Sollwert ab, wird die Verstärkungskurve verzerrt und der Regler verfehlt die Zielfrequenz.

Die Schalter arbeiten dann unter Volllast mit hoher Spannung und hohem Strom. Die transienten Verluste steigen deutlich über den stationären Wert, und der Impuls kann einen MOSFET oder IGBT innerhalb von Sekunden zerstören. Halten Sie C_r nahe am Auslegungswert und begrenzen Sie die Frequenzanstiegsgeschwindigkeit, damit der Regler dem Lastsprung folgen kann.

Problempunkt 2: Kalt- und Warmläufe stimmen nicht überein

Ein Netzteil mit X7R-Bauteilen arbeitet morgens einwandfrei. Mit steigender Temperatur des Tanks sinkt der Wert um 10 bis 15 %, f_r1 steigt um etwa 5.4 % und das ZVS-Fenster schließt sich. Gegen Mittag schaltet das Netzteil wegen Überhitzung ab oder zeigt Wellenbildung auf der Arbeitsfläche. Das gleiche Netzteil funktioniert im kalten Zustand im Labor einwandfrei; der Fehler tritt also erst nach längerem Betrieb auf.

Problempunkt 3: Teilentladungen in den Ausgangsfilterteilen

Die gleichgerichtete Sammelschiene liegt parallel zum Ausgangsfilterteil mit einer schnellen Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dV/dt). Ein Bauteil mit einem Mikrohohlraum oder einer Blase im Keramikmaterial entlädt sich in jedem Zyklus. Die Entladung führt nicht sofort zum Ausfall des Bauteils. Sie erodiert das Dielektrikum mit zehntausenden Ereignissen pro Sekunde, strahlt Störungen in die Steuerschaltungen ab und führt üblicherweise nach 6 bis 12 Monaten zu einem Durchschlag. Schirme mit einer Kapazität von 5 pC bei 1.5-facher Nennspannung entfernen diese Bauteile vor der Montage.

Problempunkt 4: In einer parallelen Bank fällt zuerst ein Teil aus.

Eine auf Kapazität und Spannungsfestigkeit ausgelegte Batteriebank stößt auf ein Problem der Stromverteilung. Da der ESR-Wert von Bauteil zu Bauteil variiert, fließt der Strom bevorzugt zum Bauteil mit dem niedrigsten ESR-Wert. Dieses Bauteil erwärmt sich, sein ESR-Wert steigt weiter an, und es zieht mehr Strom. Ein Bauteil überhitzt so lange, bis es ausfällt, wodurch die Last auf die restliche Batteriebank verlagert wird.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Dielektrikum der Klasse I an jeder Resonanzposition verwenden

Die Wahl des Dielektrikums bestimmt die Drift. Ein Bauteil der Klasse X7R weist einen Temperaturkoeffizienten (TCC) von −30 % bis +15 %, einen Dämpfungsfaktor (DF) von 1.5 % bis 2.5 % und einen Wertverlust von über 30 % bei Nenn-Gleichstromvorspannung auf. Ein Bauteil der Klasse N4700 (Klasse I) weist einen TCC von ±30 ppm/°C, einen DF unter 0.1 % und nahezu keinen Vorspannungsverlust auf. Der Verlustunterschied beträgt das 15-Fache. Für Resonanz- oder Hochfrequenzfilter in einem LLC-Schwingkreis dient das Bauteil der Klasse I als Referenz.

Strategie 2: C_r kaufen, angepasst an ±2%

Betrachten wir eine Schaltung mit einem Induktivitätsverhältnis m = 6. Eine Toleranz von C_r = ±5 % verschiebt f_r1 um ±2.5 % und verringert das ZVS-Fenster um mehr als 15 %. Eine Toleranz von ±1 % bis ±2 % hält die Frequenzverschiebung unter ±0.5 %, sodass die Schalter bei jeder Last im induktiven Bereich bleiben. Bestellen Sie aufeinander abgestimmte Schalter aus einer Charge, anstatt sich auf die allgemeine Toleranz zu verlassen.

Strategie 3: Frequenz im Regelkreis fixieren

Überwachen Sie den Nulldurchgang des Resonanzstroms durch einen Stromwandler und vergleichen Sie ihn mit dem Gate-Ansteuersignal. Der Strom muss der Spannung stets nacheilen, was durch diesen Vergleich bestätigt wird. Ergänzen Sie eine Software-Phasenregelschleife (PLL), die die tatsächliche Resonanzfrequenz f_r1 über die Zeit anpasst, während die Bauteile altern und sich erwärmen. Begrenzen Sie die Frequenzanstiegsgeschwindigkeit beim Zünden, damit der Arbeitspunkt nicht sprunghaft in den kapazitiven Bereich übergeht.

Strategie 4: Legen Sie die Grenzwerte für Restwelligkeit und Teilungsabweichung am Ausgangsfilter fest.

Bei einer Ausgangsspannung von 10 kV sollte der Filterteil für 15 kV bis 20 kV ausgelegt sein. Eine Teilentladung von unter 10 pC bei 1.5-facher Nennspannung ist erforderlich. Dies verhindert die Bildung elektrischer Bäume im Keramikmaterial und gewährleistet eine Lebensdauer von über 10 Jahren. Bei Parallelschaltung von Bauteilen sind induktivitätsarme Sammelschienen zu verwenden, damit jede Einheit die gleiche parasitäre Induktivität des Gleichrichters erfährt und der dynamische Strom gleichmäßig aufgeteilt wird.

Strategie 5: Die Selbsterhitzung innerhalb von 15 °C halten

Berechnen Sie P_self aus dem Strom und dem DF und vergleichen Sie ihn mit dem Wärmepfad. Ein auf einer Aluminiumplatte oder einem Chassis verschraubtes Bauteil reduziert den Wärmewiderstand um 60 % gegenüber einem Bauteil mit Anschlussdrähten. Vermeiden Sie radiale Bauteile mit langen Anschlüssen, da diese die Induktivität erhöhen und gleichzeitig den Wärmepfad blockieren. Eine wassergekühlte Platte hält das Gehäuse bei Volllast innerhalb von 10 °C der Kühlmitteltemperatur.

Strategie 6: Vor der Montage prüfen und abgleichen

Messen Sie den Verlustfaktor (DF), die Kapazität und den Isolationswiderstand jedes Bauteils und gleichen Sie die Kondensatorbank vor dem Einbau in den Tank ab. Eine Kapazitätsstreuung von ±2 % und eine DF-Streuung von maximal 0.1 % gewährleisten eine gleichmäßige Stromverteilung und die korrekte Positionierung der Pole. Verwenden Sie für alle Kondensatoren die gleiche Charge und das gleiche Anzugsmoment, da das Anzugsmoment die mechanische Spannung im Keramikmaterial und damit den Effektivwert beeinflusst.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC-Kondensatoren für den LLC-Tank

HVC fertigt in einem 6,000 m² großen, firmeneigenen Werk in Dongguan Bauteile der Klasse I für Resonanz- und Filterpositionen, die die Verstärkungskurve bestimmen, und deckt dabei einen Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV ab. Die Serienlieferungen gehen an OEMs für Industrielaser und Impulsleistungsanlagen.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Die Temperaturkoeffizienten (TCC) betragen ±30 ppm/°C. Bei einem Temperaturanstieg von 40 °C ändert sich der Wert um weniger als 0.12 %, sodass sich f_r1 um 0.06 % ändert und die Verstärkungskurve an der im Design festgelegten Position bleibt.
• Der DF liegt unter 0.1 %. Bei 100 kHz und 20 A_eff bleibt der Temperaturanstieg eines Teils innerhalb von 10 °C, sodass der Tank keine eigene Wärmequelle darstellt.
• Spannungslinearität. Der Wert bleibt von 0 bis 100 % der Nennspannung konstant, im Gegensatz zu einem Bauteil der Klasse II, das unter Vorspannung 30 % verliert, sodass die Verstärkungskurve sowohl beim Zünden als auch beim Dauerbetrieb der Auslegung entspricht.
• Teilentladungen bei 5 pC oder darunter bei 1.5-facher Nennspannung. N4700 Bei Bestellungen von Medizin- und Laseranwendungen werden die Keramikscheiben pro Einheit geprüft, um sicherzustellen, dass der Ausgangsbus frei von Entladungsrauschen bleibt.
• Montage mit niedriger Induktivität. HVCT8G Türknaufkondensatoren verwenden M4- und M5-Schraubenkörper, die am Chassis verschraubt werden und den Wärmewiderstand um mehr als 50 % reduzieren.
• Begleitteile. Dickschichtwiderstände und Fast-Recovery-Dioden Die Probenahme-, Sortier- und Gleichrichterpositionen sollten im selben Tank untergebracht werden.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen geliefert, aufeinander abgestimmte ±2%-Sets mit Kapazitäts- und DF-Bericht innerhalb von 6 bis 10 Wochen. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt Tanksimulation, Teileabgleich und Teilentladungsprüfung pro Bestellung, einschließlich HVRGXP Niederinduktive Abtastwiderstände für den Strommessknoten.

Senden Sie die Induktivität des Schwingkreises, den Schaltbereich, die Busspannung und das Tastverhältnis. HVC liefert Teilenummern, DF- und ESR-Daten bei der Schaltfrequenz sowie eine Querverweis Innerhalb von fünf Werktagen kann eine Gegenleistung für Murata-, TDK- und Vishay-Teile erbracht werden.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum lässt die Schnittqualität nach einer halben Stunde Laufzeit nach?

Da sich der Resonanzwert mit der Erwärmung des Tanks ändert, verliert ein Bauteil der Klasse II bei einer Temperaturerhöhung von 50 °C 10 % bis 15 % seines Wertes, wodurch f_r1 um etwa 5.4 % ansteigt. Das Netzteil arbeitet dann nahe der Grenze des induktiven Bereichs oder außerhalb davon, wodurch die Ausgangswelligkeit zunimmt und die Strahlleistung entsprechend sinkt. Ein Bauteil der Klasse I hält den Wert bei derselben Temperaturerhöhung innerhalb von 0.12 %.

Frage 2: Welche C_r-Toleranz benötige ich?

Bei einer Stromversorgung mit einem Induktivitätsverhältnis m = 6 liegt die Abweichung innerhalb von ±2 %. Bei ±5 % verschiebt sich der erste Pol um ±2.5 %, und das ZVS-Fenster verkleinert sich um mehr als 15 %. Bei ±2 % verschiebt sich der Pol um weniger als ±0.5 %, und die Schalter halten ZVS bei jeder Last. Bestellen Sie aufeinander abgestimmte Schalterpaare aus einer Charge, anstatt die Schalterpaare einzeln anzupassen.

Frage 3: Kann ich ein X7R-Bauteil für die Resonanzposition verwenden?

Nein. Ein Bauteil der Klasse X7R weist einen Verlustfaktor (DF) von 1.5 % bis 2.5 % auf, was dem 15-Fachen des Verlusts eines Bauteils der Klasse I entspricht. Daher erwärmt es sich bei einem Effektivwert von 20 A. Sein Temperaturkoeffizient (TCC) liegt zwischen −30 % und +15 %, und es verliert unter Nenn-Gleichstromvorspannung mehr als 30 % seines Wertes. Jeder dieser Faktoren führt dazu, dass die Verstärkungskurve vom Auslegungswert abweicht.

Frage 4: Welcher Anteil an Teilentladungen ist im Ausgangsfilter zulässig?

Unter 10 pC bei 1.5-facher Nennspannung für ein Netzteil mit einer Lebensdauer von mindestens 10 Jahren. Auf Anfrage wird die HVC-Abschirmung auf 5 pC bei 1.5-facher Nennspannung reduziert. Dies bietet eine Sicherheitsreserve gegen Hohlräume, die andernfalls die Keramik bei zehntausenden Ereignissen pro Sekunde erodieren würden. Ein Bauteil mit 2 W Verlustleistung und einem Hohlraum kann innerhalb von 6 bis 12 Monaten ausfallen.

Frage 5: Warum fallen die Teile eines Parallelfilters nacheinander aus?

Da der Strom das Bauteil mit dem niedrigsten ESR bevorzugt, wird dieses Bauteil heißer, sein ESR steigt weiter an und es zieht erneut mehr Strom. Die Lösung besteht in einem aufeinander abgestimmten Satz mit einer Kapazitätsstreuung von ±2 %, gleichem Anzugsmoment und einer induktivitätsarmen Sammelschiene, sodass jedes Bauteil denselben Stromkreis vom Gleichrichter sieht.

Frage 6: Wie kann ich ZVS im Zündzeitpunkt halten?

Drei Maßnahmen. Die Frequenzanstiegsgeschwindigkeit begrenzen, damit der Arbeitspunkt den kapazitiven Bereich nicht in einem Schritt durchläuft. Die Phase zwischen Resonanzstrom und Gate-Ansteuerung mittels eines Stromwandlers überwachen. Eine Software-Phasenregelschleife (PLL) hinzufügen, die den tatsächlichen Wert von f_r1 bei Erwärmung und Alterung der Bauteile erfasst, sodass der Regler die Drift kompensiert.

7. Referenzen

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