Высоковольтные керамические конденсаторы для твердотельных генераторов тока следующего поколения

Высоковольтные керамические конденсаторы для твердотельных генераторов тока следующего поколения

Резюме

Производители трансформаторов тока переходят от резервуаров с масляным охлаждением к полностью твердотельным генераторам, переключающимся на частотах от 200 кГц до 1 МГц с использованием SiC и GaN. Удаление масла позволяет конденсатору самостоятельно справляться с изоляцией, тепловым потоком и механической нагрузкой. В этой статье приводятся уравнения потерь, тепловых характеристик и характеристик поля на границе раздела фаз, три пути отказа, а также технические характеристики конденсатора, обеспечивающие точность твердотельного генератора трансформатора тока в пределах заданного диапазона киловольт.

1. Введение

В высоковольтных генераторах с трансформаторами тока с 1970-х годов используются резервуары, погруженные в масло. Трансформатор, выпрямительная цепь, фильтрующие конденсаторы и защитные резисторы находятся в изоляционном масле. Такая конструкция является отработанной и надежной. Однако она также влечет за собой увеличение объема, веса, риск утечки масла и высокие затраты на утилизацию.

Мобильные КТ, КТ в транспортных средствах и КТ на месте оказания медицинской помощи способствуют снижению веса и объема генераторов. В полностью твердотельных генераторах отсутствует жидкость, вместо нее используется твердая, газовая или вакуумная изоляция. Кроме того, они переключаются быстрее, поскольку SiC MOSFET и GaN HEMT заменяют IGBT, работавшие на частоте 20–50 кГц.

Согласно прогнозам отрасли, к 2030 году доля полностью твердотельных генераторов в новых установках трансформаторов тока превысит 30%, по сравнению с менее чем 5% сегодня. Выгода реальна. Более высокая частота переключения уменьшает размеры магнитных компонентов, а твердотельный модуль не требует смазки. Однако, каждый пассивный компонент теперь выполняет три функции.

В данной статье рассматриваются уравнения потерь, тепловых процессов и поля на границе раздела фаз, три пути отказа, следующие за удалением масла, а также технические характеристики конденсаторов и условия испытаний, позволяющие твердотельному генератору трансформаторов тока оставаться в пределах допустимого диапазона напряжения (кВ).

2. Основной механизм

2.1 Частота переключения и плотность мощности

SiC MOSFET и GaN HEMT переключаются с частотой от 200 кГц до 1 МГц. IGBT переключается с частотой 20–50 кГц. Магнитный объем уменьшается с увеличением частоты:

V_mag ∝ 1 / f_sw

где V_mag — объем магнитной составляющей, а f_sw — частота переключения. При 500 кГц сердечнику трансформатора требуется примерно одна десятая объема по сравнению с 50 кГц.

Более быстрый фронт сигнала приводит к изменению dv/dt на 10–50 кВ/мкс и соответствующему изменению di/dt. Конденсатор должен обладать низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESL) и стабильной емкостью на этих частотах. В противном случае он становится пределом эффективности каскада.

2.2 Электрическая и тепловая связь в твердой изоляции

В отсутствие масла изоляцию обеспечивают эпоксидные смолы, полиимиды, керамика и конструкционные пластики. Эти твердые вещества обладают более высоким пробивным полем, чем масло. Их теплопроводность значительно ниже: у эпоксидной смолы она составляет 0.2–0.5 Вт/(м·К), а у керамики на основе оксида алюминия — 20–30 Вт/(м·К). Тепло накапливается вблизи сердцевины детали.

Диэлектрические потери конденсатора под воздействием высокочастотного импульса составляют:

P_loss = 2π · f_sw · C · V² · tanδ

где f_sw — частота переключения, C — емкость, V — среднеквадратичное напряжение на компоненте, tanδ — тангенс угла диэлектрических потерь, а P_loss — рассеиваемая мощность.

Примите f_sw = 500 кГц, C = 1 нФ, V = 10 кВ и tanδ = 0.2%. Тогда P_loss ≈ 0.63 Вт в одной части. В упакованном твердотельном модуле тепловой поток достигает нескольких Вт/см², поэтому тепловая траектория корпуса определяет температуру в самой горячей точке.

2.3 Электрическое поле на границе раздела в твердой изоляции

Керамические, эпоксидные, металлические электроды и подложка печатной платы имеют очень разные диэлектрическую проницаемость и проводимость. Электрическое поле концентрируется на границах раздела. Рассмотрим границу раздела керамика-эпоксид с ε_ceramic = 1500 и ε_epoxy = 4:

E_epoxy / E_ceramic = ε_ceramic / ε_epoxy ≈ 375

где E_epoxy — поле в слое эпоксидной смолы, E_ceramic — поле внутри керамики, а ε — относительная диэлектрическая проницаемость каждого материала.

В слое компаунда поле, в 375 раз превышающее исходное, вызывает частичный разряд в воздушных зазорах и дефектах. Формирование электродов, функционально-градиентный материал и слои с переходом диэлектрической проницаемости снижают пиковое значение поля. Целевой показатель — коэффициент концентрации поля ниже 2.0.

Скорость переключения 2.4 кВ и чистота формы сигнала.

Спектральная КТ и кардиоКТ переключаются между напряжениями 80, 100, 120 и 140 кВ в течение миллисекунд. Перерегулирование напряжения должно оставаться ниже 5%. Конденсатор является накопителем энергии, поэтому скорость его заряда и разряда определяет время установления напряжения. Емкость, превышающая допустимое смещение, изменяет коэффициент усиления контура обратной связи и добавляет перерегулирование.

ΔV = I · Δt / C

где I — ток нагрузки, Δt — длительность импульса, C — емкость, а ΔV — падение напряжения на шине. Для нагрузки 600 мА в течение 2 мс для падения напряжения ниже 600 В требуется C ≈ 2 мкФ.

Рис. 1 — Траектория распространения напряжения от края SiC с энергией 50 кВ в микросекунду через диэлектрические потери 0.63 Вт до разряда на границе раздела.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Тепловой путь теряет конвекцию.

Масло отводит тепло конвекцией. Твердотельный модуль должен отводить его теплопроводностью через тепловые прокладки, тепловые трубки или холодную пластину. Когда конденсаторный блок имеет низкую теплопроводность, внутренняя горячая точка находится на 30–50 °C выше температуры окружающей среды. Это повышение ускоряет старение диэлектрика и увеличивает ток утечки. Твердотельный модуль 2026 года работает с тепловым потоком выше 3 Вт/см², который стандартный эпоксидный корпус не может компенсировать.

Проблема 2: Более высокая скорость срабатывания конденсатора снижает его нагрузку на конденсатор.

На платах из SiC и GaN наблюдается dv/dt 10–50 кВ/мкс. На плате из IGBT — 2–5 кВ/мкс. В универсальной керамической детали при более высокой скорости разряда наблюдаются частичные разряды и усталость концевых электродов. В возвращенных образцах была выявлена ​​причина: расслоение электродов на границе с керамикой, при этом уровень частичных разрядов превышал 40 пКл. Решением является специализированная деталь с низкими потерями и низким уровнем остаточного уровня.

Проблема 3: Расстояние между изоляторами в компактной компоновке.

В твердотельной электронике стремятся к минимальному объему, поэтому расстояние между компонентами уменьшается. Без масла для буферизации поля твердые поверхности и воздушные зазоры разряжаются вдоль поверхности. Поверхностный разряд затем разрушает заливочный слой и снижает напряжение возникновения частичных разрядов. Расстояние утечки, материал корпуса и формирование поля должны быть рассчитаны с учетом меньших габаритов.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использование керамической оболочки с высокой проводимостью.

Тепловое сопротивление нитрида алюминия составляет около 170 Вт/(м·К), в то время как у оксида алюминия оно составляет 20–30 Вт/(м·К), а у эпоксидной смолы — около 0.3 Вт/(м·К). Оболочка из нитрида алюминия, расположенная снаружи керамического сердечника N4700, с торцевыми электродами, изготовленными методом спекания серебра, снижает тепловое сопротивление конденсатора более чем на 50%. Именно этот запас позволяет компенсировать тепловой поток в 3 Вт/см².

Стратегия 2: Усовершенствование диэлектрической формулы класса I.

Целевые показатели для следующей формулировки — тангенс угла диэлектрических потерь ниже 0.1% при 500 кГц и 25 °C, а также эффективный коэффициент рассеяния ниже 0.15% при номинальном напряжении и 100 кГц. Температурный коэффициент емкости должен оставаться неизменным в диапазоне от −55 °C до +150 °C. Используется диэлектрик класса I, например... N4700 Сегодня этот показатель составляет ±30 ppm/°C, а на следующем этапе верхний предел будет расширен до +150 °C.

Стратегия 3: Интегрировать конденсаторы, резисторы и диоды в один модуль.

Разместите несколько высоковольтных конденсаторов, балансировочные резисторы и защитные диоды на общей керамической подложке или внутри одного металлического корпуса. Интеграция исключает внешнюю проводку и связанную с ней паразитную индуктивность. Это также снижает стоимость сборки и повышает воспроизводимость модуля от устройства к устройству.

Стратегия 4: Совместное моделирование каскада с широкозонным источником и конденсатора.

В одной модели можно смоделировать коммутирующее устройство, паразитные параметры печатной платы и частотную характеристику конденсатора. Эта модель задает демпфирующий резистор и фильтр электромагнитных помех. Охватывает номинальный режим работы, запуск, выключение и защиту от неисправностей. Используйте низкоиндуктивный резистор для выборки, например, HVRGXP в текущем контуре, поэтому измерение не добавляет индуктивности петли.

Стратегия 5: Создать модель ускоренного срока службы для твердотельной системы.

Проведите комбинированное испытание при высокой температуре, высокой влажности, высоком поле и высокочастотных импульсах. Условия 85–125 °C, 85 % относительной влажности, 0.5 кВ/мм или более и 100 кГц или более, поддерживаемые в течение 1000 часов, показывают дрейф емкости, ЭПР, частичных разрядов и напряжения пробоя. Аппроксимируйте результаты с помощью модели Аррениуса и модели обратной степенной зависимости:

L = L_0 · (V_0 / V)^n · exp[(E_a / k) · (1/T − 1/T_0)]

где L — срок службы в условиях эксплуатации, L₀ — срок службы в условиях испытаний, V — приложенное напряжение, n — показатель степени ускорения напряжения (7–12 для керамики), Ea — энергия активации, k — постоянная Больцмана, и T — абсолютная температура.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для твердотельных узлов генератора трансформаторов тока.

Для твердотельного генератора необходим конденсатор, который мало теряет мощность на частоте 500 кГц, сохраняет свои значения в диапазоне температур от −55 °C до +150 °C и проходит проверку на частичный разряд с порогом 5 пКл. Компания HVC производит компоненты N4700 для всех трех параметров на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение tanδ ниже 0.1% при 500 кГц. Низкие потери на частоте переключения обеспечивают охлаждение компонента, поэтому горячая точка остается ниже предела в 125 °C, а диэлектрик не стареет быстрее, чем предсказывает модель.
• Диапазон температурной зависимости ±30 ppm/°C, расширенный до +150 °C. Фильтр и резонансные точки сохраняются во всем диапазоне работы корпуса, поэтому петля кВ не перенастраивается при нагреве модуля.
• ESL ниже 25 нГн. HVCT8G и HVCT9G Последовательное соединение ограничивает колебания, которые в противном случае вызвал бы фронт напряжения 50 кВ/мкс на шине.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении в 1.5–2 раза превышающем номинальное, по запросу — до 2 пКл. Разряд на границе раздела является первым путем отказа в твердотельном модуле, поэтому уровень разряда на экране определяет срок службы модуля.
• Подобраны компоненты. HVR-BSP толстопленочные резисторы для разделителя, быстровосстанавливающиеся диоды для выпрямителя и цепи свободного хода, а также пленочный конденсатор Класс конденсаторов для звена постоянного тока можно выбрать в виде единого комплекта.
• Поддержка перекрестных ссылок. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Vishay HVCC, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV используются в крупномасштабном производстве медицинского оборудования для визуализации для компаний из списка Fortune 500.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты демпфирования, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в выборе диэлектрика, моделировании поля, проектировании тепловых путей и разработке плана ускоренного срока службы модели.

Отправьте напряжение модуля, частоту переключения, условия окружающей среды и охлаждения, а также целевой срок службы. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист подбора конденсаторов с номерами деталей, данными tanδ и ESR на рабочей частоте, а также набор из двух образцов для оценки.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему компания CT переходит на полностью твердотельные генераторы?

Погружение в масло влечет за собой увеличение объема, веса, риска утечки и затрат на утилизацию. Твердотельный модуль устраняет все четыре фактора. Он также позволяет осуществлять переключение с частотой от 200 кГц до 1 МГц с использованием устройств на основе SiC и GaN, что уменьшает размеры магнитных компонентов и ускоряет переключение на киловольтах. Компромисс заключается в том, что конденсатор в этом случае несет изоляцию, тепловой поток и механическую нагрузку без использования масла.

В2: Какой коэффициент рассеяния необходим для твердотельного конденсатора с прямым током?

Показатель ниже 0.1% на частоте переключения, измеренный при 25 °C и температуре в точке перегрева. Коэффициент потерь P_loss = 2π · f_sw · C · V² · tanδ масштабируется с частотой, поэтому компонент, показывающий 0.3% на частоте 1 кГц, может рассеивать несколько ватт при 500 кГц и 10 кВ. Экран с показателем 0.1% удерживает точку перегрева в пределах расчетного диапазона.

В3: Как мне добиться того, чтобы поле интерфейса оставалось ниже заданного проектного значения?

Сформируйте электрод таким образом, чтобы поле не сжималось на границе керамика-заполнитель, добавьте переходный слой диэлектрической проницаемости между двумя материалами и экранируйте детали при 5 пКл или ниже. При ε_ceramic = 1500 и ε_epoxy = 4 эпоксидный слой подвергается воздействию поля примерно в 375 раз большего, чем внутри керамики, поэтому разряд начинается на границе раздела.

Вопрос 4: Какой тепловой путь работает без масла?

Керамический корпус из нитрида алюминия (AlN) с электродами, полученными методом спекания серебра, установлен на холодной пластине через тонкую теплоотводящую прокладку. Теплопроводность AlN составляет около 170 Вт/(м·К), поэтому тепловое сопротивление корпуса снижается более чем вдвое по сравнению с корпусом из эпоксидной смолы. Целью является создание горячей точки, температура которой не превышает 30 °C по сравнению с охлаждающей жидкостью.

В5: Как спрогнозировать срок службы твердотельного модуля?

Проведите комбинированный стресс-тест, затем аппроксимируйте модель Аррениуса и обратной степенной модели L = L_0 · (V_0 / V)^n · exp[(E_a / k) · (1/T − 1/T_0)]. Используйте n от 7 до 12 для керамического диэлектрика и E_a из карты данных партии. Тест при одной температуре не учитывает самонагрев пульсаций и повреждение от частичных разрядов, и может давать погрешность в три раза.

В6: Могут ли компоненты HVC заменить снятые с производства компоненты первого уровня?

Да, что касается электрических параметров. Детали HVC N4700 и HVCT8G соответствуют емкости, напряжению, tanδ и уровню PD сериям Vishay HVCC, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV, при этом имеют одинаковые монтажные размеры. Отправьте номер оригинальной детали, и HVC вышлет вам таблицу с перекрестными ссылками и измеренными данными.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Т. Мизутани, Методы измерения пространственного заряда и пространственный заряд в полиэтиленеIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 1, no. 5, pp. 923-933, 1994. https://doi.org/10.1109/94.326659
8. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
9. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com