Конденсаторные батареи для общих источников импульсов PEC и EMAT

Конденсаторные батареи для общих источников импульсов PEC и EMAT

Резюме

PEC и EMAT предъявляют противоположные требования к одному источнику импульсов. PEC требует длинного прямоугольного импульса с высоким током. EMAT требует короткого импульса высокого напряжения. Временная мультиплексированная батарея конденсаторов удовлетворяет обоим требованиям, когда переключатели, отводы емкости и шина зарядки разделяют эти режимы. В этой статье рассматриваются разрыв между параметрами импульса, соотношения хранения и просадки, проблемы мертвого времени и изоляции, а также правила согласования, обеспечивающие стабильность обоих режимов.

1. Введение

В рамках программы ЕС Horizon 2020 по многомодальному неразрушающему контролю был задан вопрос о возможности использования одного генератора импульсов для методов PEC и EMAT. Эти два метода измеряют разные свойства и нагружают источник по-разному. Метод PEC создает большой ток в катушке и считывает затухание. Метод EMAT направляет ультразвук в деталь и считывает эхо-сигнал.

Диапазон параметров достаточно широк. PEC генерирует прямоугольные импульсы с пиковой силой 100 А и длительностью от 1 до 100 мс. EMAT генерирует импульсы длительностью менее 1 мкс с пиковой силой 1 кВ. Один блок может обслуживать оба режима только в том случае, если конструкция разделяет эти два режима во времени.

Европейская команда использовала временное мультиплексирование. Один блок заряжается до промежуточного напряжения 500–800 В. Затем ветвь на основе IGBT разряжается в катушку PEC. Ветвь на основе SiC MOSFET управляет катушкой EMAT. Обе ветви никогда не проводят ток одновременно.

В данной статье рассматриваются разрыв параметров, соотношения между объемом памяти и снижением напряжения, проблемы переключения и изоляции, а также правила выбора банка, обслуживающего оба режима.

2. Основной механизм

2.1 Параметрический разрыв

Эти два режима различаются по всем параметрам, определяющим размер батареи. Для PEC требуется длинный импульс и большой заряд. Для EMAT требуется быстрый фронт импульса и высокое напряжение. В приведенном ниже сравнении эти два набора параметров представлены рядом.

Параметр	режим PEC	режим EMAT
Ширина импульса	От 1 мс до 100 мс	менее 1 мкс
Пиковый ток катушки	100	50
Пиковое напряжение катушки	800 V	1 кВ
Емкость хранилища	100 мФ	50 нФ
Разрядный переключатель	IGBT	SiC МОП-транзистор

Соотношение емкостей между режимами достигает 2,000:1. Один физический блок не может вместить оба значения в одном элементе, поэтому разработчик разделяет хранилище на два вывода, расположенных за общим зарядным устройством.

2.2 Размер хранилища для каждого режима

Длительность импульса PEC определяется постоянной времени катушки:

τ = R · C.

Где R — сопротивление катушки и кабеля в Ом, C — емкость отвода PEC в мкФ, а τ — постоянная времени разряда в мкс. Для батареи, которая должна удерживать 100 А в течение 20 мс, необходима большая емкость и низкое сопротивление контура.

Энергия, которую каждый импульс потребляет из источника, составляет:

E = ½ · C · V².

Где E — запасённая энергия в Дж, C — отводная ёмкость в мкФ, а V — напряжение зарядки в кВ. На шине 700 В отводная ёмкость 100 мФ запасает 24.5 кДж, чего хватает на несколько импульсов PEC до того, как зарядному устройству потребуется её пополнить.

2.3 Провисание и край EMAT

Падение напряжения определяет полезную ширину импульса. В течение одного импульса напряжение на шине падает на:

ΔV = I · Δt / C.

Где ΔV — падение напряжения в В, I — ток катушки в А, Δt — ширина импульса в мкс, а C — емкость отвода в мкФ. Импульс 100 А длительностью 20 мс на отводе емкостью 100 мФ приводит к падению напряжения на шине на 20 В, что составляет 3% от напряжения на шине 700 В и является приемлемым для PEC.

Принцип работы отвода EMAT отличается от физики других устройств. Скорость спада сигнала зависит от импеданса контура:

Z = √(L / C).

Где Z — характеристическое сопротивление в Ом, L — индуктивность петли в нГн, а C — емкость отвода ЭМАТ в пФ. При 50 нФ и 15 нГн Z падает до 0.55 Ом, а время нарастания сигнала следует за Z · C примерно на уровне 200 нс. Любая добавленная индуктивность растягивает нарастание сигнала и уменьшает амплитуду ультразвука.

2.4 Потери и тепловыделение в общем банке

В обоих режимах ток проходит через один и тот же диэлектрик, поэтому потери суммируются при сканировании:

P = I_rms² · R_ESR.

Где P — рассеиваемая мощность в Вт, I_rms — среднеквадратичный импульсный ток в А, а R_ESR — эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора в мОм. Импульсная последовательность 40 А среднеквадратичного значения на нагрузке 10 мОм рассеивает 16 Вт, поэтому крепление должно отводить это тепло.

Частота повторения определяет повышение температуры. Переключение между режимами с частотой 10 Гц обеспечивает 10 циклов заряда в секунду, и компонент класса II теряет емкость по мере нагревания. Затем дрейф проявляется в виде изменяющейся ширины импульса в обоих режимах.

Рис. 1 — Для PEC требуется прямоугольник с током 100 А и длительностью импульса 20 мс, а для EMAT — импульс длительностью менее микросекунды, поэтому одно зарядное устройство подает питание на вывод 100 мФ и вывод 50 нФ через отдельные переключатели.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Два набора параметров, которые расходятся во мнениях.

Для PEC требуется длинный прямоугольник и большой заряд. Для EMAT требуется короткий импульс и быстрый фронт. Блок, рассчитанный на PEC, обеспечивает медленный фронт EMAT, а блок, рассчитанный на EMAT, не может выдержать ток PEC. Эти два типа блоков должны быть разделены на уровне ответвлений.

Проблема 2: Контроль мертвого времени при высокой скорости переключения.

Переключение режимов должно завершиться до того, как сработает другая ветвь. При фронте в 200 нс ошибка в 100 нс приводит к одновременному переходу обеих ветвей в проводящее состояние, и возникающий перекрестный ток создает нагрузку на SiC-устройства. Время заряда и разряда должно быть задано аппаратно, а не оставлено на усмотрение программного обеспечения.

Проблемная точка 3: Провал в показаниях, изменяющийся в зависимости от режима и нагрузки.

Длинный импульс PEC разряжает шину, а зарядное устройство восстанавливает её между импульсами. Если время восстановления слишком короткое, следующий импульс начинается с более низкого напряжения, и характер затухания смещается. EMAT допускает это падение напряжения, а PEC — нет, поэтому зарядное устройство должно быть рассчитано на наихудший режим работы.

Проблемный момент 4: Резервирование безопасности на одном общем высоковольтном блоке.

В соответствии с европейскими стандартами безопасности, требуется резервная изоляция и путь разряда, не зависящий от активного переключателя. Единственная точка отказа в переключателе режимов может привести к тому, что батарея останется заряженной и подключенной. Разрядные резисторы, блокировки и контактор сброса являются частью конструкции батареи.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Разделить хранилище на несколько режимов подключения.

Соберите одно зарядное устройство и два вывода. Выведите PEC-вывод с большой емкостью, а вывод EMAT-вывод — с малой высоковольтной емкостью. Используйте HVCT8G болтовые детали для отвода EMAT, где низкая индуктивность важнее плотности емкости.

Стратегия 2: Задавать размер каждого крана исходя из его собственных соотношений.

Установите значение параметра PEC, исходя из τ = R · C и допустимого просадки. Установите значение параметра EMAT, исходя из Z = √(L/C) и целевого времени фронта сигнала. Проверьте оба параметра на стенде с реальной катушкой, поскольку паразитные параметры кабеля и переключателя влияют на значения.

Стратегия 3: Удерживайте промежуточную направляющую внутри фиксированного окна.

Зарядка до 500–800 В и поддержание этого диапазона с помощью стабилизированного источника питания. Диапазон должен охватывать пик EMAT после повышения напряжения трансформатора и спад PEC в конце самого длинного импульса. Провисание напряжения питания между режимами сдвигает форму обоих импульсов.

Стратегия 4: Уменьшить индуктивность контура в ветви EMAT.

Поддерживайте индуктивность контура EMAT ниже 20 нГн, используя ламинированную шину, симметричную компоновку и короткие выводы. пленочный конденсатор Замена не позволяет достичь показателя выше 1 МГц, поэтому пленочные компоненты теряют свои преимущества, для которых они были выбраны.

Стратегия 5: Сопоставьте ячейки и добавьте путь разряда.

Проверяйте последовательно соединенные элементы с точностью до ±1%, чтобы напряжение делилось пропорционально емкости и ни один элемент не перегревался. Добавьте HVR-BSP градуировочные резисторы по каждой ячейке и установить разряжающий контактор, который разряжает блок без переключения режимов. А быстровосстанавливающийся высоковольтный диод Последовательное соединение с выводом EMAT блокирует обратный ток от импульса PEC.

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 двухрежимных блоков

Для работы с общим блоком питания необходимы компоненты, сохраняющие свои значения в обоих режимах. Потери остаются низкими в длинном импульсе PEC, а индуктивность — низкой в ​​коротком импульсе EMAT. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для обоих режимов работы на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESR ниже 10 мОм на частоте 100 кГц. Отвод PEC сохраняет свою кривую просадки на протяжении длинной последовательности импульсов, и блок остается холодным при переключении режимов на частоте 10 Гц.
• ESL ниже 20 нГн. Отвод EMAT поддерживает свой собственный резонанс выше рабочего диапазона, поэтому импульс достигает катушки с той резкостью, которая была рассчитана в соответствии с проектом.
• ±1% совпадение ячеек. Напряжение делится на емкость, поэтому последовательная цепочка остается сбалансированной, и ни один элемент не потребляет больше своей доли напряжения питания.
• TCC ±30 ppm/°C. Емкость остается стабильной в нагретом шкафу, поэтому ширина импульса не изменяется в течение длительной смены контроля.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении 1.5–2× номинальном. Долговременная стабильность сохраняется при многократных скачках высокого напряжения и быстрых фронтах импульсов.
• Скоординированные компоненты. резисторы выборки HVRGXP в современном понимании, HVR-BSP В комплекте с блоком можно заказать градуировочные резисторы для последовательных цепей и высоковольтные диоды для ветвей режимов.

Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и данным о надежности. Vishay HVCC, радиально-проводные компоненты KEMET, Murata DHS/DHR и компоненты TDK для сверхвысоковольтных/низковольтных систем.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты класса I отгружаются в течение 4–8 недель, таможенные пошлины – в течение 6–10 недель, а доставка в Европу – примерно за 4 недели для компонентов, имеющихся на складе. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в подборе размеров выводов, согласовании последовательностей и проверке компоновки индуктивности петли EMAT.

Отправьте две спецификации импульсов, диапазон напряжения питания, значения отводов и частоту повторения. HVC вернет вам в течение пяти рабочих дней лист согласования отводов с номерами деталей, данными ESR и ESL на рабочей частоте, а также набор образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Могут ли PEC и EMAT действительно использовать один общий конденсаторный блок?

Да, с двумя ответвлениями за одним зарядным устройством. PEC использует ответвление для большой емкости, а EMAT — небольшое высоковольтное ответвление. В двух ветвях используются отдельные переключатели, и они никогда не проводят ток одновременно, поэтому аккумуляторная батарея поддерживает оба режима без ущерба для какого-либо из них.

В2: Как подобрать подходящий размер метчика PEC?

Исходя из τ = R · C и допустимого падения напряжения, сначала зафиксируйте ширину импульса и сопротивление катушки, затем выберите C так, чтобы падение напряжения на шине было меньше принятого значения в конце самого длинного импульса. Отвод 100 мФ на шине 700 В вызывает падение напряжения на 20 В во время импульса 100 А длительностью 20 мс.

В3: Зачем отводу EMAT нужна собственная емкость?

Поскольку время фронта сигнала масштабируется пропорционально Z · C, а Z уменьшается по мере увеличения C, значение параметра EMAT должно находиться в низком диапазоне нанофарад, чтобы поддерживать импеданс петли около 0.5 Ом и время фронта сигнала около 200 нс. Значение параметра PEC не может обеспечить такой фронт.

Вопрос 4: Какое время задержки требуется для переключения режимов?

Достаточно долго, чтобы одна ветвь завершилась до того, как сработает другая. При задержке в 200 нс оставьте 300–500 нс мертвого времени и проверьте это на стенде с помощью токовых датчиков на обеих ветвях. Фиксированная аппаратная синхронизация здесь безопаснее, чем программная.

В5: Какое значение просадки допустимо во время импульса PEC?

Для большинства работ, связанных с толщиной стенок и дефектами, погрешность составляет менее 5%, поскольку характер затухания зависит от напряжения питания. При превышении этого уровня показания следует корректировать относительно измеренного напряжения питания или добавлять емкость. EMAT-импульс допускает гораздо большую погрешность, поскольку его край завершается менее чем за 1 мкс.

В6: Какой допустимый предел емкости необходим для банка совместного использования?

В обоих режимах согласование ячеек в последовательно соединенных цепочках составляет ±1%. Напряжение делится пропорционально емкости, поэтому ячейки с допуском ±5% оставляют самый слабый элемент, несущий нагрузку, в несколько раз превышающую среднюю. При допуске ±1% цепочка остается сбалансированной, и количество элементов не увеличивается.

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 61558-1:2017, Безопасность трансформаторов, реакторов, источников питания и их комбинаций — Часть 1: Общие требования и испытанияЖенева: МЭК, 2017.
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. Х. Накао, Ю. Ёнезава, Т. Сугавара, Ю. Накашима и Ф. Курокава, Метод онлайн-оценки деградации электролитических конденсаторов для прогнозирования отказов импульсных источников питания с цифровым управлениемIEEE Transactions on Power Electronics, том 33, № 3, стр. 2552-2558, 2018. https://doi.org/10.1109/tpel.2017.2691048
8. Калибровка емкостных датчиков напряжения в генераторах импульсов большой мощности на основе диэлектрика с водой.Специальная публикация NBS № 628, Национальное бюро стандартов (NIST), https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/SP/nbsspecialpublication628.pdf.
9. Вопросы применения многослойных керамических конденсаторов BME высокого напряжения.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS International 2012), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2012CARTS-ApplicationConsiderationsHighVoltBME-X7RCeramicCapacitors.pdf .
10. 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.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com