用于便携式激光切割机的微型化高压倍压器

用于便携式激光切割机的微型化高压倍压器

抽象

便携式激光器与柜式激光器一样，需要3 kV至15 kV的激励电压，但其封装尺寸便于技术人员携带，高压倍增器决定了封装尺寸。本文阐述了平台和下垂计算方法、薄膜平台和陶瓷平台之间的体积权衡、压缩带来的热损耗和机械损耗，以及确保现场可靠性的认证流程。

1. 引言

便携式激光系统，包括手持式打标枪、背包式光纤激光器和移动维修单元，已经走出机房，进入现场服务、造船厂和现场制造等领域。它们能够提供与工业级设备相同的3 kV至15 kV激励电压，而体积却可以单人携带。

高压倍压器将低压逆变器的输出转换为直流电，其倍压幅度由电容器决定。考克罗夫特-沃尔顿拓扑结构是这里的核心：N级二极管-电容对将交流输入信号倍增至其峰值的N倍。

要将 2.4 kV 交流电源转换为 12 kV，需要五级放大，并且每级电容器必须能承受两倍于该级电压的容量。薄膜元件的储能密度为 0.1 J/cm³，因此仅各级电容器就占用 400 至 800 cm³ 的空间，重量为 1.5 至 3 kg，这使得倍压器本身必须作为一个独立的模块。

小型化是此类产品得以实现的关键。节省下来的每一立方厘米和每一克重量都转化为更长的电池续航时间、更舒适的携带体验和更小的机身。然而，压缩也会带来一些弊端，本文将量化这些弊端，并介绍如何通过设计来避免它们。

2. 核心机制

2.1 负载下的输出电压

连续波放大器在传输电流时会损失电压，并且损耗会随着级数的增加而急剧增加：

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

其中 V_droop 为稳压损耗，I_load 为负载电流，f 为驱动频率，C_stage 为级电容，N 为级数。当 N = 5，f = 100 kHz 且 C_stage = 4.7 nF 时，1 mA 的负载会使 12 kV 的输出电压损失 202 V，其原因在于三次项。

2.2 来自更高交流输入的级压缩

提高交流峰值电压可以减少级数：当峰值电压 V_peak = 3 kV 时，四级可提供 12 kV 的电压，此时每级电容的容压为 6 kV 而非 4.8 kV。在相同的驱动电压和相同的 4.7 nF 级电容下，1 mA 电流下的电压降为 106 V，这是因为 (4N³ + 3N² − N) 项从 570 降至 300。级数减少也意味着二极管数量减少、连接点减少以及堆叠高度降低。

2.3 储存能源与交易量

每一级电容器都储存着介质体积所能容纳的能量：

E_stage = ½ × C_stage × V_stage²

其中 E_stage 表示一级介质中存储的能量，C_stage 表示一级介质的电容，V_stage 表示一级介质两端的电压。一个电容为 4.7 nF、电压为 4.8 kV 的一级介质可以存储 54 mJ 的能量。容纳给定能量的介质体积与材料的能量密度成正比：

V_bank ∝ 1 / E_v

其中 V_bank 为电容元件所占体积，E_v 为体积能量密度。薄膜介质的储能密度为 0.1 J/cm³；N4700 陶瓷的储能密度为 0.4 至 1.2 J/cm³，因此相同的储能密度只需 3 至 8 倍的介质即可实现。这使得在相同的 12 kV 额定电压下，电池组的体积从 400 至 800 cm³ 减少到约 210 cm³。

2.4 开关带中的自谐振

便携式逆变器在 50 kHz 到 200 kHz 之间切换以缩小变压器尺寸，因此该级电容器在该频段内必须保持容性：

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

其中 f_self 为自谐振频率，L_ESL 为等效串联电感，C_stage 为级电容。一个封装电感为 25 nH 的 1 nF 级在 31.8 MHz 时仍保持容性，该频率是驱动频率的 300 多倍，而绕线薄膜器件在该频率下已经转为感性。

图 1 — 在 100 kHz 和每级 4.7 nF 时，五级在 2.4 kV 压降时为 202 V，在 1 mA 时为 202 V，四级在 3 kV 压降时为 106 V。

3. 工程痛点

痛点一：薄膜电容器的体积限制了便携式设计理念。

一台 12 kV 薄膜电容器 CW 倍压机的体积为 400 至 800 cm³，重量为 1.5 至 3 kg。加上电池，该系统超过了随身携带的限制，并且操作人员在一小时内就会感到疲劳，因此倍压机的体积成为了产品的限制。

痛点二：缩小包装尺寸会增加热点。

将倍频器压缩到 210 cm³ 的体积，减少了热量散失的表面积。每个在 100 kHz 频率下耗散 0.5 至 1 W 功率的级电容器与二极管和变压器共用一个腔体，在 40 °C 的环境温度下，热点温度超过 100 °C。

痛点3：现场振动和搬运应力导致的脆性陶瓷

便携式设备会经受跌落、在震动的车辆上运输以及放置在不平坦的地面上。陶瓷外壳必须能够承受柜式设备永远不会遇到的机械环境，否则，小型化虽然节省了体积，却会因现场故障而付出代价。

痛点 4：电池电量下降会导致负载下输出不稳定

随着电池放电，逆变器的交流输出电压会下降10%到20%，而倍压器的调节项会进一步增加与负载电流成正比的电压降。此时，当操作员请求全功率输出时，输出电压会低于可靠等离子体点火的阈值。

4. 设计步骤

策略一：使用N4700一级陶瓷材料搭建舞台

陶瓷级电容器，载流子浓度为 0.4 至 1.2 J/cm³，可将五级 12 kV 电容器组压缩至约 210 cm³，与 400 至 800 cm³ 的薄膜电容器组相比，容量减少了 47% 至 74%。它们的温度系数为 ±30 ppm/°C，损耗因子为 0.1% 或更低。构建电容器组时，请使用以下材料： N4700 额定电压为额定电压两倍加余量的光盘。

策略二：提高交流输入功率并减少级数

将交流峰值电压从 2.4 kV 提高到 3 kV，级数从五级减少到四级。元件数量也随之减少，1 mA 电流下的电压降从 202 V 降至 106 V，每级电压由 4.8 kV 降至 6 kV。元件数量也相应减少。 快速恢复二极管 堆叠式安装更便捷，密封接头更少。四级链式结构是12 kV便携式输出的最佳体积配置。

策略三：将倍频器与散热器连接

将级电容器和二极管安装在带有硅胶垫的公共散热板上，并将该散热板固定到机箱上。现场测量表明，这种布置方式可将倍频器热点温度降低 20°C 至 30°C，从而弥补了因压实而缩短的电容器寿命。 门把手电容 螺钉端子本体直接用螺栓固定在输出节点的板上。

策略 4：采用柔性支撑进行振动封装

将倍增器封装在柔软的导热化合物（例如硅胶系统）中，这样既能缓冲机械冲击，又能同时将元件与基板连接起来。这种柔性封装可以将跌落和振动环境转变为脆性陶瓷体能够承受的环境。

策略五：在倍增器之前增加一个加速阶段

在电池和逆变器之间插入一个小型升压转换器，使交流峰值电压在整个放电曲线上保持在 3 kV。这样可以消除电压骤降导致的输出下降，虽然效率会降低 2%，但为了在电池剩余电量的最后阶段获得稳定的点火功率，这点损失是值得的。

策略 6：通过冲击和热循环进行资格赛

对便携式倍增器进行六轴 30 g 冲击、85°C 和 85% RH 湿热 500 小时以及 5,000 次热循环测试。PD 低于 5 pC 且电容在 ±2% 以内的部件符合现场服务要求； 薄膜电容器 银行对交易的金额和质量限制没有统一规定。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	500V直流电压下电阻大于10GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 用于便携式乘法器的 HVC N4700 电容器

该节点的选择取决于三个要求：每立方厘米能量、输出级电压梯形结构以及在场温变化范围内保持稳定的电容。HVC 在东莞一座占地 6,000 平方米的自有工厂内，采用 SrTiO3 基板，生产适用于该节点的 N4700 (T3M) I 类器件，电压范围为 1 kV 至 100 kV。

这里需要考虑的六个参数

• 便携式放大器之所以成为可能，关键在于其高能量密度。N4700陶瓷在6 kV至10 kV电压下可存储0.4至1.2 J/cm³的能量，这正是倍压器从需要外壳的小型放大器到大型放大器之间的区别所在。
• 紧凑型高压额定值。从 6 kV 级电容器到 40 kV 输出元件，HVC 涵盖了整个倍压梯形电路，封装尺寸小巧，适合手持式组件。
• 在各种现场温度下均能保持稳定的电容值。±30 ppm/°C 的系数可使级电容值在从 -20 °C 的冬季环境到 50 °C 的船厂甲板等各种温度下保持在 0.5% 以内，因此调节曲线不会随天气变化而改变。
• 额定电压下局部放电低于 5 pC。工厂筛选可防止压缩链条压缩其绝缘裕量。
• 低静电放电封装。低于 30 nH 的静电放电可确保便携式逆变器在 100 kHz 及更高开关频率下保持高效运行，从而缩小变压器的尺寸。
• 适用于现场维修项目的合格即插即用型产品。可提供配套组件和定制值，HVC部件的电气参数和封装尺寸均符合要求。 村田 用于光刻光源维修的螺钉式电容器。

交付和支持

标准规格产品交货期为 4-8 周，定制电压和电容组合产品交货期为 6-10 周。HVC 应用工程团队提供级电容器选型、能量密度计算、散热安装和振动测试方案设计等方面的支持。

请提供输出电压和电流、交流驱动幅值和频率、所需级数、环境温度、机箱容积以及数量。HVC 将在五个工作日内返回包含能量密度数据、PD 报告和用于原型验证的样品的级物料清单。

6. 常见问题

问题1：12 kV便携式输出需要多少级CW？

五个电容器的交流峰值电压为 2.4 kV，四个电容器的交流峰值电压为 3 kV。每个级电容器的电压是该级电压的两倍，因此 2.4 kV 的驱动需要 4.8 kV 的元件加上裕量，而 3 kV 的驱动需要 6 kV 的元件。

Q2：为什么舞台数量对监管如此重要？

因为下垂项具有三次因子。在 100 kHz、每级 4.7 nF 和 1 mA 负载下，五级下垂为 202 V，四级下垂为 106 V，(4N³ + 3N² − N) 从 570 降至 300。

Q3：从体积上看，陶瓷可以替代多少薄膜？

N4700陶瓷的能量存储密度为0.4至1.2 J/cm³，而薄膜的能量存储密度为0.1 J/cm³，介质体积相差3至8倍。组装后的12 kV电池组体积从400至800 cm³降至约210 cm³，减少了47%至74%。

Q4：压缩乘数能达到什么热点？

在 40°C 的环境温度下，当各级电路、二极管和变压器共用一个狭小的腔体时，温度会超过 100°C。如果将各级电路安装在与机箱相连的公共散热板上，温度可以降低 20°C 到 30°C。

Q5：电池电量下降时，如何保持输出功率？

通过在电池和逆变器之间增加一个小的升压级来保持交流峰值电压恒定。电池电压骤降会造成交流幅值的 10% 到 20%，而升压级会使放电曲线末端的稳定点火功率效率降低 2%。

Q6：便携式乘法器需要具备哪些资质？

机械和气候综合应力：六个轴向30g冲击，85℃、85%相对湿度下500小时，以及5,000次热循环。试验后，要求PD低于5pC，电容变化在±2%以内。

7。 参考

1. E. Kuffel、WS Zaengl、J. Kuffel 高电压工程基础知识，第 2 版，Newnes，2000 年。
2. N. Mohan、TM Undeland、WP Robbins 电力电子学：变换器、应用和设计，第 3 版，Wiley，2003 年。
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8. ABP系列高功率连续波光纤激光器用户指南（RFL-C3000XZ…RFL-C12000XZ），锐科，http://en.raycuslaser.com/upload/20220303/1ft7e5hfqtll149o12.pdf。
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10. 安德烈亚斯·库赫勒 高电压工程：基础知识 - 技术 - 应用。柏林：Springer Vieweg，2017。
11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com