在半波电压倍增器/四倍增器和准分子激光系统中使用高压瓷片电容器

激光系统对其组件（尤其是功率传输电路）可能提出极高的要求。在能量存储与释放过程中，圆盘电容器是一个很好的选择，因为它们具备高电容、低损耗因数等优点。在本文中，您将了解来自Vishay的最新圆盘电容器技术概况，此技术适用于高达50kV的高压应用。

介绍

高压圆盘电容器被广泛应用于多种要求高达 50 kV 工作电压能力、超过 5000 pF 电容值、低电感以及损耗因数（DF）低于 0.5% 的场合。在本白皮书中，我们将重点讨论其在激光系统中的能量存储和释放应用。此外，还将探讨半波电压倍增器的应用，它是一种由两个二极管、两个电容器和一个交流输入电压源组成的电压倍增电路。这类电路广泛应用于 X 射线系统、高压电源、粒子加速器和离子泵等众多领域，其输出电压幅度是输入电压幅度的两倍。此外，我们还将探讨其在电压四倍器中的应用，电压四倍器包含一个额外的二极管-电容器级。

半波电压倍增器

半波电压倍增器的电路图如下图所示。在正半周期间，二极管D1处于正向偏置，因此电流通过它流动。这股电流将流向电容器C1，并将其充电至输入电压的峰值VM。然而，电流不会流向电容器C2，因为二极管D2处于反向偏置状态。因此，二极管D2阻止了流向电容器C2的电流。因此，在正半周期间，电容器C1被充电，而电容器C2未被充电。

在负半周期期间，二极管D1处于反向偏置状态。因此，在负半周期期间，电容器C1不会充电。然而，存储在电容器C1中的电荷(Qm)会被放电。在负半周期期间，二极管D2处于正向偏置状态，因此电容器C2会充电至2 VM，因为输入电压VM和电容器C1的电压VM叠加后加在了电容器C2上。因此，在负半周期期间，电容器C2由输入电源电压VM和电容器C1上电压共同充电。
因此，电容器C2充电至2 VM。
如果在输出端连接了负载，那么存储在电容器C2中的电荷(2 VM)会被放电并流向输出端。
在下一个正半周期中，二极管D1处于正向偏置状态，而二极管D2处于反向偏置状态。因此，电容器C1会充电至VM，而电容器C2不会充电。然而，存储在电容器C2中的电荷(2 VM)将被放电并流向输出负载。因此，半波电压倍增器会驱动2 VM的电压至输出负载。
设计示例
二极管：2CL74

电容器: HVCC103Y6P202KEAX

对于 VM = 1000 V峰值输入，我们有：Vo = 2(1000 V) = 2 kV

添加额外阶段 - 电压四倍器

通过在电压倍增器电路中增加一个二极管-电容器级，可以得到电压四倍器。因此，通过这样的配置，可以增加N个级数，从而得到输出电压Vo = VMN，其中N是相对于初始电压倍增器增加的级数。电路的工作原理如下：在输入交流信号的第一个正半周期间，二极管D1正向偏置，而二极管D2、D3和D4反向偏置。因此，二极管D1允许电流通过。这个电流将流向电容C1，并将其充电至输入电压的峰值VM。

在第一个负半周期期间，二极管D2处于正向偏置，而二极管D1、D3和D4处于反向偏置。因此，二极管D2允许电流通过。这个电流将流向电容C2并对其充电。电容C2将被充电到输入信号峰值电压的两倍（2 VM）。这是因为在负半周期期间，存储在电容C1中的电荷（VM）被放电。因此，电容C1上的电压（VM）和输入电压（VM）均被叠加到电容C2上。电容电压 + 输入电压 = VM + VM = 2 VM。结果，电容C2被充电到2 VM。

在第二个正半周期期间，二极管D3处于正向偏置，而二极管D1、D2和D4处于反向偏置。二极管D1处于反向偏置，因为C1和D1节点处的电压由于C1上的电压VM变为负值，而二极管D2和D4由于其方向也处于反向偏置。因此，电容C2上的电压（2 VM）被放电。此电荷将流向电容C3并将其充电至相同的电压2 VM。

在第二个负半周期期间，二极管D2和D4处于正向偏置，而二极管D1和D3处于反向偏置。因此，存储在电容C3中的电荷（2 VM）被放电。这些电荷将流向电容C4并将其充电至相同的电压（2 VM）。

电容C2和C4是串联的，并且输出电压从串联连接的两个电容C2和C4上测得。电容C2上的电压为2 VM，电容C4上的电压为2 VM。因此，总输出电压等于电容C2电压和电容C4电压的总和。

2 VM + 2 VM = 4 VM = VO

设计示例

二极管：2CL74

电容器：HVCC103Y6P202KEAX

对于 VM = 1000 V峰值输入，我们有：VO = 2(1000 V) + 2(1000 V) = 4 kV

准分子激光器

激光在准分子中产生的原因是它具有一个束缚的（关联的）激发态，但其基态是一个排斥的（解离的）状态。稀有气体如氙和氪具有高度惰性，通常不会形成化合物。然而，当它们处于激发态（通过电放电或高能电子束激发）时，可以暂时与自身形成束缚分子（准分子）或与卤素如氟和氯形成束缚分子（准络分子）。这些激发的化合物会通过自发或受激发射释放多余的能量，结果形成一个强烈排斥的基态分子，该分子会非常快速地解离（在飞秒级时间尺度内）回到两个不结合的原子。这便形成了粒子数反转。

若通过电放电来生成激发态，其基本电路拓扑结构如下，其中储能电容（通常是一个储能阵列）用于闪光灯。

文中提到的电容器组可以使用Vishay的715C系列第2类陶瓷圆盘电容器配置，选择时需根据适当的电容值、电压额定值和陶瓷类型进行选型。
在脉冲应用中为电容器充电的最常用方法是完全放电和部分放电。完全放电，顾名思义，是指每次放电前电容器都会被完全放电至零。随后启用电源，将电容器充电至设定电压，并重复这个放电循环。在这种情况下，高压开关通常使用SCR（可控硅），对于更高电压的应用则使用Thyratron（钍霓管）开关。
部分放电方法利用半导体开关来控制电容器向负载的放电开关，从而使设计师可以改变脉冲宽度以及传递的能量。指定的电容器一般足够大，因此每次放电仅消耗其能量的一小部分，因此被称为“部分放电”。在这两种情况下，都可以使用标准公式来确定电源大小并计算充电时间。估算某个应用所需能量的最简单方法是使用这些公式。
设计示例：2.5 kV 脉冲
电源：Lumina CCPF-1500-XX

电容器：Vishay 715C10KTD80

对于一个使用20个电容器的电容组系统，每个电容器为8000 pF，总电容为 C = 0.16 μF。将该电容组充电至2.5 kV后，每个脉冲的能源如下：

能源/脉冲 = 1/2 CV² = 0.5(1.6 x 10^-5F)(2500 V)² = 50 j

电容器将先充电，然后放电至系统的闪光灯中。此充电/放电过程的频率即为重复频率（rep-rate）。因此，充电速率的计算公式为：

充电速率 = （能源/脉冲）（重复频率）

其中：

C 是电容，单位为法拉

V 是所需充电电压

重复频率为 Hz

对于一个20 Hz的系统，且每个脉冲的能源如上所述：

充电速率 = （50 j）（20 Hz） = 1000 j/s

此公式未考虑任何死区时间（稳定时间），而大多数系统通常需要一定的死区时间。因此，对于大多数低重复频率（low rep-rate）的应用，选择稍大一些的电源是更好的选择。在此情况下，1500 j/s 的电源供应器是一个合适的规格。

在部分放电的应用中，电容允许放电的时长决定了需要重新补充电容至设定电压所需的能源。脉冲宽度可以从几百微秒到几十毫秒不等，伴随电压下降（droop）。通常情况下，补充能源的计算可以通过以下公式完成：

E_Recharge = 1/2CL (V²_max. - V²_d)

其中：

V_max. 是最大电压

V_d 是最低下降电压

现在，针对上述系统，如果假设电压降至1 kV，则：

E_Recharge = 0.5(1.6 x 10^-5F)(2500²-1000²)=42 j

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