TEAレーザーパルス励起用モジュール式マルクス発生器設計

TEAレーザーパルス励起用モジュール式マルクス発生器設計

抽象

TEA CO2レーザーはほぼ大気圧下で動作するため、ブレークダウンには30kV～100kVの電圧が必要であり、主放電は数十ナノ秒以内にギャップ全体を埋めなければなりません。マルクス発生器は、各段を並列に充電し、直列に再接続することで、商用周波数トランスを使用せずに電圧を積み重ねます。この記事では、積み重ねとパルスの方程式、4つの電界破壊、および段設計規則について説明します。

はじめに

TEAは横方向励起大気圧レーザーの略です。TEA CO2レーザーは1気圧に近いガス圧で動作するため、密閉型ガラス管レーザーよりもガス密度が高く、絶縁破壊電圧も高くなります。主放電は短時間で電極領域全体を覆う必要があります。

したがって、電源は単に電圧を数十キロボルトまで上げるだけでは不十分です。一般的なシステムでは、管内で30kVから100kVの電圧が必要であり、放電面は数十ナノ秒から数百ナノ秒で立ち上がります。放電面の立ち上がりが遅い場合、放電は電界が最も高い点から始まり、狭いアークを形成し、蓄積されたエネルギーを浪費し、電極表面を損傷します。

現場の記録によると、2つの一般的なパターンが見られます。1つは、開放電圧が50kVに達するものの、チューブを接続するとパルスが崩壊してしまうケース。もう1つは、オシロスコープ上ではパルスが正しく見えるものの、レーザー光が弱い場合です。これは、立ち上がりエッジが遅すぎるためです。どちらの場合も、電圧定格の問題ではありません。どちらも、蓄積されたエネルギーがチューブに到達する方法に起因しています。

モジュール型マルクス発生器は、N個のコンデンサを並列に充電し、数百ナノ秒で直列に再接続することでこの問題を解決します。各段の電圧が加算されるため、大型の商用周波数トランスを使用せずにパルスが得られます。この記事では、スタッキング原理、エネルギー項とインダクタンス項、段のマッチング、およびパルス形状を維持する部品パラメータについて解説します。

2. コアメカニズム

2.1 並列充電と直列放電

各ステージには、V_cに充電されたストレージ部品が1つずつ搭載されています。ステージが充電されている間、スイッチはすべての部品を充電電源に接続したままにするため、部品は並列接続されます。トリガーがかかると、スイッチは部品を端から端まで再接続し、電圧が加算されます。Nステージの場合、理想的なピーク出力は次のようになります。

V_out,ideal = N · V_c

ここで、V_out,idealは理想的なピーク出力（V）、Nはステージ数、V_cはステージごとの充電電圧（V）です。

10段をそれぞれ5kVまで充電すると、理想的な場合、50kVの電圧が得られます。実際のパルス電圧はこれよりも低くなります。これは、ESR、スイッチ抵抗、ループインダクタンス、負荷抵抗、トリガーの広がりなどが影響するためです。

V_out,real = η_v · N · V_c

ここで、V_out,realは測定されたVのピーク値であり、η_vは構築された発電機のスタッキング効率である。

η_vはデータシート上の数値ではありません。部品の適合性、トリガータイミング、機械的なレイアウト、負荷によって決まるため、組み立て済みのユニットで測定する必要があります。計算式では求められません。

2.2 蓄積エネルギーとステージ容量

ある段階におけるエネルギーは、蓄電部分の電荷量に比例する。

E_stage = 0.5 · C_s · V_c²

ここで、E_stageは1段の蓄積エネルギー（J）、C_sは段の容量（F）、V_cは充電電圧（V）である。

N段の場合、蓄積されるエネルギーの総量は上記の数値のN倍になります。ループのインダクタンスと抵抗によって放出速度が決まり、チューブ自体もエネルギーの一部を受け取るため、その一部だけがチューブに到達します。したがって、段部品は、静電容量、定格電圧、最大放電電流、内部インダクタンスの4つの数値に基づいて選択されます。

静電容量が小さすぎると、レーザーがパルスを利用する前にパルスのピークが下降してしまう。大きすぎると、充電時間、サイズ、スイッチ電流がすべて増加する。設計においては、パルスエネルギー、立ち上がり時間、繰り返し周波数、発熱のバランスを取る必要がある。

脈拍に必要なエネルギーから逆算する：

C_s ≥ 2 · E_required / V_c²

ここで、C_sは段容量（F）、E_requiredはパルスあたりに供給されるエネルギー（J）、V_cは段ごとの充電電圧（V）である。

10段スタックで1パルスあたり40Jのエネルギーを供給するには、1段あたり0.8Jが必要です。1段あたり5kVの場合、C_sは64nF以上となります。ループ損失と電圧降下に対するマージンを追加し、100kVでの管負荷と比較して結果を確認してください。

2.3 インダクタンスがパルスの前面を設定する

実数部は等価直列インダクタンスを持ち、電流ループも独自のインダクタンスを加算します。前段では電流が急速に変化するため、ループインダクタンスによって生じる電圧降下は真空管には到達しません。

V_L = ESL · di/dt

ここで、V_Lは誘導降下（V）、ESLはループインダクタンス（H）、di/dtは電流勾配（A/s）である。

50 nHのステージループで、50 nsで1 kAの電流が上昇する場合、di/dt = 2×10¹⁰ A/s、V_L = 1000 Vとなります。この1キロボルトは有効なパルスから失われ、オーバーシュートとリンギングとして現れます。スタックでは、この項が各ステージで繰り返されるため、立ち上がり時間が長くなり、パルスの頂点が平坦な形状を失います。

2.4 トリガースプレッドは電圧が加算されるかどうかを決定します

ステージスイッチは、スパークギャップ、ガススイッチ、ソリッドステートデバイス、またはこれらの組み合わせです。各タイプにはトリガー遅延と動作時間のばらつきがあります。あるステージが次のステージより先に閉じると、部品が同時に直列接続されないため、出力は段階的に上昇します。

ε_sync = Δt / t_r

ここで、ε_syncは同期誤差、Δtは隣接するステージ間の遅延差（秒）、t_rは目標立ち上がり時間（秒）である。

目標立ち上がり時間が 100 ns の場合、10 ns のばらつきで既に ε_sync = 0.10 となります。出力にはステップや激しいリンギングが現れ、最初に閉じるスイッチは他のスイッチよりも大きな電圧を流し、ステージ部品の放電深度が異なり、TEA ギャップの破壊が不均一になるため、局所的なアークが発生する可能性が高まります。

図1 — ステージ数、蓄積エネルギー、ループインダクタンス、トリガースプレッドによって負荷マルクスパルスが設定され、プローブが読み取る開回路電圧は設定されません。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：開放電圧は高いが、負荷パルスが弱い

出力側のプローブは、無負荷状態で50kV以上を示します。真空管を接続すると、ピークが低下し、パルスの頂点が崩壊します。ほとんどの場合、原因は2つあります。各段の有効エネルギーが不足していること、および放電ループの抵抗またはインダクタンスが大きすぎることです。開回路での測定値は、100ナノ秒で各段が供給できる電流については何も示していません。

問題点２：緩やかな前線が放電を一つの弧に凝縮させる

高いESL、長いステージ接続、または後段ステージはすべて、放電面を伸ばします。その結果、ガスは放電領域全体ではなく、最も強い局所電界で放電します。目に見える結果として、チューブ内部にレーザー出力の弱い、明るく狭いアークが発生します。十分なパルスを照射すると、電極に焼け跡が残り、同じ電圧ではギャップのトリガーが難しくなります。

問題点３：ステージの広がりがスタッキング効率を低下させる

各段は隣接する段と特性が一致している必要があります。静電容量の小さい段は、パルス中に電圧降下が速くなります。ESRの大きい段は発熱しやすく、ピーク電流が制限されます。リーク電流の大きい段は、充電目標値に達しない可能性があります。短期的にはパルス幅が小さくなりますが、長期的にはさらに悪化します。発熱した段の電圧変動が大きくなり、電圧の不均一性が増し、最終的にはいずれかの段で絶縁破壊が発生する可能性があります。

問題点4：繰り返し処理速度が充電経路の速度を上回っている

各パルスの後、各段は再充電する必要があり、ESRによる熱を放出する必要があります。充電抵抗が大きすぎると、次のパルスの前に各部品が目標電圧に達しません。逆に小さすぎると、充電電流のピーク値と抵抗の損失が増加します。低い繰り返し周波数では正常に見える電源でも、周波数が上昇するにつれてパルス振幅が低下し、段間のバランスが崩れることがあります。

4. 設計手順

戦略1：エネルギーと電圧に基づいてステージ部分のサイズを決定する

目標出力と各段の充電電圧から段数を設定します。次に、C_s ≥ 2·E_required/V_c² を使用して、パルスあたりのエネルギーから静電容量を選択します。スイッチのタイミングの不均一性や反射波によって過電圧が発生するため、各部品の定格はV_cではなくV_c以上とします。約1.5倍のマージンがあればこれをカバーでき、1つの段に高電圧プローブを当てて実際の値を確認します。

戦略2：各段ごとに短く低インダクタンスのループを構築する

細くて長い電線の代わりに、短くて幅の広い銅製バスバーを使用してください。ループ面積を小さくするために、順方向と逆方向の経路を近づけてください。すべてのステージを機械的に同一にし、どのステージも異常に長い接続部を持たないようにしてください。部品の端子、スイッチの端子、および同じノードへの逆方向の経路を同じノードに接続し、部品をプレートにボルトで固定して、ループが小さな領域で閉じるようにしてください。

戦略3：組み立て前に各段階を合わせる

スタック全体で、同一ロット、同一仕様、同一パッケージを使用してください。組み立て前に、ユニットごとの静電容量、損失、絶縁抵抗を記録してください。静電容量は設計値の±2%以内に抑え、各段のESRはグループ値に近づけ、絶縁抵抗は充電漏れ電流が均一になるように調整してください。マッチングを行うことで、1つの段がスタック全体の性能を制限してしまうことを防ぎます。

戦略4：トリガーと保護を測定可能にする

出力波形だけを監視するのではなく、各段ごとに電流プローブと高電圧プローブをそれぞれ1つずつ使用してください。トリガー遅延を許容範囲と比較し、スイッチが閉じた後に繰り返しブレークダウンが発生していないか確認し、パルス後の各段の残留電圧を比較し、次の充電前にリセットが完了していることを確認してください。スパークギャップの場合は、圧力、湿度、ギャップ間隔、電極表面の状態を監視してください。ソリッドステートスイッチの場合は、絶縁駆動部、ゲートループ、およびターンオフ時の過電圧を確認してください。

戦略5：充電、ブリード、グレーディング部品を一体設計する

充電抵抗器は再充電時間と充電電流を設定します。ブリーダ抵抗器はシャットダウン後の放電時間を設定します。グレーディング抵抗器は直列接続された部品または段間で電圧を分割します。

パルスエネルギーと連続的な電力損失に基づいて、波形の最悪点における P_R(t) = V_R²(t)/R を使用して各回路のサイズを決定します。エネルギーマージンが少なすぎる状態で長時間高電圧に保持された部分は、局所的に発熱して絶縁が劣化し、最終的に段間でフラッシュオーバーが発生します。

戦略6：3つの波形番号で脈拍を判断する

ピーク電圧だけではマルクス出力は説明できません。ピーク値の10%から90%までの立ち上がり時間、パルス幅に対するフラットトップの垂下率、およびメインパルス後のリング振幅を測定してください。立ち上がりが遅いとアーク放電が発生し、垂下が大きいとレーザーエネルギーが不安定になり、強いリンギングは電極にストレスを与えます。部品、スイッチ、または接続を変更した後は、これら3つの項目すべてを再度測定してください。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格出力（HVRシリーズ）	50 W @ 70 °C	アルミハウジング、フリーエア
抵抗値	10 kΩ ±5%	25℃基準
使用電圧	10 kV AC/DC	連続的な
パルス耐性	30 kV @ 10 µs	10パルス、IEC 60110クラス
温度係数（抵抗）	±50ppm /°C	−55℃～+155℃
絶縁抵抗	1 GΩ @ 1000 V DC	最小沿面距離 25 mm
サージ電流耐性	100 A @ 1 ms	非誘導巻線

5. マルクス段階におけるHVC部品

HVCは、東莞にある6,000平方メートルの自社工場で、1kVから150kVまでの電圧範囲に対応するパルス電源用のステージ、カップリング、スナバ部品を製造しています。製品ラインナップは、数段構成から100kVシステム全体までを網羅しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• TCCは±30 ppm/℃です。充放電時の熱によってステージ値がわずかに変化するため、長時間のバースト運転中も各ステージはほぼ同じ電気的状態を維持します。
• DFは0.1%未満です。パルスあたりの損失が低いため、ステージの温度は繰り返し周波数とともに上昇せず、熱からドリフト、そしてミスマッチへと続くドリフト連鎖が閉じた状態を維持します。
• 低ESLマウント。 HVCT8G ドアノブ型コンデンサは、リード線部分との接触を短くするネジ端子を使用しており、TEAギャップに必要な急峻な立ち上がりを支える。
• 定格電圧の1.5倍において、部分放電（PD）を5 pC以下に抑える。30 kV～100 kVのスタックでは、鋭利なエッジ部分の電界が絶縁マージンを侵食するため、ユニットごとのスクリーニングによって早期に放電を開始する部品を除去する。
• 断熱性能はステージに合わせて調整されています。 N4700 セラミックディスク部品は1kVから150kVまでの電圧に対応しているため、スタック設計では、各段ごとに部品の定格を下げるのではなく、段ごとに適切な部品を選択することができる。
• 付随する舞台用パーツ。 厚膜抵抗器 充電、ブリーダー、グレーディングの位置を覆い、 高速回復ダイオード 整流器と絶縁器の位置を覆ってください。

配送とサポート

標準部品は4～8週間で出荷され、容量と損失データを含むマッチング済みステージセットは6～10週間で出荷されます。サポートには、ステージマッチング、位置ごとの部品選択、測定波形に対するサンプルテストが含まれます。 HVRGXP 電圧検出回路用のサンプリング抵抗。

ステージ数、充電電圧、パルス幅、繰り返し周波数、および使用可能なスペースを送信します。HVC は部品番号、 クロスリファレンス Vishay、Murata、TDK、KEMETの部品と、1ステージ分のサンプルを用いてチェックを行い、スタックをモジュールごとに検証できるようにします。

6。 よくある質問

Q1：レーザー管を接続すると脈拍が弱くなるのはなぜですか？

無負荷時の数値は、ステージが供給できるエネルギーを示さないためです。理想的な場合、5 kV のステージを 10 段使用すると 50 kV になりますが、実際のピーク値は η_v·N·V_c に従います。ループ抵抗とインダクタンスも影響し、真空管は 100 ns 以内に大きな電流を引き込みます。充電電圧を上げる前に、ステージの容量、ループインダクタンス、およびスイッチのタイミングを確認してください。

Q2：各ステージに必要な静電容量はどれくらいですか？

パルスあたりのエネルギーからサイズを決定します。C_s ≥ 2·E_required/V_c²。パルスあたり40 Jを供給する必要がある10段スタックの場合、1段あたり0.8 Jが必要となり、1段あたり5 kVでは64 nFになります。ループ損失と電圧降下に対するマージンを追加し、負荷波形上で値を確認します。計算だけでは不十分です。

Q3：ESLは脈波の先端にどのような影響を与えますか？

これは、真空管には到達しない電圧降下を発生させます。50 nHのループで1 kAの電流が50 nsかけて上昇する場合、di/dt = 2×10¹⁰ A/sとなり、1000 Vの電圧降下が生じます。各ループは短く幅広くし、低ESL部品を使用し、部品、スイッチ、接続部を1つのループとして扱います。外部の長い配線は、低ESL部品の性能を損ないます。

Q4：ステージマッチングはどの程度厳密に行う必要がありますか？

静電容量は設計値の±2%以内に抑え、各段のESR値は互いに近い値になるようにしてください。静電容量が小さい段は電圧降下が速く、ESRが大きい段は発熱量が多いため、積層効率が低下し、電圧分割がずれてしまいます。組み立て前に、1ロットのみを使用し、ユニットごとのデータを記録してください。

Q5：トリガーのタイミングはどのように設定すればよいですか？

まず目標立ち上がり時間を設定し、次にステージ間の遅延をその10%未満に抑えます。t_r = 100 nsの場合、これは10 nsのウィンドウに相当します。各ステージに1つの電流プローブを使用して実際の遅延を測定し、各パルス後の残留電圧をチェックし、次の充電の前にリセットが完了していることを確認します。

Q6：波形には何を記録すればよいですか？

変化ごとに3つの数値が示されます。ピーク値の10%から90%までの立ち上がり時間、パルス幅全体にわたる平坦なトップの低下、そしてメインパルス後のリング振幅です。ピーク電圧だけでは、緩やかな立ち上がり、トップの低下、そして激しいリンギングを見逃してしまいます。これらの変化はそれぞれ、レーザー出力や電極寿命に影響を与えます。

7。 リファレンス

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, 医用電気機器 ― 第１部：基本安全及び必須性能に関する一般要求事項ジュネーブ：IEC、2012年。
2. IEC 61071、 パワーエレクトロニクス用コンデンサジュネーブ：IEC、2017年。
3. IEC 60384-8、 電子機器用固定コンデンサ ― 第8部：セラミック誘電体固定コンデンサ、クラス1ジュネーブ：IEC、2015年。
4. IEC 60270、 高電圧試験技術 ― 部分放電測定ジュネーブ：IEC、2015年。
5. エリクソン、RW、マクシモビッチ、D.、 パワーエレクトロニクスの基礎第3版。Cham: Springer、2020年。
6. モハン、N.、アンダーランド、TM、ロビンス、WP、 パワーエレクトロニクス：コンバータ、応用、設計第3版。ニュージャージー州ホーボーケン：ワイリー、2003年。
7. Y. Chen、F. Lin、H. Li、F. Lv、M. Zhang、Z. Li、 高電界下における金属化フィルムコンデンサの自己修復特性および寿命特性に関する研究、2011 IEEE Pulsed Power Conference、pp. 711-716、2011年。https://doi.org/10.1109/ppc.2011.6191497
8. US 3,721,871、 高電圧モノリシックセラミックコンデンサ、J. Heron、1973年付与、https://www.freepatentsonline.com/3721871.html。
9. クチンスキー、G. S.、 Высоковольтные импульсные конденсаторы。作品: Энергия、Ленинградское отделение、1973。
10. MIL-PRF-49470 Rev. D、 コンデンサ、固定式、セラミック誘電体、スイッチング電源（汎用および温度安定型）、標準信頼性および高信頼性、一般仕様. コロンバス、オハイオ州：DLA陸上海事部、2017年。
11. HVCアプリケーションエンジニアリングチーム、 高電圧セラミックコンデンサ 技術リソース、https://www.hv-caps.com