CO2レーザー高電圧トランスの漏洩インダクタンス設計

CO2レーザー高電圧トランスの漏洩インダクタンス設計

抽象

CO2レーザー電源はLLC段を使用しており、そこではトランスの漏れインダクタンスが直列共振インダクタとして機能します。その値は巻線の形状によって決まるため、巻線工程によってばらつきが生じます。±30%のばらつきは直列共振周波数を約15%変化させ、ソフトスイッチング範囲を狭めます。本稿では、漏れと共振の式、4つの故障モード、および共振点を設定値に維持するための手順について説明します。

はじめに

CO2レーザー電源は、400Vのレール電圧を20kV以上に昇圧します。この昇圧を行うのが高電圧トランスであり、これはユニット内で最大の磁気部品です。巻数比、コアの選択、絶縁性などが設計上の重要なポイントとなります。漏洩インダクタンスはしばしば考慮されませんが、LLC段の共振点を決定する重要な要素です。

ハードスイッチング方式では、漏れインダクタンスが問題となります。スイッチがオンになっている間、漏れインダクタンスはエネルギーを蓄積し、スイッチがオフになる際にそのエネルギーを吸収する必要があるため、スナバ回路が追加されます。一方、LLC方式では、同じインダクタンスが共振電流を流し、蓄積されたエネルギーを出力に戻します。

そのインダクタンスの値は、コアのみから決まるものではありません。それは、両方の巻線を連結できない磁束によって決まるため、巻線間隔、巻線幅、一次巻線と二次巻線の分割などによって変化します。緩い巻線プロセスでは、1バッチあたり±20%から±30%の誤差が生じる可能性があります。

この記事では、漏洩モデルとそれが共振周波数に及ぼす影響、製造現場で発生する4つの故障モード、そして共振点を設定値に維持するための設計手順について解説します。

2. コアメカニズム

2.1 共振ループにおける漏れインダクタンス

漏洩磁束は1つの巻線のみに作用するため、そのエネルギーはコア経路に到達しません。その結果生じるインダクタンスは、一次ループ内の外部インダクタンスに加算されます。

L_r = L_lk + L_external

ここで、L_r は直列共振インダクタンス（ヘンリー）、L_lk は一次側に換算した漏れインダクタンス（ヘンリー）、L_external は追加された直列インダクタンス（ヘンリー）です。30:1 から 100:1 の変圧器で L_lk が 50 µH に達したら、外部インダクタを取り外すことができます。

2.2 直列共振周波数

LLC回路には2つの共振点があります。直列共振点では共振インダクタと共振コンデンサが用いられます。2つ目の共振点には、励磁インダクタンスも含まれます。

f_r1 = 1 / (2π · √(L_r · C_r))

ここで、f_r1 は直列共振周波数（ヘルツ）、L_r は直列共振インダクタンス（ヘンリー）、C_r は共振容量（ファラッド）です。50 µH のインダクタと 4700 pF の部品を使用すると、f_r1 は 328 kHz になります。

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

ここで、L_m はヘンリー単位の磁化インダクタンスです。L_m が 300 µH で、L_r と C_r が同じ場合、f_r2 は 124 kHz に低下します。

漏洩インダクタンスは両方の周波数に影響を与えます。L_lkが20%増加すると、f_r1は約9%低下し、f_r2は約2%低下します。L_lkが20%低下すると、f_r1は約12%上昇します。動作周波数もそれに合わせて変化し、ゲイン曲線もそれに合わせてシフトします。

2.3 共振コンデンサの値

コンデンサの値は、所定の漏洩電流値における共振点を決定します。周波数方程式をC_rについて解き、巻線が一次側に及ぼす静電容量を差し引きます。

C_r = 1 / ((2π · f_r1)² · L_r)

ここで、C_r は共振容量（ファラッド）、f_r1 はターゲット直列共振周波数（ヘルツ）、L_r は直列共振インダクタンス（ヘンリー）です。50 µH のインダクタを使用した 328 kHz のターゲットには 4.7 nF が必要です。

2.4 一次巻線の巻線容量

50:1の変圧器は数千もの二次巻線を持つため、巻線間、層間、そして巻線同士の間に電荷が蓄積されます。一次側から見ると、その電荷は共振コンデンサと並列に存在します。

C_para = C_w · (N_p / N_s)²

ここで、C_para は一次側に換算した巻線容量（pF）です。C_w は測定された巻線容量（pF）、N_p は一次巻数、N_s は二次巻数です。50:1 トランスの 100 pF の二次巻線は、0.04 pF として反映されます。

反射項が小さいのは、巻線間の間隔が大きい場合のみです。間隔を狭める絶縁ギャップを設けると、C_wはナノファラッドの範囲になり、反射項は共振部分と同じ帯域に位置するようになります。

図1 — 20%のリーク電流の増加によりf_r1は9%低下し、±10%の巻線制限によって直列共振点が±5%のソフトスイッチング帯域内に収まります。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：漏洩の拡散により、生産における共振点が移動する

巻線の間隔、張力、層順によって漏洩電流値が決まりますが、手動プロセスではこれらのいずれも厳密に制御できません。同一バッチ内で±20%～±30%のばらつきが生じるのは一般的です。そのため、各ユニットごとに周波数調整が必要となり、巻線を変更するたびに調整を繰り返さなければなりません。

周波数誤差はインダクタンスの平方根に比例します。漏洩値が20%高いとf_r1は9%低下し、20%低いと12%上昇します。同じロットの2つのユニットは共振周波数が20%異なっていても、両方とも静電容量テストに合格します。

問題点2：巻線容量により2つ目の共振ピークが発生する

巻線容量によって、変圧器は複数の共振を持つネットワークとなる。数百キロヘルツから数メガヘルツの間に余分なピークが現れ、インピーダンス曲線には複数の局所最大値が存在する。電流位相によって共振点を追跡するコントローラは、誤ったピークにロックしてしまう可能性がある。

トラッカーが誤ったポイントでロックすると、動作周波数が直列共振から外れます。ループ電流が増加し、出力電力が低下し、段の損失が大きくなります。ユニットは軽負荷時には定格電圧を維持できますが、全負荷時には故障する可能性があります。

問題点３：絶縁間隔と漏洩インダクタンスが互いに引っ張り合う

30kVの二次巻線では、沿面距離と部分放電のために一次巻線との間に空間が必要です。この空間によって漏洩磁束と漏洩インダクタンスが増加します。巻線を近接して配置すると漏洩値が低下しますが、それに伴って絶縁マージンも低下します。

この矛盾は現実のものであり、機械的な解決策が存在する。薄くて高強度のフィルムは、マイクロメートルあたりの絶縁破壊電圧が高く、勾配構造のバリアは電界が最も強い場所に材料を配置する。ポリイミドは300 V/µmの絶縁破壊電圧を持つのに対し、標準的なポリエステルは150 V/µmであるため、同じ定格値を得るには半分の厚さで済む。

問題点4：熱と飽和により第2共鳴点が変化する

コアの温度上昇に伴いコアの透磁率が低下するため、磁化インダクタンスもそれに伴って変動します。第2共振点が移動し、まず軽負荷時のソフトスイッチングに影響が出ます。L_mが20%低下すると、f_r2は約10%上昇します。

点火によって負荷が急激に変化する。放電管は数マイクロ秒以内に高インピーダンスから低インピーダンスへと移行し、一次電流もそれに追随する。飽和余裕の薄いコアは飽和し、L_mが崩壊するため、ゲイン曲線は制御ループが補正できる速度よりも速く変化する。

4. 設計手順

戦略1：変圧器と共振コンデンサを1つのネットワークとしてシミュレートする

漏洩インダクタンス、励磁インダクタンス、巻線容量、銅抵抗の4つの要素を用いて変圧器モデルを構築します。共振コンデンサの値を、負荷範囲全体にわたってそのモデルに対して変化させます。結果として、ソフトスイッチング帯域から外れることなく、点火電圧と放電電流をカバーするゲイン曲線が1つ表示されるはずです。

漏洩電流目標値、磁化目標値、およびコンデンサ許容値を同じ表に固定してください。単独では安全に見える許容値でも、他の2つの項目が同じように変動すると、実際には広すぎる場合があります。

設計パラメータ	目標値	許容偏差
一次側から見た漏れインダクタンス	50μH	±10%、つまりf_r1を±5%移動させる
磁化インダクタンス L_m	300μH	±15%でf_r2と軽負荷ZVSを設定します
巻線容量（一次側換算）	100 pF未満	寄生ピークを1MHzに設定する
共振コンデンサ C_r	4700 pF	±2%、つまりf_r1を±1%移動させる

戦略2：巻線形状から漏洩値を設定する

漏洩インダクタンスは、最初の巻線を巻く前に計算できます。巻線間の間隔、各巻線の厚さ、巻線の幅はすべて見積もりに含まれるため、それぞれが公差付きの図面寸法となります。

L_lk ≈ (μ₀ · N_p² · MLT · (d_12 + (t_1 + t_2)/3)) / w

ここで、μ₀は真空透磁率定数です。N_pは一次巻線数、MLTは1巻線の平均長さ（mm）、d_12は一次巻線と二次巻線の間隔（mm）、t_1とt_2は巻線の厚さ（mm）、wは巻線の幅（mm）です。wを20mmから30mmに広げると、推定値は3分の1に減少します。

戦略3：シールドと分割セクションを使用して巻線容量を制御する

一次巻線と二次巻線の間に、接地された銅箔を1点のみで接続して配置します。二次巻線を複数のセクションに分割し、ボビンの外側で直列に接続します。これらの手順により、巻線間の応力と実効巻線容量が低減されます。

シールドは巻線スペースを占有するため、リーク電流値を増加させます。分割セクションとシールドは2つの寄生項を逆方向に引っ張るため、レイアウト変更後は必ず両方を測定してください。反射容量は100pF以下に抑えてください。

戦略4：共振コンデンサを測定された漏洩値に合わせる

最初の巻線を測定した後、f_r1が目標値に達する値で共振部分を選択します。 N4700 クラスI部品は±30 ppm/℃の精度と0.1%以下の損失率を維持するため、ユニットの温度上昇に伴って共振点が安定します。

部品の許容誤差を±2%に抑え、動作電圧を定格電圧の70%以下にしてください。±2%の許容誤差を持つ4700pFの部品では、f_r1は±1%変化します。±20%のリーク電流のばらつきでは、同じ周波数が9%変化するため、部品の許容誤差はリーク電流のばらつきを十分に下回っています。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

戦略5：薄型高強度断熱材を使用して隙間を塞ぐ

バリアフィルムは、マイクロメートルあたりの絶縁破壊強度に基づいて選択してください。ポリイミドは、同じ層数の場合、300 V/µmの絶縁破壊強度で、150 V/µmの標準ポリエステルの2倍の電圧に耐えられるため、巻線間のギャップを縮小でき、それに伴って漏洩電流値も低減できます。

バリアの厚みを調整して、磁場が最も高い地点に材料が多く配置されるようにします。均一な厚さの壁は、応力が低い地点にも空間を生み出し、厚みが1ミリメートル増えるごとに漏洩インダクタンスが増加します。

戦略6：ベンチテストと生産現場で共振点を確認する

巻線ロットごとに、1kHz LCRメーターと短絡二次巻線を使用して漏れインダクタンスを測定します。ロットを出荷する前に、測定値を設計値と±10%の許容範囲内で比較します。30%のばらつきは、より厳密な巻線工程を実行するコストよりも、調整時間においてコストが高くなります。

最初の記事では、周波数をスイープし、無負荷から全負荷までのターンオン時のドレイン電圧を記録します。 フィルムコンデンサ 整流ダイオード間のスナバ回路において、回復スパイクがデバイス定格を超えた場合に発生する。

5. 変圧器共振回路用のHVCコンデンサ

このノードは2種類のコンデンサで構成されています。1つは直列分岐の共振部分、もう1つは整流器の両端にあるスナバ部分です。どちらも共振電流全体を流すループ内に配置されているため、損失と安定性によって共振点が決まります。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した両方のコンデンサを製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 損失率は0.1%未満です。300kHz、5kVの条件下でも損失は0.1%未満に抑えられているため、ループQ値は高く維持され、共振電流の振幅も維持されます。
• 温度係数は±30 ppm/℃です。50℃の温度上昇で静電容量が±0.15%変化し、f_r1は0.1%未満しか変化しません。
• 等価直列インダクタンスが5 nH未満。 HVCT8G ネジ端子部品はループインダクタンスを低く抑えるため、取り付け方法を変更しても共振点が移動しない。
• 許容誤差は±1%～±2%です。測定された漏洩値に合わせて部品を選定することで、生産ラインから単位周波数調整作業を排除できます。
• 定格電圧の1.5～2倍の電圧において、5 pC以下の部分放電が発生し、ユニットあたり遮蔽されている。10 kVの電圧では、欠陥が放電源に発展することはない。
• 連携した部品。 HVR-BSP 厚膜抵抗器 スナバーとブリーダーの場合、 HVRGXPサンプリング抵抗器 現在のループでは、 高速回復ダイオード 整流段用。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、マッチングセットは6～10週間で出荷されます。各注文には、静電容量レポート、動作周波数における損失係数の測定値、および部分放電記録が添付されます。 クロスリファレンス 表には、各位置に対応する村田製作所、TDK、およびVishayの同等部品が記載されています。

漏れインダクタンス、磁化インダクタンス、巻線容量、目標周波数、および負荷範囲を送信してください。HVCは共振コンデンサ値、部品番号、およびベンチスイープ用のサンプルユニット2個を返します。

6。 よくある質問

Q1：許容できる漏れインダクタンスの変動はどの程度ですか？

生産ロット全体で設計値の±10%以内。この制限によりf_r1は目標値の±5%以内に収まり、負荷範囲に対してソフトスイッチング帯域が十分に広く保たれます。緩い巻線工程によって生じる±30%のばらつきは共振点を大きく移動させ、帯域を狭めてしまうため、すべてのユニットで周波数調整が必要になります。

Q2：漏れインダクタンスは共振インダクタ全体として機能することができますか？

はい、値が十分に大きい場合です。30:1から100:1のトランスでは広い絶縁間隔が必要となり、その間隔によって50μHの漏れインダクタンスが生じることがよくあります。300kHz段の目標値に測定値が満たない場合にのみ、外部インダクタを追加してください。

Q3：なぜZVSウィンドウは生産時に縮小するのですか？

3つの要素は同じように変動します。漏洩インダクタンスは巻線工程によって変化し、磁化インダクタンスはコアの透磁率によって変化し、共振部分は±2%の許容誤差を持ちます。それぞれが共振点をわずかに変化させ、最悪の場合はそれらが加算されます。最初の製品でこれら3つすべてを測定してください。

Q4：絶縁マージンを損なわずに漏洩インダクタンスを削減するにはどうすればよいですか？

単位マイクロメートルあたりの絶縁破壊強度が高いフィルムを使用してください。ポリイミドは300 V/µmの絶縁破壊強度を持ち、標準的なポリエステルの150 V/µmよりも高いため、より薄いバリアで同じ定格値を達成できます。絶縁材の粒度分布を調整して、電界強度が最も高い点に材料が多く配置されるようにしてください。これらの手順により、一次側と二次側のギャップが縮小し、漏洩電流値も低減されます。

Q5：共振位置では、コンデンサの許容誤差はどのくらい必要ですか？

±2%以上。共振周波数は静電容量の平方根に比例するため、部品の±2%の誤差はf_r1を±1%変化させます。±5%の誤差では±2.5%変化しますが、これは10:1の負荷範囲でソフトスイッチングを維持するステージの誤差許容範囲の半分です。

Q6：設計を公開する前に何を測定すべきですか？

測定項目は4つです。1kHzにおける第1巻線の漏れインダクタンス（二次巻線を短絡した場合）。100kHzから5MHzまでのインピーダンス曲線（寄生ピークの有無を確認するため）。無負荷時および全負荷時のターンオン時のドレイン電圧。動作バイアスにおける各共振部の静電容量。

7。 リファレンス

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