Конденсаторы EMAT с низким ESL для драйверов узконаправленных высоковольтных импульсов

Конденсаторы EMAT с низким ESL для драйверов узконаправленных высоковольтных импульсов

Резюме

Электромагнитный преобразователь (ЭМАТ) посылает ультразвук в сталь без контактной среды, поэтому он подходит для горячей прокатки и перемещения продукции. Его эффективность составляет от 0.1% до 1%, что приводит к слабому принимаемому сигналу, а усреднение сотен импульсов занимает время, которого нет у быстродействующей линии. Узкий высоковольтный импульс повышает уровень сигнала выше 30%. В этой статье приводятся данные о времени нарастания, режимах отказов при медленном возбуждении и параметрах деталей, которые удерживают сигнал на уровне менее 50 нс.

1. Введение

Электромагнитный акустический преобразователь генерирует и принимает ультразвук внутри заготовки посредством электромагнитной связи. Он не требует контактной среды, контакта и подготовки поверхности. Это делает его практичным выбором для обработки горячей стали при температуре от 300 °C до 600 °C, для перемещения полос и труб, а также для поверхностей, которые невозможно смочить.

Цена определяется уровнем сигнала. Эффективность преобразования EMAT составляет от 0.1% до 1%, что на три-четыре порядка ниже, чем у пьезоэлектрического преобразователя. Соответственно, эхосигналы, несущие информацию о дефектах, слабые.

Стандартным решением является усреднение сигнала: подавать один и тот же импульс сотни раз и суммировать результаты. Усреднение отнимает время на проверку, а на конвейере, движущемся со скоростью 10 м/с, времени на это нет.

Исследования Токийского университета и Университета Тохоку указывают на более эффективный путь. Узкий высоковольтный импульс концентрирует накопленную энергию в короткий импульс высокого тока, и этот импульс активирует механизм силы Лоренца сильнее, чем широкий импульс. Это приводит к необходимости использования импульсного конденсатора: более 100 А менее чем за 1 мкс с временем нарастания менее 50 нс.

2. Основной механизм

2.1 Предел преобразования

Генерация ЭМАТ зависит от силы Лоренца, действующей на вихревые токи, индуцированные на поверхности заготовки.

F = J × B

где F — плотность силы Лоренца в Н/м³, J — плотность индуцированных вихревых токов в А/м², а B — статическое магнитное поле в Т. Амплитуда ультразвука следует за F, следовательно, она следует за J, а J следует за током катушки I.

Поскольку КПД находится в диапазоне от 0.1 % до 1 %, каждый децибел тока возбуждения становится децибелом принимаемого сигнала. Существуют два рычага: повышение статического поля B или повышение тока I. Рычаг тока принадлежит конденсатору.

2.2 Время нарастания обусловлено индуктивностью разряда.

Импульс длительностью 1 мкс распределяет полезную энергию в полосе частот примерно от 0.35 МГц до 1 МГц. Эта полоса важна для стали, поскольку вихревые токи остаются в тонком поверхностном слое, и сила Лоренца генерируется именно там.

δ = √(2 / (ω · µ · σ))

где δ — глубина проникновения в мм, ω — угловая частота в рад/с, µ — магнитная проницаемость в Гн/м, а σ — проводимость в С/м. При частоте 1 МГц на стали δ остается значительно меньше 0.1 мм, поэтому J концентрируется на поверхности, где генерируется сила.

Время нарастания импульса зависит от общей индуктивности разряда и сопротивления контура.

t_rise ≈ 2.2 · L_total / R

где t_rise — время нарастания от 10 % до 90 % в нс, L_total — общая индуктивность контура в нГн, а R — сопротивление контура в Ом. Для мишени с временем нарастания 50 нс при сопротивлении 0.66 Ом индуктивность контура должна оставаться ниже 15 нГн. Намотанный элемент с индуктивностью ESL 100 нГн увеличивает время нарастания до более чем 300 нс, и преимущество узкого импульса исчезает до того, как импульс достигнет катушки.

2.3 Сопоставление накопительной части с петлей и катушкой

Разряд представляет собой затухающий RLC-переходный процесс, поэтому накопитель должен удовлетворять сразу трем пределам: эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) ниже 10 нГн, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ниже 30 мОм и номинальное напряжение выше рабочего напряжения. Емкость 10 нФ при напряжении 1.5 кВ удерживает заряд 15 мкКл. пленочный конденсатор соответствует предельному напряжению и не соответствует предельному значению ESL, поэтому не может обслуживать эту позицию.

I_avg = Q / t = C · V / t

где I_avg — средний ток разряда в А, Q — отданный заряд в мкКл, C — емкость в нФ, V — напряжение заряда в кВ, а t — время разряда в нс. Отдача 15 мкКл за 150 нс дает средний ток 100 А, и пиковое значение находится выше этого значения.

P_self = I_rms² · ESR

где P_self — самонагрев в Вт, I_rms — среднеквадратичный ток в А, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в Ом. Компонент с сопротивлением 30 мОм рассеивает от 0.3 Вт до 1.5 Вт на импульс при частоте 10 Гц, поэтому самонагрев остается небольшим. Низкое ESL, низкое ESR и высокое номинальное напряжение в совокупности исключают использование пленочных и электролитических компонентов и определяют неиндуктивную керамическую конструкцию. Ограничьте обратное течение катушки с помощью быстровосстанавливающийся диод рассчитан на ток в контуре.

2.4 Усиление сигнала в децибелах

Принимаемая амплитуда зависит от тока возбуждения, поэтому увеличение тока на 30 % приводит к измеримому усилению.

ΔdB = 20 · log10(I_2 / I_1)

где ΔdB — изменение сигнала в дБ, а I_1 и I_2 — токи возбуждения до и после изменения. Коэффициент 1.30 дает +2.3 дБ. При измерении с ограничением по шуму этот выигрыш сокращает количество усреднений со 100 до 57 при том же соотношении сигнал/шум, что составляет экономию времени проверки на 43%.

Рис. 1 — Индуктивность петли определяет фронт ЭМАТ: 15 нГн обеспечивает нарастание импульса на 50 нс при сопротивлении 0.66 Ом, а намотанная часть с индуктивностью 100 нГн растягивает импульс более чем на 300 нс.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Намотанный конденсатор размазывает фронт разряда.

Импульсный конденсатор с обмоткой удерживает от 100 до 300 нГн эквивалентной последовательной индуктивности (ESL). При подключении к драйверу EMAT измеренное время нарастания увеличивается с расчетных 50 нс до 300 или 800 нс. Затем импульс распространяется по микросекундному диапазону, высокочастотная составляющая исчезает, и катушка видит медленный нарастающий сигнал. Зонд никогда не достигает расчетной полосы пропускания, и вину возлагают на преобразователь.

Проблема 2: Размер препятствует интеграции в головке зонда.

Датчик EMAT должен помещаться между роликами на полосовой линии или внутри трубопротяжного механизма. Громоздкий накопительный элемент с длинными выводами не может поместиться в головке, поэтому его заменяют кабелепроводом. Этот кабель добавляет от 50 до 100 нГн и ухудшает время нарастания, на которое рассчитан драйвер. Модуль возбуждения должен помещаться в пределах примерно 2 см³ от катушки.

Болевой момент 3: Нестабильный пульс скрывает рост дефекта.

В ходе инспекционных кампаний сегодняшний сигнал сравнивается с прошлогодним базовым уровнем для отслеживания роста дефектов. Конденсатор с допуском ±10 % или температурным дрейфом вызывает колебания амплитуды от 5 % до 15 % между импульсами и между днями. Эти колебания маскируют реальный сигнал роста на 3 %–5 %, и данные инспекции превращаются в шум.

Проблема 4: Горячий продукт повреждает место хранения.

Электромагнитные преобразователи (ЭМА) работают с горячим материалом: полосой при 400 °C, направляющими и трубами, расположенными в линию. Электроника возбуждения находится рядом с горячей заготовкой и подвергается воздействию лучистого тепла и периодического контакта. Деталь с термочувствительным диэлектриком или герметичным жидким электролитом начинает смещаться, а затем выходит из строя. Линия останавливается, когда останавливается привод.

Проблемный момент 5: Усреднение временных ограничений скорости линии.

Слабое возбуждение приводит к получению от 200 до 1000 усредненных значений для каждой точки измерения. При частоте импульсов 1 кГц это составляет от 0.2 до 1 секунды на точку, поэтому через смотровое окно проходит лишь небольшая часть изделия. Более сильный импульс уменьшает количество измерений и увеличивает площадь, покрываемую контрольным образцом.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите неиндуктивный компонент с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн.

Используйте многослойную или пластинчатую конструкцию, внутренние электроды которой компенсируют взаимную индуктивность. Проверьте эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) по собственной резонансной частоте.

f_SR = 1 / (2π · √(L · C))

где f_SR — собственная резонансная частота в МГц, L — эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) в нГн, а C — емкость в нФ. Микросхема емкостью 10 нФ с ESL 5 нГн резонирует на частоте 22 МГц, что находится выше рабочего диапазона от 0.35 МГц до 1 МГц. Размещайте микросхему у катушки, а не за кабелем, чтобы предельная индуктивность петли 15 нГн оставалась достижимой.

Стратегия 2: Поддерживайте ESR ниже 30 мОм для получения чистого сигнала.

Выберите Диэлектрик класса I N4700 Потери которого остаются ниже 0.1 % в диапазоне от 0.35 МГц до 1 МГц. Подтвердите эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) на рабочей частоте, поскольку значение в техническом описании для 1 кГц не учитывает скин-эффект и эффект близости. Используйте компонент в паре с низкоимпедансным переключателем, чтобы RLC-петля оставалась вблизи критического демпфирования.

Стратегия 3: Интегрировать модуль в головку зонда.

Укажите разрядный модуль объемом менее 2 см³, который устанавливается за катушкой. Используйте ламинированные медные микрошины с выводами менее 3 мм и удерживайте площадь петли менее 4 см². Добавьте градуировочные резисторы По всей длине блока переключателей, чтобы напряжение между контактами равномерно распределялось по корпусу. Припаяйте модуль к корпусу зонда, чтобы тепловое излучение от нагревательной ленты проходило в корпус, а не в диэлектрик.

Стратегия 4: Упорядочить совпадающие пары для массивов.

Проверяйте соответствие компонентов с точностью до ±1 % для парных образцов, чтобы параллельные каналы выдавали идентичные импульсы, а разброс между каналами не превышал 1 %. Проверяйте соответствие в диапазоне температур от −40 °C до +85 °C, поскольку нагревательная линия смещает оба канала. Добавьте монитор заряда для каждого канала, чтобы отслеживать дрейф до того, как он исказит базовую линию.

Стратегия 5: Совместное моделирование всей связи

Смоделируйте компонент хранения данных с учетом его реальных значений ESR, ESL и коэффициента напряжения, затем проверьте смоделированное время нарастания на прототипе, сравнив его с целевым значением в 50 нс. После этой проверки зафиксируйте компоновку и повторно проверьте ее после любой смены поставщика. Замена компонента с ESL в три раза выше возвращает систему к медленному фронту сигнала, и это изменение проявляется в данных контроля спустя несколько месяцев.

Стратегия 6: Защитить водителя и контролировать пульс.

Ограничьте обратное течение катушки с помощью быстровосстанавливающегося диода, рассчитанного на ток контура, и измеряйте разряд с помощью резистор выборки HVRGXP на обратном пути. Регистрируйте амплитуду импульса при каждом измерении, чтобы дрейф конденсатора был виден до того, как он сдвинет базовую линию.

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 возбуждения ЭМАП.

Для работы EMAT-драйвера необходимы наносекундный импульс, высокая плотность тока и компактные размеры измерительной головки. Компания HVC производит неиндуктивные компоненты класса I N4700 и компактные разрядные модули для этих задач 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.

• Неиндуктивная конструкция с временем нарастания разряда менее 50 нс. Узкий импульс достигает катушки, сохраняя при этом свой высокочастотный спектр.
• Согласованное возбуждение. Часть, согласованная с контуром, повышает полезный уровень сигнала более чем на 30 %, что составляет +2.3 дБ и уменьшает усреднение до 43 %.
• Модули объемом менее 2 см³. Модуль устанавливается в головку зонда, что устраняет индуктивность кабеля, ухудшающую время нарастания сигнала.
• ±1 % совпадений пар. Разброс между импульсами и каналами остается ниже 1 %, поэтому базовые уровни остаются сопоставимыми на протяжении многих лет.
• Потери менее 0.1 % и эквивалентное последовательное сопротивление менее 30 мОм в диапазоне частот от 0.35 МГц до 1 МГц, в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C, включая работу с заготовкой, нагретой до 600 °C.
• Длительность импульсного режима превышает 10⁶ выстрелов. Драйвер не требует технического обслуживания на производственной линии, и Дверная ручка HVCT8G и дисковые пакеты подходят для большинства геометрических форм зондов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные многоканальные комплекты — в течение 6–10 недель. Каждый комплект содержит данные по ЭПР и ЭСТ на рабочей частоте, развертку собственной резонансной частоты и отчет о сроке службы импульса после 10⁶ выстрелов.

Передайте индуктивность катушки, рабочее напряжение, целевое время нарастания и количество каналов. HVC имитирует работу накопительной части, переключателя и катушки, а затем возвращает результат. Перекрестная ссылка в сравнении с компонентами Murata и TDK, а также приводится сравнение пленочных конденсаторов, чтобы разница в ESL была видна на бумаге.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какого времени нарастания может реально достичь драйвер EMAT?

При использовании керамического элемента время нарастания составляет менее 50 нс. Время нарастания соответствует соотношению t_rise ≈ 2.2·L/R, поэтому в петле с сопротивлением 0.66 Ом и общей индуктивностью 15 нГн оно достигает значения около 50 нс. Намотанный конденсатор с индуктивностью 100 нГн или более сдвигает фронт импульса за пределы 300 нс, и содержимое импульса в диапазоне от 0.35 МГц до 1 МГц теряется.

В2: Какой уровень сигнала повышает узкий импульс?

Более 30 %, что составляет +2.3 дБ при соотношении тока 1.30. При измерениях с ограничением по шуму это увеличение сокращает среднее количество импульсов со 100 до 57 при том же соотношении сигнал/шум, что позволяет сэкономить 43 % времени. Это также определяет, будет ли заметно или потеряно изменение толщины стенки на 5 %.

В3: Почему длина кабеля имеет такое большое значение?

Поскольку общая допустимая индуктивность составляет 15 нГн, кабель длиной 1 м добавляет от 50 до 100 нГн, что в три-шесть раз больше этой величины, и превращает RLC-разряд в медленный линейный. Установите модуль на катушке и подключите только триггерный и контрольный провода.

Вопрос 4: Какой параметр конденсатора определяет фронт импульса?

Сначала указывается ESL, а затем ESR. ESL определяет время нарастания и колебания, а ESR — затухание и самонагрев. Укажите ESL ниже 10 нГн и ESR ниже 30 мОм и подтвердите оба значения на рабочей частоте, а не в точке, указанной в техническом описании (1 кГц).

В5: Насколько стабильной должна быть емкость?

Погрешность в пределах ±1 % для согласованных каналов и стабильная в зависимости от температуры. Деталь с допуском ±10 % или температурным дрейфом вызывает изменение амплитуды на 5–15 %, что маскирует сигнал роста на 3–5 %, который необходим для повторной обработки. Проверьте соответствие в диапазоне температур от −40 °C до +85 °C.

В6: Можно ли сниматься в фильме в таком положении?

Не на 50 нс фронте. Пленочная конструкция выдерживает индуктивность от 100 нГн до 300 нГн, что устанавливает время нарастания в диапазоне от 300 нс до 800 нс. Используйте пленочный элемент на низковольтной шине и неиндуктивный керамический элемент на катушке, где допустимая индуктивность невелика.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроникиЖенева: МЭК, 2017.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, 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. Кадзи, Х. Асаи, Т. Нозу, Х. Кодзима и Н. Хаякава, Напряжение начала частичного разряда при импульсном напряжении инвертора с учетом взаимодействия факторов окружающей среды.IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, том 140, № 7, стр. 349-356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349
8. Высоковольтные керамические конденсаторы для силовой электроники, Х. Лавиль (Exxelia), техническая статья EE Power, https://eepower.com/technical-articles/high-voltage-ceramic-capacitors-for-power-electronics/.
9. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
10. Q. Чен, Y. Ван, X. Чжоу, QM Чжан и S. Чжан, Туннелирование в сильном магнитном поле как ограничивающий фактор максимальной плотности энергии в диэлектрических конденсаторах для хранения энергии.Applied Physics Letters, том 92, № 14, статья № 142909, 2008. https://doi.org/10.1063/1.2903115
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com