携帯型レーザー切断装置向け高電圧増幅器の小型化

携帯型レーザー切断装置向け高電圧増幅器の小型化

抽象

ポータブルレーザーは、技術者が持ち運べるパッケージで、キャビネット型レーザーと同じ3kV～15kVの励起電圧を必要とします。高電圧増幅器がそのパッケージサイズを決定します。この記事では、ステージとドループの計算、フィルムステージとセラミックステージの体積トレードオフ、圧縮による熱的および機械的な損失、そして現場での信頼性を維持するための認証について説明します。

はじめに

携帯型レーザーシステム（ハンドヘルド式マーキングガン、バックパック式ファイバーレーザー、移動式修理ユニットなど）は、機械工場から現場サービス、造船所、現場での製造現場へと活躍の場を広げている。これらのシステムは、産業用レーザーと同等の3kV～15kVの励起電圧を、一人で持ち運べるコンパクトな筐体から供給する。

高電圧乗算器は、低電圧インバータの出力を直流に変換し、その出力はコンデンサによって設定されます。ここでは、コッククロフト・ウォルトン型回路が主軸となっています。ダイオードとコンデンサのペアからなるN段の回路が、交流入力をピーク値のN倍に増幅します。

2.4kVの交流電源から12kVを得るには5段の増幅器が必要で、各段のコンデンサは段電圧の2倍の容量を持つ必要があります。フィルム部品は0.1J/cm³の熱容量しか持たないため、段コンデンサだけで400～800cm³の容積を占め、1.5～3kgの重量となり、増幅器は独立したモジュールとして構成せざるを得ません。

小型化こそがこの製品カテゴリーを可能にした要因です。パック内の容積と重量が1立方センチメートルでも減れば、バッテリー駆動時間の向上、持ち運びの快適性の向上、そしてケースの小型化につながります。しかし、圧縮にはデメリットも伴います。この記事では、それらのデメリットを定量的に分析するとともに、それらを回避する設計についても解説します。

2. コアメカニズム

2.1 負荷時の出力電圧

CWチェーンは電流を供給する際に電圧を損失し、その損失は段数が増えるにつれて急激に増加する。

V_droop = (I_load / (6 × f × C_stage)) × (4N³ + 3N² − N)

ここで、V_droopはレギュレーション損失、I_loadは負荷電流、fは駆動周波数、C_stageは段容量、Nは段数です。N = 5、f = 100 kHz、C_stage = 4.7 nFの場合、1 mAの負荷では12 kV出力のうち202 Vが消費され、3次項がその理由です。

2.2 より高いAC入力からのステージ圧縮

ACピークを上げると段数が減ります。V_peak = 3 kVの場合、4段で12 kVを出力し、各段のコンデンサは4.8 kVではなく6 kVを保持します。同じ駆動方式と4.7 nFの段容量で、1 mAのときに106 Vのドループが得られます。これは、項(4N³ + 3N² − N)が570から300に減少するためです。段数が少なくなると、ダイオードの数、接合部の数、スタックの高さも少なくなります。

2.3 貯蔵エネルギーと量取引

各段のコンデンサは、誘電体の体積が保持しなければならないエネルギーを蓄積します。

E_stage = ½ × C_stage × V_stage²

ここで、E_stageは1段に蓄積されたエネルギー、C_stageはその静電容量、V_stageはその両端の電圧である。4.8 kVの4.7 nFの段には54 mJのエネルギーが蓄積される。特定のエネルギーを保持する誘電体の体積は、材料のエネルギー密度に比例する。

V_bank ∝ 1 / E_v

ここで、V_bankは容量性素子が占める体積、E_vは体積エネルギー密度です。フィルム誘電体は0.1 J/cm³のエネルギーを蓄積し、N4700セラミックは0.4～1.2 J/cm³のエネルギーを蓄積するため、同じエネルギーを蓄積するには3～8分の1の誘電体で済みます。これが、同じ12 kVの定格電圧で、組み立てられたバンクの体積が400～800 cm³から約210 cm³に減少する理由です。

2.4 スイッチング帯域における自己共振

ポータブルインバーターはトランスを小型化するために50kHzから200kHzの間で周波数を切り替えるため、ステージコンデンサーはその帯域全体にわたって容量性を維持する必要があります。

f_self = 1 / (2π × √(L_ESL × C_stage))

ここで、f_selfは自己共振周波数、L_ESLは等価直列インダクタンス、C_stageは段容量です。パッケージインダクタンスが25 nHの1 nF段は、駆動周波数の300倍以上である31.8 MHzまで容量性を維持します。この周波数では、巻線フィルム部品は既に誘導性に変化しています。

図1 — 100 kHz、1段あたり4.7 nF、5段で2.4 kVのドループで1 mAで202 V、4段で3 kVのドループで106 V。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：フィルムコンデンサの体積が携帯性のコンセプトを損なう

12kVフィルムコンデンサ式連続波マルチプライヤーは、400～800cm³の容積を占め、重量は1.5～3kgです。バッテリーを同梱すると、機内持ち込み手荷物の制限を超え、操作者は1時間以内に疲労してしまうため、マルチプライヤーの容積が製品の限界となります。

問題点2：パッケージを小さくするとホットスポットが大きくなる

乗算器を210 cm³に圧縮すると、熱が逃げる表面積が減少する。100 kHzでそれぞれ0.5～1 Wの電力を消費する段コンデンサは、ダイオードとトランスと同じ空洞内に配置されるため、周囲温度40 ℃の環境下でホットスポットの温度が100 ℃を超える。

課題3：現場での振動と取り扱い時の応力による脆性セラミックス

携帯型機器は落下したり、振動する車両で運ばれたり、不均一な地面に置かれたりする。セラミック製の筐体は、据え置き型機器では決して経験しないような機械的環境に耐えなければならない。そうでなければ、小型化によって容積は削減されるものの、現場での故障という形でその代償を支払うことになる。

問題点4：バッテリー電圧の低下により、負荷時の出力が不安定になる

バッテリーが放電すると、インバータの交流出力は10～20%低下し、乗数器の調整項によって負荷電流に比例した降下が加わります。その結果、オペレーターが最大出力を要求した瞬間に、出力はプラズマ点火を確実に行うための閾値を下回ってしまいます。

4. 設計手順

戦略1：N4700クラスIセラミックでステージを構築する

0.4～1.2 J/cm³の容量を持つセラミック段コンデンサは、5段構成の12 kVチェーンを約210 cm³に圧縮し、400～800 cm³のフィルムバンクに対して47～74%のカットオフを実現し、±30 ppm/°Cの係数と0.1%以下の損失係数を維持します。バンクは以下のように構築します。 N4700 ステージ電圧の2倍に余裕を加えた定格電圧のディスク。

戦略2：交流入力を上げて段数を減らす

ACピークを2.4kVから3kVに移動すると、ステージ数が5段から4段に減少します。部品数も減少し、1mAでのドループは202Vから106Vに低下し、各ステージは4.8kVではなく6kVを保持します。 高速回復ダイオード 取り付けるスタックの数が少なく、シールする接合部も少なくて済みます。4段構成のチェーンは、12kVの可搬型出力にとって最適な容積構成です。

戦略3：乗数をヒートシンクに結び付ける

ステージコンデンサとダイオードをシリコンインターフェースパッド付きの共通サーマルプレートに取り付け、そのプレートをシャーシに固定します。この構成での実測値では、乗算器のホットスポットが20℃～30℃低下し、圧縮によって失われたコンデンサの寿命が回復します。 ドアノブコンデンサ ネジ端子本体は、出力ノードのプレートに直接ボルトで固定されます。

戦略4：柔軟な支持材を用いて振動から保護する

乗算器をシリコーン系などの柔らかく熱伝導性の高い化合物で封止することで、機械的衝撃を緩和し、同時に素子をプレートに結合させることができます。この柔軟な封止により、落下や振動が発生するような環境でも、脆いセラミック体が耐えられる環境へと変化します。

戦略5：倍率の前にブーストステージを追加する

バッテリーとインバーターの間に小型の昇圧コンバーターを挿入することで、放電曲線全体にわたって交流ピーク電圧が3kVに維持されます。これにより、電圧降下による出力低下が解消され、2%の効率低下は、バッテリー寿命の最後の1時間における安定した点火電力を得るための妥当なトレードオフとなります。

戦略6：衝撃と熱サイクルによる試験を実施する

携帯型マルチプライヤーを6軸で30gの衝撃、85℃、85%RHの湿熱環境下で500時間、および5,000回の熱サイクルで試験します。PDが5pC未満、静電容量が±2%以内の部品が現場サービス用途に適しています。 フィルムコンデンサ 銀行は同じ容量および質量制限をクリアしません。

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

5. ポータブル乗算器用HVC N4700コンデンサ

このノードにおける選択を決定づける3つの要件は、立方センチメートルあたりのエネルギー、出力段に到達する電圧ラダー、およびフィールド温度変動全体にわたって維持される静電容量です。HVCは、この要件を満たすために、東莞にある6,000平方メートルの自社工場で、1kVから100kVまでの電圧に対応するSrTiO3ベースのN4700（T3M）クラスI部品を製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 携帯型機器を可能にするエネルギー密度。N4700セラミックスは、6kV～10kVの電圧で0.4～1.2J/cm³のエネルギーを蓄積します。これは、ケースに収まるマルチプライヤーと、キャビネットが必要なマルチプライヤーの違いを決定づけるものです。
• コンパクトな高電圧定格。6kV段コンデンサから40kV出力素子まで、HVCはマルチプライヤラダー全体を、携帯型アセンブリに適したサイズのパッケージでカバーします。
• 現場温度範囲全体にわたって安定した静電容量。±30 ppm/℃の係数により、−20℃の冬季現場から50℃の造船所デッキまで、ステージ静電容量は0.5%以内に維持されるため、制御曲線は天候によって変化しません。
• 定格電圧における部分放電は5pC未満です。工場でのシールド処理により、圧縮されたチェーンが絶縁マージンを一緒に圧縮してしまうのを防ぎます。
• 低ESLパッケージ。ESLが30nH未満であれば、ポータブルインバーターがトランスを小型化するために使用する100kHz以上のスイッチング周波数においても、チェーンの効率を維持できます。
• 現場修理プログラムで使用可能な実績のあるドロップイン方式。マッチングセットとカスタム値が利用可能で、HVC部品は電気的パラメータとパッケージ寸法に適合します。 村田 リソグラフィ光源の修理に使用されるネジ式コンデンサ。

配送とサポート

標準値は4～8週間で出荷され、カスタム電圧・容量組み合わせは6～10週間で出荷されます。HVCアプリケーションエンジニアリングは、ステージコンデンサの選定、エネルギー密度の計算、熱マウント、および振動試験計画をサポートします。

出力電圧と電流、AC駆動の振幅と周波数、検討対象の段数、周囲温度、筐体容積、および数量をお送りください。HVCは、5営業日以内に、エネルギー密度データ、PDレポート、およびプロトタイプ検証用のサンプルを含む段構成部品表を返送します。

6。 よくある質問

Q1：12kVのポータブル出力には、CW段がいくつ必要ですか？

2.4kV ACピークで5個、3kVで4個。各段のコンデンサは段電圧の2倍の容量を持つため、2.4kV駆動には4.8kVの部品に加えて余裕が必要となり、3kV駆動には6kVの部品が必要となる。

Q2：規制において、ステージ数がそれほど重要な理由は何ですか？

ドループ項には3乗の係数が含まれているため、100 kHz、1 段あたり 4.7 nF、負荷 1 mA で、5 段のドループは 202 V、4 段のドループは 106 V となり、(4N³ + 3N² − N) は 570 から 300 に低下します。

Q3：体積ベースで、セラミックはフィルムをどの程度置き換えるのでしょうか？

N4700セラミックは0.4～1.2 J/cm³の熱量を蓄積するのに対し、フィルムは0.1 J/cm³であり、誘電体体積で3～8倍の差がある。組み立てられた12 kVのバンクは、400～800 cm³から約210 cm³に縮小され、47%～74%の削減となる。

Q4：圧縮乗数はどのホットスポットに到達しますか？

ステージ、ダイオード、トランスが1つの小さな空洞を共有している場合、周囲温度40℃の環境下で100℃を超える温度になります。ステージをシャーシに固定された共通の放熱板に取り付けると、温度は20℃から30℃低下します。

Q5：バッテリー残量が少なくなっても、出力を維持するにはどうすればよいですか？

バッテリーとインバーターの間に小さな昇圧段を設けることで、交流ピーク値を一定に保ちます。バッテリー電圧の低下は交流振幅の10～20%を占め、昇圧段を設けることで放電曲線の終盤における安定した点火電力を確保するための効率が2%向上します。

Q6：携帯型乗算器に適した資格とは？

機械的および気候的ストレスの複合試験：6軸に30gの衝撃を与え、85℃、相対湿度85%の環境下で500時間、さらに5,000回の熱サイクルを繰り返す。試験後、部分放電（PD）は5pC未満、静電容量は±2%以内であることが求められる。

7。 リファレンス

1. E. クッフェル、WS ザングル、J. クッフェル、 高電圧工学の基礎第2版​​、ニューネス、2000年。
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10. アンドレアス・キュヒラー、 高電圧工学：基礎 - 技術 - 応用。ベルリン: Springer Vieweg、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