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可堆叠门把手电容器，适用于高功率激光器的可扩展电压
高功率激光系统的发展代表着人们不断追求突破光能输出极限的过程。
可堆叠门把手电容器：适用于高功率激光器的可扩展电压
工程答案
高功率激光器需要一个能够储存大量能量并将其以快速、高电流脉冲形式释放的电容器组——而且该电容器组需要能够在不重新设计的情况下，从 5 kJ 的原型系统扩展到 50 kJ 的生产系统。可堆叠的门把手电容器正是解决方案：相同的圆柱形陶瓷体，通过螺栓串联以提供电压，并联以提供电容，并通过电阻器在每一级之间进行平衡。串联堆叠使额定电压乘以电容器的数量，并联堆叠使电容倍增，而平衡电阻器则使不完全相同的电容器两端的电压相等。对于 20–150 kV 的电容器组，平衡电阻器的参数应根据漏电流差异和充电时间来确定：漏电流差异越大，所需的平衡电阻就越小。
- 串联电路叠加电压；并联电路叠加电容；主体保持不变。
- 使用尺寸合适的电阻器平衡每个串联级，以控制漏电流。
- 连接负载前，请确认电堆已充满电。
抽象
高功率激光系统不断扩展：泵浦能量从 5 kJ 增长到 50 kJ，存储能量的电容器组也必须随之扩展。可堆叠的门把手电容器将扩展问题转化为机械问题——通过串联更多电容器来增加电压，通过并联更多电容器来增加电容——而电气设计保持不变。本文推导了串联分压和平衡电阻方程，量化了漏电流和电流预算，比较了堆叠式门把手电容器和单个大型电容器组，最后以一个激光研究电容器组从 4 个扩展到 16 个电容器而无需改变任何电气规则的案例作为结尾。
1. 应用背景：银行必须与激光技术共同发展
脉冲激光器的能量与储存的能量成正比，公式为 E = ½CV²。高功率系统通过提高电压 V、电容 C 或两者兼而有之，可以达到数十千焦耳的能量。单个电容器的额定电压是固定的，因此电压的增长必须来自串联堆叠：n 个串联的电容器可以分担 n 个电容器上的总电压。串联堆叠的电容为 C/n，并联堆叠则将其倍增。可堆叠的门把手使得这两种配置都成为硬件问题，而非设计问题。由 m 个并联的 n 个串联电容器组成的堆叠的储存能量为：
串联分压电路永远无法做到完美：每个元件的电容和漏电流略有不同，因此串联电路两端的电压会存在差异。每级电路两端的平衡电阻会使分压趋于相等：
三、技术要求
2.1 分压和平衡。 最坏情况下，总电压除以 n 再加上不平衡量。平衡网络必须保证每个阶段的电压都在其额定范围内：
2.2 放电电流和回路电感。 一台高功率激光器从电池组汲取数十千安培的电流。堆叠互连增加了电感，峰值电流由总回路电感 L 决定：
2.3 烟囱部分放电裕度。 电压分流，但必须逐级检查局部放电裕量。每个元件均按其自身工作电压的1.2倍进行筛选：
图 1 — 带平衡电阻的三体串联堆叠：总电压是本体额定电压的 3 倍，并且每一级都保持在自己的限度内。
3. 工程师痛点（现场反馈）
痛点 1 — 每次都是上层身体最先崩溃。 在六体堆叠电路中，最上面的电容总是最先失效。漏电流的扩散导致顶层过压。根据测得的漏电流扩散值选择合适的平衡电阻，可以平衡分压，故障也就停止了。
痛点 2——规模扩大意味着需要新的设计。 “每一次能源升级都必然导致新的电池组布局。”对于可堆叠电池组而言，升级是机械式的：在电池组中添加一个电池，添加一个平衡电阻，而电气规则保持不变。
疼痛 3 — 随着堆叠的增加，脉搏减慢了。 “串联电池体增加了放电范围。”每个互连体都会增加电感。电池体之间短而宽的母线以及紧凑的堆叠布局，使得随着电池组的增长，回路保持紧密。
4. 堆叠式门把手与单个大型银行的比较
| 属性 | 叠放的门把手 | 单一大型银行 |
|---|---|---|
| 电压可扩展性 | 串联堆叠，模块化 | 固定评级，需要重新设计 |
| 电容可扩展性 | 平行字符串，模块化 | 已修复，自定义构建 |
| 备件物流 | 一个车身，多个备件 | 每个系统的唯一部件 |
| 平衡负担 | 每级电阻 | 无（单个物体） |
| 故障控制 | 一人败下阵来，其余人幸存。 | 整个银行倒闭 |
如何使用此比较方法。 对于能源需求会不断增长的系统而言，堆栈式架构是可扩展的架构。只有当能源需求永久固定不变时，单一的大型存储方案才具有优势。
5. 选择和HVC解决方案
| 职务 | HVC系列 | 电压 | 关键规格 |
|---|---|---|---|
| 堆栈元素 | HVCT8G | 20–150 kV/体 | N4700，平衡堆叠套件 |
| 平衡电阻 | HVR | 5–50 伏 | ±1%，匹配值 |
| 触发/耦合 | 陶瓷盘 | 1–50 伏 | 径向导线，1 类 |
| 整流器 | HVD | PIV 2–20 kV | 快速恢复 |
① 可直接连接的电压。 该系列堆叠将评级乘以主体数量，因此无需重新设计即可随着激光器的扩展而扩展。
② 保护每个阶段的平衡。 匹配的平衡电阻器使每个元件保持在额定范围内，从而消除了导致未堆叠串联电路崩溃的顶层故障。
③ 一个身体，所有系统。 5 kJ 原型机和 50 kJ 生产型机采用相同的门把手本体，简化了备件和物流。
6. 工程案例研究（参考资料）
随着实验能量从 5 kJ 增加到 20 kJ，一个激光研究小组将其闪光灯组从 4 个门把手灯体扩展到 16 个。串联的灯组需要平衡电阻；他们测量了灯体的漏电流，并据此确定了分压器的尺寸：
| 测量参数 | 之前（4体，未堆叠） | （16 体堆叠）之后 |
|---|---|---|
| 总电压 | 4 × V_body | 16 × V_body |
| 级电压扩展 | ±18％ | ±4％ |
| 顶层故障率 | 每1个月6 | 0 年 2 年 |
| 银行能源 | 5千焦 | 20千焦 |
| 需要重新设计 | - | 没有 |
可堆叠式门把手将能源升级变成了一项机械工程。同样的门把手主体，同样的平衡规则，容量却在无需任何电气设计改动的情况下增加了四倍。
7. 设计考虑
- 平衡各阶段： 根据测量的泄漏范围确定 R_balance 的大小；切勿以未堆叠的方式运行系列字符串。
- 保持循环简短： 宽而短的互连线能够随着堆叠的增长快速保持脉冲信号。
- 筛查尸体： 验证在各级工作电压的 1.2 倍下，PD < 5 pC。
验证清单
- 测量每个物体的漏电流，并确定平衡电阻的规格。
- 对整个堆栈进行充电，并验证各级电压是否在相等电压的±5%以内。
- 以设计能量引燃整个堆栈，并记录放电波形。
- 进行 100,000 次拍摄，并检查平衡电阻器的漂移情况和本体的 PD 情况。
8。 参考
- [1] W. Koechner， 固态激光工程，第 6 版，Springer，2006 年。
- [2] 蓝信钜等，《激光技术》(激光技术)，科学出版社(科学出版社)，第3版，2014年。(中文学术教材)
- [3] J. Markel 等人，“用于闪光灯泵浦激光器的高压电容器”，载于 IEEE脉冲功率会议论文集2009。
- [4] IEC 60384-1， 电子设备用固定电容器——第1部分：通用规范IEC，2018。
- [5] 村田制作所， 高压陶瓷电容器：脉冲应用，《村田应用手册》，2019年。（品牌应用手册）
- [6] D. Bortis、J. Biela、JW Kolar，“串联超级电容器有源平衡网络的设计与控制”， IEEE 电力电子学报，第 25 卷，第 8 期，2010 年。（期刊文章）
相关HVC产品页面： 电容器交叉参考.