Utilisation des condensateurs disque haute tension dans les doubleurs/quadrupoleurs de tension à demi-onde et les systèmes laser excimer

Les systèmes laser peuvent imposer des exigences extrêmes à leurs composants, en particulier dans les circuits de distribution de puissance. Pour les processus de stockage et décharge d'énergie, les condensateurs à disque sont un excellent choix en raison de leur haute capacitance, de leur faible facteur de dissipation, et plus encore. Dans cet article, obtenez un aperçu de la dernière technologie de condensateur à disque de Vishay, utilisée dans les applications haute tension jusqu'à 50 kV.

Introduction

Les condensateurs à disque haute tension sont utilisés dans un certain nombre d'applications nécessitant une capacité de tension de fonctionnement allant jusqu'à 50 kV, une capacité de plus de 5000 pF, une faible inductance et un facteur de dissipation (FD) bien inférieur à 0,5 %. Dans ce livre blanc, nous nous concentrerons sur leur utilisation pour le stockage et la décharge d'énergie dans les applications de systèmes laser. De plus, les doubleurs de tension à demi-onde, qui sont des circuits multiplicateurs de tension constitués de deux diodes, deux condensateurs et une source de tension d'entrée AC, seront pris en considération. Utilisés dans une multitude d'applications, y compris les systèmes de rayons X, les alimentations haute tension, les accélérateurs de particules et les pompes à ions, l'amplitude de tension de sortie de ces circuits est le double de l'amplitude de tension d'entrée. De plus, nous explorerons leur utilisation dans les quadrupleurs de tension qui incluent une étape supplémentaire de diode-condensateur.

Doubler de tension à demi-onde

Le schéma de circuit d'un doubleur de tension à demi-onde est illustré dans la figure ci-dessous. Pendant le demi-cycle positif, la diode D1 est polarisée en direct, ce qui permet au courant de passer à travers elle. Ce courant ira au condensateur C1 et le chargera à la valeur maximale de la tension d'entrée VM. Cependant, le courant ne passe pas vers le condensateur C2 car la diode D2 est polarisée en inverse. Ainsi, la diode D2 bloque le courant qui pourrait aller au condensateur C2. Par conséquent, pendant le demi-cycle positif, le condensateur C1 est chargé, tandis que le condensateur C2 reste déchargé.

Lors du demi-cycle négatif, la diode D1 est polarisée en inverse. Par conséquent, pendant le demi-cycle négatif, le condensateur C1 ne sera pas chargé. Cependant, la charge (Qm) stockée dans le condensateur C1 est déchargée. D2 est polarisée en direct pendant le demi-cycle négatif, donc le condensateur C2 se charge jusqu'à une valeur de 2 VM parce que la tension d'entrée VM et la tension du condensateur C1 VM sont ajoutées au condensateur C2. Ainsi, pendant le demi-cycle négatif, le condensateur C2 est chargé par la tension d'alimentation d'entrée VM et la tension du condensateur C1.

Donc, le condensateur C2 est chargé à 2 VM.

Si une charge est connectée au circuit côté sortie, la charge (2 VM) stockée dans le condensateur C2 est déchargée et circule vers la sortie.

Pendant le prochain demi-cycle positif, la diode D1 est polarisée en direct et la diode D2 est polarisée en inverse. Ainsi, le condensateur C1 se charge à VM, tandis que le condensateur C2 ne sera pas chargé. Cependant, la charge (2 VM) stockée dans le condensateur C2 sera déchargée et circulera vers la charge de sortie. Ainsi, le doubleur de tension demi-onde entraîne une tension de 2 VM vers la charge de sortie.

Exemple de conception

Diodes : 2CL74

Condensateurs : HVCC103Y6P202KEAX

Pour VM = 1000 Vpeak d'entrée, nous avons : Vo = 2(1000 V) = 2 kV

Ajout de phases supplémentaires- Quadrupleur de tension

Le quadrupleur de tension peut être obtenu en ajoutant une étape supplémentaire de diode-condensateur au circuit doubleur de tension. Ainsi, avec cette configuration, on peut ajouter N nombre d'étapes pour obtenir une tension de sortie de Vo = VMN, où N est le nombre d'étapes ajoutées au doubleur de tension initial. Le fonctionnement du circuit est le suivant. Pendant la première demi-période positive du signal AC d'entrée, la diode D1 est polarisée directement, tandis que les diodes D2, D3 et D4 sont polarisées inversement. Par conséquent, la diode D1 permet le passage du courant à travers elle. Ce courant va circuler vers le condensateur C1 et le charger à la valeur de crête de la tension d'entrée VM.

Lors du premier demi-cycle négatif, la diode D2 est polarisée en direct et les diodes D1, D3 et D4 sont polarisées en inverse. Ainsi, la diode D2 laisse passer le courant à travers elle. Ce courant va se diriger vers le condensateur C2 et le charger. Le condensateur C2 est chargé à deux fois la tension de crête du signal d'entrée (2 VM). Cela est dû au fait que la charge (VM) stockée dans le condensateur C1 est déchargée pendant le demi-cycle négatif. Par conséquent, la tension du condensateur C1 (VM) et la tension d'entrée (VM) s'ajoutent au condensateur C2. Tension du condensateur + tension d'entrée = VM + VM = 2 VM. En conséquence, le condensateur C2 se charge à 2 VM.
Lors du deuxième demi-cycle positif, la diode D3 est polarisée en direct et les diodes D1, D2 et D4 sont polarisées en inverse. La diode D1 est polarisée en inverse car la tension au nœud de C1 et D1 est négative en raison de la tension VM à travers C1, et les diodes D2 et D4 sont polarisées en inverse en raison de leur orientation. En conséquence, la tension (2 VM) à travers le condensateur C2 est déchargée. Cette charge va se diriger vers le condensateur C3 et le charger à la même tension de 2 Vm.
Lors du deuxième demi-cycle négatif, les diodes D2 et D4 sont polarisées en direct, tandis que les diodes D1 et D3 sont polarisées en inverse. En conséquence, la charge (2 VM) stockée dans le condensateur C3 est déchargée. Cette charge va se diriger vers le condensateur C4 et le charger à la même tension (2 VM).
Les condensateurs C2 et C4 sont en série et la tension de sortie est prise à travers les deux condensateurs en série C2 et C4. La tension à travers le condensateur C2 est 2 VM et le condensateur C4 est 2 VM. Donc, la tension de sortie totale est égale à la somme des tensions du condensateur C2 et du condensateur C4.
2 VM + 2 VM = 4 VM = VO
Exemple de conception
Diodes : 2CL74

Condensateurs : HVCC103Y6P202KEAX

Pour une entrée VM = 1000 Vpeak, nous avons : VO = 2(1000 V) + 2(1000 V) = 4 kV

Lasers Excimer

L'action laser dans une molécule d'excimère se produit parce qu'elle possède un état excité lié (associatif), mais un état fondamental répulsif (dissociatif). Les gaz nobles tels que le xénon et le krypton sont extrêmement inertes et ne forment généralement pas de composés chimiques. Cependant, lorsqu'ils sont dans un état excité (induit par une décharge électrique ou des faisceaux d'électrons à haute énergie), ils peuvent former des molécules temporairement liées avec eux-mêmes (excimère) ou avec des halogènes (exciplex) tels que le fluor et le chlore. Le composé excité peut libérer son excès d'énergie en subissant une émission spontanée ou stimulée, entraînant une molécule dans un état fondamental fortement répulsif qui se dissocie très rapidement (à l'ordre de la picoseconde) en deux atomes non liés. Cela forme une inversion de population.
Dans le cas de l'initiation de l'état excité par une décharge électrique, la topologie de circuit de base est illustrée ci-dessous où le condensateur de stockage, généralement une banque de stockage, est utilisé dans une lampe flash.

La batterie de condensateurs mentionnée peut être configurée avec les condensateurs à disque céramique de classe 2 de la série 715C de Vishay, lorsqu'elle est sélectionnée avec la valeur de capacité, la tension nominale et le type de céramique appropriés.
Les méthodes les plus couramment utilisées pour charger des condensateurs dans des applications à impulsions sont la décharge complète et la décharge partielle. La décharge complète, comme son nom l'indique, permet au condensateur d'être déchargé à zéro pour chaque impulsion. L'alimentation électrique est ensuite activée, le condensateur est chargé à la tension fixée, et le cycle de décharge est répété. L'interrupteur haute tension est généralement un SCR, ou un Thyraton pour des applications à plus haute tension.
La méthode de décharge partielle utilise des interrupteurs à semiconducteurs pour allumer et éteindre la décharge du condensateur vers la charge, permettant au concepteur de faire varier la largeur de l'impulsion ainsi que l'énergie délivrée. Le condensateur spécifié est généralement assez grand pour qu'un petit pourcentage seulement de l'énergie soit prélevé lors de chaque impulsion. D'où le nom "décharge partielle". Dans les deux cas, des formules standard peuvent être utilisées pour déterminer la taille de l'alimentation électrique et calculer le temps de charge. La façon la plus simple d'estimer la quantité d'énergie nécessaire pour une application est d'utiliser ces formules.
EXEMPLE DE CONCEPTION : IMPULSION DE 2,5 kV
Alimentation électrique : Lumina CCPF-1500-XX

Condensateurs : Vishay 715C10KTD80

Pour un système utilisant une banque de 20 condensateurs de 8000 pF par condensateur, nous avons C = 0,16 μF. Et, charger cette banque à 2,5 kV donne l'énergie suivante par impulsion :
Énergie/impulsion = 1/2 CV2 = 0,5(1,6 x 10-5F)(2500 V)2 = 50 j
Les condensateurs seront chargés puis déchargés dans la lampe flash du système. La fréquence de ce processus de charge/décharge est le taux de répétition. Ainsi, le taux de charge est calculé comme suit :
Taux de charge = (énergie/impulsion)(taux de répétition)
Lorsque :
C est le condensateur en farads
V est la tension de charge requise
Taux de répétition en Hz Pour un système de 20 Hz avec l'énergie par impulsion ci-dessus, nous avons :
Taux de charge = (50 j)(20 Hz) = 1000 j/s
Cette formule ne tient pas compte de tout temps mort (temps de stabilisation), qui est généralement requis dans la plupart des systèmes. Ainsi, dans la plupart des applications à faible taux de répétition, choisir une alimentation légèrement plus grande est le meilleur choix. Dans ce cas, l'alimentation de 1500 j/s serait un bon modèle à spécifier.
Dans le cas d'une application de décharge partielle, la durée pendant laquelle le condensateur est autorisé à se décharger détermine la quantité d'énergie nécessaire pour recharger le condensateur à la tension définie. Les largeurs d'impulsion peuvent varier de plusieurs centaines de microsecondes à des dizaines de millisecondes, avec une baisse de tension correspondante. En général, le calcul de l'énergie de recharge peut être effectué à l'aide de la formule :
E_Recharge = 1/2CL (V2 max. - V2 d)
Lorsque :
Vmax. est la tension maximale
Vd est la plus basse tension de baisse
Maintenant, pour le système ci-dessus, en supposant une chute à 1 kV, nous avons :
E_Recharge = 0,5(1,6 x 10-5F)(25002-10002)=42 j

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