CO2レーザー電源におけるIGBT、MOSFET、およびスパークギャップの選定

CO2レーザー電源におけるIGBT、MOSFET、およびスパークギャップの選定

抽象

CO2レーザー電源は、連続波、準連続パルス、TEAパルス、またはRF励起を実行し、各モードはスイッチに異なる負荷をかけます。MOSFETは2kVと100nsに達し、IGBTは1µsのテールで6.5kVに達し、スパークギャップは10nsのエッジと10⁷ショット寿命で100kVに達します。この記事では、各デバイスの境界、損失とバランスの方程式、4つの選択失敗、およびそれらを保持する受動ネットワークについて説明します。

はじめに

CO2レーザー電源は、連続波、準連続パルス、TEAパルス、RF励起の4つのモードのいずれかで動作します。各モードはスイッチに異なる負荷をかけるため、これら4つのモードすべてに対応できる単一の装置は存在しません。

MOSFETは10ナノ秒から100ナノ秒でスイッチングし、定格電圧は2キロボルト以下です。IGBTは1.2キロボルトから6.5キロボルトの電圧を保持し、スイッチング時間は0.1マイクロ秒から5マイクロ秒です。スパークギャップは数十キロボルト、数千アンペアの電圧を保持し、スイッチング時間は1ナノ秒から50ナノ秒ですが、使用に伴い摩耗します。

ほとんどのデータシートの選定表は、電圧と電流の値で終わっています。故障の原因は動作限界にあります。例えば、電圧をうまく分散できない直列回路、50kHzでターンオフ損失を2倍にするテール電流、あるいは毎週電極の交換が必要になるギャップなどが挙げられます。

この記事では、各デバイスタイプの境界、損失と共有の方程式、レーザー電源に見られる4つの選択失敗、および周辺ネットワークをまとめるコンデンサとダイオードのデータについて説明します。

2. コアメカニズム

2.1 MOSFETの限界：定格に対する速度

MOSFETは電圧制御型デバイスであり、ゲート電圧によってチャネルが設定されます。レーザー電源においては、LLCまたはLCC共振コンバータの主スイッチとして、またTEAトリガーのドライバ段として機能します。

定格電圧は2kV付近で最大となり、オン抵抗もそれに伴って急速に上昇する。650Vの部品ではオン抵抗が0.1Ω～0.3Ωに達するのに対し、同じダイ面積で1.7kVの部品では1Ω～5Ωに達する。

P_cond = I_rms² · R_DS(on)

ここで、P_condは導通損失（W）、I_rmsはドレイン電流（A）、R_DS(on)は接合部温度におけるオン抵抗（Ω）である。10 Aでは、損失は650 V部分で10 Wから1.7 kV部分で200 Wに増加する。

R_DS(on)は正の温度係数を持ち、並列部品間の電流分担を促進します。一方、しきい値電圧は負の温度係数を持ち、電流分担は行いません。しきい値電圧の差が0.5Vの2つの並列部品は、25℃において電流値が30%異なり、温度の高い部品がより多くの電流を流すにつれて差は大きくなります。

2.2 IGBTの境界：テール電流が周波数の上限を決定する

IGBTは、MOSゲートとバイポーラドリフト領域を組み合わせたものです。飽和電圧は1.5V～4Vの範囲にあり、同等のMOSFET抵抗よりも平坦な特性を示すため、3.3kVのIGBTは、MOSFETを直列接続した場合よりも少ない損失で100Aの電流を流すことができます。

そのコストはテール電流です。電源オフ時、蓄積された少数キャリアは0.5µsから10µsかけて再結合し、その間コレクタ電流はゆっくりと減衰します。

E_off = V_dc · I_C · (t_f / 2 + t_tail)

ここで、E_offはターンオフエネルギー（mJ）、V_dcはバス電圧（kV）、I_Cはコレクタ電流（A）、t_fは立ち下がり時間（µs）、t_tailはテール時間（µs）です。3 kV、100 A、0.3 µs、1 µsの場合、ターンオフエネルギーはイベントあたり345 mJに達します。

20kHzでは、デバイス1個あたりのエネルギーは6.9kWとなり、そのうち87%はテールタームによるものです。この数値が、ほとんどのレーザー用途においてIGBTが50kHz以下に抑えられている理由です。

2.3 スパークギャップ境界：極度の応力、有限ショット

スパークギャップは、端子間の電圧によってガスが電離されると放電します。プラズマチャネルは1ナノ秒から50ナノ秒で形成され、100アンペアから10,000アンペアの電流を流すため、TEAレーザーは直列回路を一切必要とせずに20キロボルトのパルスをスイッチングできます。

放電のたびに電極が侵食される。寿命は10⁶～10⁸ショットで、繰り返し周波数は1kHz未満である。これは、ガスが脱イオン化して保持電圧を回復するのに時間が必要だからである。

t_service = N_life / (f_rep · 3,600)

ここで、t_serviceはサービス時間（時間）、N_lifeは電極ペアのショット寿命、f_repは繰り返し周波数（Hz）です。500Hzで10⁷ショットの電極ペアは5.6時間の連続発射に耐えるため、3交代制の工場では数日ごとに電極を交換します。

2.4 3つのデバイスのための境界マップ1つ

これら3つのデバイスを同一軸上に配置します。周波数が100kHz以上、バス電圧が1.2kV未満、ピーク電流が100A未満であれば、MOSFETが該当します。周波数が10kHz～100kHz、バス電圧が1.2kV～4.5kV、電流が50A～500Aであれば、IGBTが該当します。

5kVを超えるバス​​電圧で500Aを超える電流が流れ、パルスエッジが10ns付近の場合、スパークギャップが発生している可能性が高い。20kV、2,000Aの電流では、ソリッドステートスタックは12～16個のデバイスを直列接続し、10nsの帯域幅を持つドライバが必要となる。

t_sw = t_r + t_f + t_tail + t_dead

ここで、t_sw はスイッチが遷移およびデッドタイムに費やす時間（µs）、t_r は立ち上がり時間、t_f は立ち下がり時間、t_tail はテール時間、t_dead はデッドタイム（いずれも µs 単位）です。立ち上がり時間 0.5 µs、立ち下がり時間 0.5 µs、テール時間 8 µs、デッドタイム 1 µs の IGBT は、50 kHz で 20 µs 周期のうち 10 µs を占めます。

図1 — CO2レーザー電源のデバイス境界：バス電圧、周波数、パルスエッジによって、MOSFET、IGBT、またはスパークギャップが選択されます。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：1.5kV MOSFETで構成された10kVバス

10kVのバスには、1.5kV定格のMOSFETを7個または8個直列接続する必要があります。電圧分配は、オフ状態でのリーク電流の広がりと、エッジ時のゲート遅延の広がりによって決まります。

1 kV/µsのエッジに20 nsのゲート遅延が加わると、最初にオフになる部品に20%余分な電圧がかかります。1.5 kVの部品には1.8 kVの電圧がかかり、これは定格を超えています。各デバイスにバランス抵抗とスナバコンデンサを配置すると、損失、基板面積、および部品コストの15%～25%のコストが発生します。

問題点2：50kHzにおけるIGBTテール電流

LLCコンバータでは、オフ時にテール電流が共振インダクタ電流に加算されます。50kHz以上の周波数では、テール項がデバイス全体の損失の40%から60%を占めます。

測定結果によると、効率は92%から80%に低下し、ベースプレートから30℃上のホットスポットが発生する。熱伝導経路によって定格電力が決まり、追加のヒートシンクの質量はスイッチ本体よりもコストがかかる。

問題点３：TEAレーザーのスパークギャップ電極の寿命

TEAレーザーは1秒間に500回発射する。1日8時間稼働すると1440万ショットとなり、10⁷ショットの電極ペアではその稼働スケジュールで1日未満しか持たない。

電極の摩耗によってギャップ間隔も変化するため、絶縁破壊電圧も変動します。出力パルスエネルギーは交換ごとに変化し、それに伴ってプロセスレシピも変化します。密閉型ギャップと回転電極は購入コストは高くなりますが、サービス訪問回数を削減できます。

問題点4：スナバ回路におけるターンオフオーバーシュート

バスループには、バスバー、コンデンサのリード線、およびデバイスパッケージからのインダクタンスが存在します。高速なターンオフエッジが発生すると、バス電圧に加えて、このインダクタンスの両端に電圧が発生します。

V_spike = L_loop · di/dt

ここで、V_spikeはオーバーシュート（V）、L_loopはループインダクタンス（nH）、di/dtはターンオフ時の電流勾配（A/µs）です。500 nHのループで1 kA/µsのエッジが発生すると、500 Vの電圧が発生します。これは3 kVのバス電圧より17%高い値です。3.3 kVのデバイスは、すべてのエッジで定格電圧を超えて動作します。

4. 設計手順

戦略1：レーザーモードからスイッチを選択する

10kHz～100kHzの連続波レーザーは、LLCトポロジーのMOSFETに適しています。1kHz～50kHzの準連続波レーザー（デューティサイクル5%～50%）は、ハーフブリッジまたはフルブリッジのIGBTに適しています。

1 Hz～1,000 HzのTEAレーザーは、固体プリチャージステージを備えたスパークギャップに適しています。13.56 MHzまたは27.12 MHzのRF励起レーザーでは、IGBTのテール電流によって動作周波数が50 kHzに制限されるため、MOSFETが唯一の選択肢となります。

戦略2：IGBTのテール電流を電源側で遮断する

NPTグレードまたはフィールドストップグレードを選択してください。貫通グレードと比較すると、テールタイムは50%～70%短縮され、ターンオフ損失も減少します。ゲートターンオフ抵抗を上げてエッジの速度を遅くし、オーバーシュートを低減する代わりにテールタイムを長くしてください。

コレクタとゲートの間にアクティブクランプを追加します。そこにツェナーダイオードストリングを配置し、コレクタ電圧がクランプ値を超えたときにゲート電流を注入することで、ピーク時のデバイスのオフ速度を遅くし、オーバーシュートを定格値内に抑えます。

戦略3：直列接続されたMOSFETストリングのバランスを取る

各ドレイン・ソース間に100kΩ～1MΩの静的バランス抵抗を追加してください。この抵抗は、オフ状態の電流分配とリーク電流のばらつきを調整し、各デバイスの定格値以下に抑えます。

動的シェアのために、各デバイスに100 pF～1 nFの低インダクタンスのスナバコンデンサを追加してください。磁気または光絶縁ドライバを使用して、すべてのゲート駆動経路を10 ns以内に一致させ、ゲートループ面積を100 mm²未満に抑えてください。

戦略4：スパークギャップサービス間隔を延長する

ギャップを窒素またはSF₆で密閉します。侵食速度はギャップが開いている場合よりも大幅に低下し、サービス間隔は5～10倍向上します。主ギャップの手前に予備電離源を追加することで、絶縁破壊の広がりとジッターを低減できます。

回転円盤電極を使用することで、放電が表面を巡回するようになります。これにより、同じ10⁷ショット寿命が50～100倍の面積に広がり、ギャップ間隔もはるかに長く維持されます。

戦略5：スナバとストレージネットワークを構築する

各ターンオフ位置には、低ESR、低ESLの高電圧セラミック部品を使用してください。ESRを10mΩ以下、ESLを5nH以下に維持することで、コンデンサが数十ナノ秒以内に過渡エネルギーを吸収し、オーバーシュートが定格値内に収まるようにします。

フィット 高速回復ダイオード 各フリーホイール位置およびクランプ位置での回復時間は100 ns未満です。 フィルムコンデンサ バスの格納位置では、パルス放電には低損失で大きな値が必要となる。

加える サンプリング抵抗器 また、各スナバ回路に減衰抵抗器を設け、平均電力ではなくパルスエネルギーに基づいて定格を決定する。

戦略6：ベンチ上でネットワークを検証する

最悪の電流値と最高のバス電圧におけるターンオフオーバーシュートを測定します。ホットスポット温度におけるテール電流時間を測定し、50kHzの制限値と比較します。

温度範囲の両端で、直列接続された電極間のバランスのばらつきを確認してください。各スパークギャップユニットの電極稼働時間を記録し、カレンダーではなくショット数に基づいて交換してください。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
繰り返しピーク逆電圧	10 kV VRRM	2CLシリーズ、25℃
平均順電流	0.8 A IF(AV)	矩形波、Tc ≤ 85 °C
順方向サージ電流	100 A @ 8.3 ms	単一サージ、IFSM
逆回復時間	1 µs未満 trr	ソフトリカバリーグレード
接合容量	25 pF 標準値	VR = 4 kV、1 MHz
動作温度	−55℃～+125℃	Tj最大値
リーク電流	VRRMで5mA未満	25℃、定格値

5. スイッチネットワーク用HVC受動部品

HVCは、あらゆるタイプのスイッチ周辺ネットワーク向けに、パルスコンデンサ、スナバコンデンサ、整流ダイオードを製造しています。1kVから150kVまでの電圧範囲に対応し、東莞にある6,000m²の自社工場から、レーザーおよびパルスパワー機器のOEM向けに大量出荷を行っています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 100kHzにおける損失係数は0.1%未満。 N4700 クラスIの部品は、5 kV/µsおよび100 kHzにおいて、温度上昇が10 °C未満、静電容量ドリフトが0.1 %未満で、その値を維持します。
• ESRは10mΩ以下、ESLは5nH以下です。スナバ回路はターンオフ時の過渡現象を数十ナノ秒で吸収するため、オーバーシュートはバス電圧の20%以下に抑えられます。
• 整流器の回復時間は100ナノ秒未満です。これにより、フリーホイール位置とクランプ位置は、3つのスイッチトポロジーの中で最も低い逆回復損失と最も低いEMIノイズで動作します。
• 抵抗許容誤差は±1%、温度係数は±25ppm/℃です。 HVR-BSP グレーディング抵抗器 この製品は、−55℃から+155℃までの温度範囲で、5%の部分が定格温度を超える場合、シリーズ全体の温度範囲を維持します。
• パルス電流容量はキロアンペア級。プリチャージ位置とエネルギー蓄積位置のそれぞれに、数十ナノ秒以内にパルスエネルギーを全量放出する部品が必要となる。
• 連携した部品。 HVCT8G ドアノブ用コンデンサHV整流ダイオードとHVRGFPまたはHVRGXP抵抗シリーズは、1つの設計で共振、スナバ、クランプ、および乗算器の位置をカバーします。

配送とサポート

標準部品は4〜8週間で出荷され、カスタム容量、リードスタイル、またはポッティング形状は6〜10週間で出荷されます。レーザー注文には、5 kV/µsでのパルステストレポート、動作周波数でのESR記録、および クロスリファレンス 村田製作所のDHS、TDKのUHV、VishayのHVCCシリーズとの比較表。

スイッチの種類、バス電圧、動作周波数、パルスパラメータ、およびループ図をお送りください。HVCは、各スナバとストレージ位置に対応する部品番号と、ベンチテスト用のサンプルユニットを記載した対応シートを返送します。

6。 よくある質問

Q1：設計をMOSFETからIGBTに移行すべきタイミングはいつですか？

バス電圧が1.2 kVを超えるか、電流が100 Aを超えると、1.7 kVのMOSFETはオン抵抗が1 Ωから5 Ωになるため、10 Aの電流でダイ上で200 Wが消費されます。1.2 kVから4.5 kVのIGBTは、周波数が50 kHz以下であれば、1.5 Vから4 Vの飽和電圧で同じ電流を流します。

Q2：IGBTのテール電流のコストはいくらですか？

3 kV、100 Aの条件で、0.3 µsの立ち下がり時間と1 µsのテール時間を持つ場合、イベントあたり345 mJのターンオフエネルギーが発生します。20 kHzでは、デバイスあたり6.9 kWとなり、その87%がテール時間に集中します。FSグレードまたはNPTグレードを使用すると、テール時間を50%から70%削減できます。

Q3：直列接続されたMOSFETストリング全体に電圧を分配するにはどうすればよいですか？

2つのネットワーク。各ドレイン・ソースペア間に100kΩ～1MΩの抵抗を接続し、リーク電流の広がりに対するオフ状態シェアを設定する。各デバイス間に100pF～1nFのスナバコンデンサを接続し、エッジ時の動的シェアを設定する。また、すべてのゲートパスは10ns以内で一致する必要がある。

Q4：TEAレーザーのスパークギャップはどのくらい持ちますか？

ショット数で数えてみましょう。500Hzで10⁷ショットの電極ペアは、5.6時間の連続発射が可能で、これは3交代制の工場では1日未満です。窒素またはSF₆で密閉されたギャップと回転ディスク電極を使用すると、間隔を5～10倍に延長できます。

Q5：電源オフ時のオーバーシュートを防ぐにはどうすればよいですか？

ループインダクタンスを下げてスナバ回路を追加してください。1 kA/µsのエッジを持つ500 nHのバスループでは、500 Vのオーバーシュートが発生します。これは3 kVのバス電圧に対して17%高い値です。ESRが10 mΩ未満、ESLが5 nH未満のスナバコンデンサを使用すれば、このエネルギーを数十ナノ秒で吸収できます。

Q6：RF励起CO2レーザーに適したスイッチはどれですか？

MOSFETを使用します。RF帯域は13.56MHz、27.12MHz、または40.68MHzで、IGBTのテール電流によってそのデバイスの動作周波数は50kHzに制限されます。N4700カップリングコンデンサを備えたプッシュプルまたはハーフブリッジMOSFET段がマッチングネットワークを構成します。

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 61010-1:2010+AMD1:2016, 計測、制御、実験室用電気機器の安全要件 ― 第1部：一般要件ジュネーブ：IEC、2016年。
3. IEC 60384-8:2015、 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。
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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