Блог о качестве/конденсаторах
Выбор высоковольтных конденсаторов для инверторов ESU мощностью 400 Вт в Японии
Мощность японского электростатического разрядника увеличилась со 150 Вт до 400 Вт, а полоса пропускания расширилась до 350-480 кГц. Проведите проверку по 20 пунктам: тангенс угла диэлектрических потерь 0.15% или ниже на частоте 400 кГц, поверхностная радиочастота выше 5 МГц, сопротивление ИК-излучения выше 10 ГОм, среднее время безотказной работы выше 100 000 ч. 1000-часовая работа при мощности 300 Вт дала температуру 58 °C и 5 FIT.
Выбор высоковольтных конденсаторов для инверторов ESU мощностью 400 Вт в Японии
Инженерный ответ
Каждый элемент электростатического блока (ЭСУ) проверяется по 20 пунктам: 10 обязательных, 7 рекомендуемых, 3 дополнительных. Обязательные параметры включают: тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ) ниже 0.15% на частоте 400 кГц, собственную резонансную частоту выше 5 МГц, сопротивление ИК-излучения выше 10 ГОм, коэффициент демпфирования импульса (PDIV) выше 1.2-кратного номинального напряжения и среднее время безотказной работы (MTBF) выше 100 000 ч. На мостовом испытательном стенде 400 кГц / 300 Вт элементы, соответствующие этим параметрам, работали при температуре 58 °C в течение 1000 ч, при этом тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ) увеличился с 0.08% до 0.09%, а показатель FIT составил 5. Два конкурирующих элемента достигли температуры 79 °C и 91 °C, а показатель FIT составил 28 и 45 соответственно.
- Перед тем как приступить к тестированию, ознакомьтесь с 10 обязательными пунктами.
- Установите значение tan δ ниже 0.15% на частоте 400 кГц, а не на частоте 100 кГц.
- Для диапазона 350–480 кГц поддерживайте частоту SRF выше 5 МГц.
- Перед установкой деталей установите ограничение по размеру (FIT).
- Запросите отчет за 1000 часов работы при полной нагрузке.
Резюме
Мощность японских электростатических излучателей (ЭСУ) выросла со 150 Вт до 400 Вт, а в перспективе — до 600 Вт, при этом расширился диапазон частот до 350–480 кГц. Вместе с этим возросли тепловые и пульсационные нагрузки, а изменение стандарта IEC 60601-2-2 в 2023 году повысило требования к изоляции. В этой статье изложена 20-пунктная проверка, используемая при выборе компонентов, типы нагрузок, влияющие на срок службы компонентов, и сравнительные данные за 1000 часов работы при частоте 400 кГц и мощности 300 Вт.
1. Введение
Мощность электростирольных блоков быстро росла. Средняя мощность проданных в 2015 году блоков составляла 150 Вт. К 2023 году этот показатель достиг 280 Вт, на 2026 год была поставлена цель достичь 400 Вт, а 600 Вт находятся на стадии изучения. Объём продаж за пять лет снизился на 30%, поэтому теперь тот же самый блок обладает большей мощностью.
Рабочий диапазон частот изменился вместе с этим. Фиксированная частота исчезла, и теперь диапазон составляет от 350 кГц до 480 кГц. Контроль обратного электрода (REM) используется на 98%. В результате увеличивается нагрев, пульсации тока и сложность работы для каждого участника контура.
Проблема поставок создает дополнительную сложность. Два давно существующих бренда создали пробел: компания HEC сменила владельца, и ее поставки нестабильны, а сроки поставки от Vishay превышают 26 недель. Ожидание комплектующих задерживает весь процесс сборки.
В правила добавлен третий пункт. Стандарт IEC 60601-2-2:2023 ужесточает пределы сопротивления изоляции, утечки и ползучести. Многие детали, продававшиеся как соответствующие требованиям до 2020 года, больше не проходят проверку. Список деталей, составленный в 2019 году, нуждается в полной перепроверке.
2. Основной механизм
2.1 Резонансный инвертор с полным мостом
Практически в каждом электростатическом усилителе мощностью 400 Вт используется полномостовой резонансный каскад. Четыре переключателя управляют трансформатором, а резонансная катушка и её часть расположены на вторичной обмотке. Мостовой каскад управляет сердечником в обоих направлениях, поэтому нагрузка на сердечник высока, а напряжение на переключатели равномерное. Легко достичь переключения при нулевом напряжении.
Четыре участка схемы подвергаются нагрузке. Резонансный участок пропускает большой ток, до 30 А в пике, и требует низкого эквивалентного последовательного сопротивления (ESL) и высокого коэффициента добротности (Q). Участок звена постоянного тока фильтрует пульсации шины и требует низкого эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Демпфирующий участок поглощает скачки напряжения при выключении. Участок блокировки постоянного тока изолирует цепь постоянного тока и требует запаса по напряжению.
2.2 Многоуровневый инвертор
При мощности выше 600 Вт многоуровневая схема привлекает исследовательский интерес. Каждый переключатель взаимодействует с 1/n частью шины, где n — количество уровней. Большее количество ступеней обеспечивает более точное соответствие синусоиде. Потери распределяются по большему количеству компонентов, что упрощает проектирование системы теплоотвода.
Стоимость тоже очевидна. Для трехуровневой сцены требуется четыре разделительных элемента, система управления сложная, а количество компонентов удваивается. При мощности 400 Вт полномостовой усилитель по-прежнему выигрывает по соотношению цены и качества.
2.3 Четыре типа стресса
На одну и ту же деталь одновременно действуют четыре типа нагрузок. Нагрузка по напряжению определяет запас прочности: пиковое напряжение, включая резонансный выброс, должно оставаться ниже 80% от номинального значения. Нагрузка по току определяет тепловое сопротивление ESR за счет пульсаций тока. Нагрузка по частоте требует, чтобы собственная резонансная частота была как минимум в 10 раз выше рабочего диапазона. Нагрузка по теплу определяет скорость старения, обусловленную воздействием окружающей среды и собственным нагревом.
Импеданс петли связывает первые два параметра воедино:
Z = √(L / C)
где L — индуктивность петли в нГн, C — емкость петли в пФ, а Z — импеданс петли в Ом. Тепло, выделяемое ЭПР, подчиняется закону Ома:
P = I² · R
где I — среднеквадратичное значение тока в А, R — эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) в мОм, а P — потери в Вт. Падение напряжения на шине во время импульса определяет просадку напряжения:
ΔV = I · Δt / C
где I — импульсный ток в А, Δt — длительность импульса в мкс, C — емкость шины в нФ, а ΔV — падение напряжения в В.
2.4 Уравнение жизни
В документе JEMA приводится правило жизни, объединяющее тепло и напряжение:
L = L₀ · 2^((T_max − T_now) / 10) · (V_now / V_rated)^(−n)
где L₀ — номинальный срок службы в часах, T_max — номинальная температура в °C, T_now — температура корпуса в °C, V_now — приложенное напряжение в В, V_rated — номинальная мощность в В, а n — индекс напряжения, обычно от 3 до 5.
Наиболее существенным фактором является тепловая составляющая. Каждое снижение температуры на 10 °C удваивает срок службы. Напряжение дает меньший, но стабильный прирост. Деталь, работающая при 80% от номинальной мощности с n = 4, получает прирост в 2.4 раза только за счет этой составляющей.
HVCHF-B 470 пФ: 58 °C, 5 FITРис. 1 — Температура корпуса трех кандидатов на конденсаторы емкостью 470 пФ на одном мостовом транзисторе мощностью 300 Вт и частотой 400 кГц; два конкурирующих транзистора работают на 21 °C и 33 °C горячее и достигают 28 и 45 FIT соответственно.
3. Проблемы проектирования
Проблема 1: Нестабильные поставки от старых брендов.
Устройства, собранные на основе компонентов HEC или Vishay, ожидают распределения. Второй источник с тем же шагом выводов и тем же размером корпуса исключает этот риск. В первую очередь проверьте шаг выводов и монтажные отверстия, поскольку от них зависит, потребуется ли замена печатной платы.
Проблема 2: Привычки проектирования низкочастотных схем не сохраняются на частоте 400 кГц.
Деталь, взятая из данных на частоте 100 кГц, показывает гораздо более высокое значение tan δ на частоте 400 кГц. 10%-ный запас, который казался безопасным на частоте 100 кГц, исчезает к 400 кГц. Затем происходит рассеивание тепла из корпуса, и срок службы значительно сокращается.
Проблемная точка 3: Этап соблюдения требований в 2023 году
Изменения 2023 года снижают предельный ток, протекающий через вспомогательное устройство пациента, и повышают пороговое напряжение испытания с 1.5 кВ до 2.5 кВ. Для деталей, приобретенных по старым правилам, необходимы новые типовые данные. Запросите отчет, соответствующий текущей редакции, с указанием даты.
Проблема 4: Увеличение количества деталей в многоуровневой конструкции повышает частоту отказов.
Примите значение FIT для одной детали равным 10. Трехуровневая схема использует четыре разделительных элемента, поэтому производительность системы достигает 40. Единственный путь назад — это снижение производительности для одной детали. Перед выбором топологии установите ограничение на уровне 5 FIT или меньше на деталь.
4. Этапы проектирования
Стратегия 1: Проведите проверку по 20 пунктам в три этапа.
Первый уровень включает 10 обязательных критериев: номинальное напряжение в 1.5 раза превышающее пиковое, допуск в пределах ±2%, тангенс угла диэлектрических потерь tan δ не выше 0.15% на частоте 400 кГц, поверхностная радиочастота не выше 5 МГц, диапазон рабочих температур от −20 °C до +85 °C, сопротивление IR не выше 10 ГОм, PDIV выше 1.2-кратного номинального значения, сопротивление утечки IEC 60601-1, соответствие требованиям RoHS и REACH, а также среднее время безотказной работы (MTBF) выше 100 000 ч при 70 °C и 60% от номинального значения.
Второй уровень соответствует 7 рекомендуемым параметрам: коэффициент теплопередачи в пределах ±30 ppm/°C, отсутствие пьезоэффекта, влажность 85% и температура 85 °C в течение 1000 ч, ударная нагрузка 100 G в течение 6 мс, нагрев припоя до 260 °C в течение 10 с, длина вывода 0.8 мм или более, а также цвет корпуса, который можно прочитать на линии.
Третий уровень включает в себя 3 дополнительных преимущества: разброс размеров партии в пределах ±1%, индивидуальную маркировку и документы на японском языке.
Стратегия 2: Использовать орган класса I.
Корпуса класса I, такие как NPO или N4700, практически не проявляют пьезоэффекта. Сегнетоэлектрики класса II движутся под воздействием переменного электрического поля, и этот эффект слышен. В устройстве, работающем весь день в палате, этот шум является дефектом. Диэлектрик класса I удаляет его и одновременно сохраняет ценность при нагревании.
Стратегия 3: Проводите тестирование в реальном диапазоне частот, а не на частоте 1 кГц.
Измерьте тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ), добротность (Q) и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) на частоте 400 кГц, при рабочем напряжении и при нагреве верхней части корпуса. Значения, указанные в технической документации, полученные на частоте 1 кГц, скрывают потери, вызывающие нагрев детали. Запросите развертку в диапазоне от 10 кГц до 10 МГц.
Стратегия 4: Проверка распределения партий и температурных циклов.
Отберите от 3% до 5% каждой партии и проведите 5 циклов нагрева от −40 °C до +125 °C. Зафиксируйте изменение значения и изменение потерь. Деталь, которая отклоняется в пределах ±1% за эти циклы, удерживает резонансную точку на протяжении всего срока службы устройства.
Стратегия 5: Проводить аудит поставщика один раз в год.
Ежегодная проверка включает в себя входной контроль, управление производственными процессами, управление изменениями и соответствие требованиям RoHS. Запросите комплект сертификатов. Компания HVC имеет сертификаты ISO 9001, IATF 16949 и ISO 14001.
Стратегия 6: Сравните детали-кандидаты на одном испытательном стенде.
Для каждого образца проведите один и тот же тест на мостовом двигателе, при одинаковой нагрузке и в течение одинаковых 1000 часов. Зарегистрируйте потери в начале и конце теста, нагрев корпуса, изменение значения и любые разряды. Эта таблица определяет тип детали. В таблице 1 приведены порядковые номера для данного класса.
| Параметр компонента | Типичное значение | Условие теста |
|---|---|---|
| Номинальное напряжение (HVCHF-B серии). | 15 кВ постоянного тока. | Высокотемпературный режим 1.5× в течение 60 с. |
| Емкость. | 470 пФ ±5% (471). | 1 МГц, 1 В среднеквадратичного значения. |
| Коэффициент потерь на частоте 400 кГц. | Менее 0.1%. | 25 °C, 1 В среднеквадратичного значения. |
| ЭПР на частоте 1 МГц. | Сопротивление ниже 50 мОм. | Анализатор импеданса. |
| ЭСЛ. | Ниже 5 нГн. | Ствол, длина направляющих 40 мм. |
| Сопротивление изоляции. | Сопротивление выше 50 ГОм. | 500 В постоянного тока, 25 °C, 60% относительной влажности. |
| Диапазон температур. | от −55 °С до +125 °С. | Серия IEC 60068-2. |
| Пульс dv/dt. | При напряжении выше 50 кВ/мкс. | При номинальном напряжении. |
5. Высоковольтные конденсаторы для инверторов ESU мощностью 400 Вт
Компания HVC разделяет свою линейку HVCHF на три серии, поэтому устройства мощностью 50 Вт и 600 Вт не имеют общих компонентов. Все три модели производятся на заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане.
Три серии по уровням силы
- HVCHF-A, корпус диаметром φ20 мм, емкость от 10 пФ до 1.5 нФ, напряжение от 7.5 кВ постоянного тока до 15 кВ постоянного тока, для портативных устройств мощностью от 50 Вт до 150 Вт.
- HVCHF-B, φ30 мм дверная ручка конденсаторы Корпус, 10 пФ – 1.5 нФ, 15 кВ постоянного тока – 25 кВ постоянного тока, для стационарных блоков мощностью от 150 Вт до 400 Вт.
- HVCHF-C, корпус диаметром φ58 мм, емкость от 100 пФ до 4.7 нФ, напряжение от 20 кВ постоянного тока до 40 кВ постоянного тока, для исследовательских и специальных установок мощностью более 400 Вт.
- Потери и тепловыделение. Тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ) остается на уровне 0.09% после 1000 часов при мощности 300 Вт и частоте 400 кГц, по сравнению с 0.38% и 0.55% для двух сравниваемых образцов. Температура корпуса достигла 58 °C, по сравнению с 79 °C и 91 °C.
- Показатели ресурса. 1000 часов работы показали изменение значения на +0.3%, отсутствие разрядов и скорость 5 FIT. Две конкурирующие детали показали 28 и 45 FIT, и обе продемонстрировали разряды через 72 и 24 часа соответственно.
- Данные по обмену. HEC HT50V100KA соответствует HVCHF-A-10P-7.5KV При 100% совпадении, HEC HT57V470KB соответствует HVCHF-B-470P-15KV на 100%, и а Vishay TOS030033 соответствует HVCHF-B-330P-15KV При 95% точности допуск находится в пределах ±0.5 мм, а шаг выводов совпадает, поэтому замена печатной платы не требуется.
Доставка и поддержка
Стандартные комплектующие поставляются в течение 4-8 недель, в то время как у вышеупомянутых брендов этот срок составляет 26 недель и более. HVC поставляет подобранные комплекты, отчеты о партиях и технические характеристики на японском языке. Мостовые каскады также могут поставляться в течение... HVR-BSP градуировочные резисторы и быстровосстанавливающийся диод детали из одной и той же линейки.
Укажите уровень мощности, диапазон частот, пиковое напряжение и размер корпуса. HVC выдаст список компонентов, соответствующих 20 точкам, с данными о тангенсе угла диэлектрических потерь (tan δ) и тепловыделении на частоте 400 кГц, а также 10 бесплатных образцов на следующий рабочий день.
6. Часто задаваемые вопросы
В1: Почему измерение тангенса угла диэлектрических потерь проводится на частоте 400 кГц, а не 1 кГц?
Поскольку потери, приводящие к нагреву детали, возрастают с частотой. Деталь, показывающая 0.05% на частоте 1 кГц, может достичь 0.4% на частоте 400 кГц, и эти потери сосредоточены внутри детали. Проверьте значение на частоте 400 кГц, при рабочем напряжении и при нагреве верхней части корпуса.
В2: Какой средний срок службы (MTBF) мне следует установить?
Более 100 000 часов при 70 °C и 60% от номинального напряжения для одного компонента. Если топология включает четыре компонента, суммарная производительность системы увеличивается, поэтому производительность одного компонента, равная 5 FIT, позволяет трехуровневой конструкции оставаться в пределах этого предела. Установите это значение до выбора топологии.
Вопрос 3: Всегда ли более высокое номинальное напряжение помогает?
Это исключает член, описывающий напряжение, из правила срока службы, поскольку отношение приложенного напряжения к номинальному снижается. Это не учитывает тепловыделение, которое является более важным фактором: каждое снижение на 10 °C удваивает срок службы. Выберите номинальный ток, равный 1.5-кратному пиковому значению, а затем сосредоточьте усилия на учете тепловыделения.
Вопрос 4: Как мне поступить с заменой теплоизоляции в 2023 году?
Запросите данные испытаний по текущей редакции с указанием даты в отчете. Уровень выдерживаемого напряжения повысился с 1.5 кВ до 2.5 кВ, а предельный уровень для вспомогательного оборудования пациента снизился. Для деталей с типовыми данными, полученными до 2020 года, требуется повторный анализ, поскольку старый отчет не охватывает новые предельные значения.
В5: Можно ли заменить компонент на аналог от конкурента без замены материнской платы?
Только если совпадают четыре параметра: диаметр корпуса, шаг выводов, диаметр выводов и высота. HVC обеспечивает соответствие этим параметрам с точностью до ±0.5 мм для распространенных деталей HEC, Vishay и KEMET. Отправьте номер конкурирующей детали, и HVC вернет соответствие и уровень посадки.
В6: Почему для многоуровневой сцены необходимы детали с меньшим размером?
Потому что количество деталей увеличивает вероятность отказа. В трехступенчатой системе используются четыре делительные детали, поэтому деталь с показателем FIT 10 дает систему с показателем FIT 40. Чтобы обеспечить такую же частоту отказов, как у моста, каждая деталь должна иметь показатель FIT около 5. Именно поэтому проверка выбора начинается с предельного значения FIT.
7. Рекомендации
- IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
- IEC 60601-2-2:2019+AMD1:2023, Медицинское электрооборудование — Часть 2-2: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам высокочастотного хирургического оборудования.Женева: МЭК, 2023.
- МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
- МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
- Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
- Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
- Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
- Технические заметки по проектированию и надежности конденсаторов (указатель, включая информацию о периоде возникновения дуги, коронном разряде и влиянии компоновки печатной платы на отказы при высоком напряжении), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
- 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.
- МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
- Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com
Пришлите напряжение, емкость, частоту, монтажный чертеж и количество. Компания HVC в течение 48 часов порекомендует компонент класса N4700 с данными проверки на частичные дыры и отчетами о сроке службы до 1000 часов.
Отправить спецификацию материалов / Запросить техническое предложение →Сопутствующие товары HVC
Высоковольтные конденсаторы для согласующих цепей выходного напряжения электростатического усилителя на частоте 400 кГц.
Следующая →Влияние градиентного коэффициента заполнения на срок службы конденсатора высоковольтного звена постоянного тока