Фильтрующие конденсаторы сброса для обеспечения стабильности ядра MPC BH

Фильтрующие конденсаторы сброса для обеспечения стабильности ядра MPC BH

Резюме

Магнитный переключатель ведет себя детерминированно только в том случае, если его сердечник начинает каждый импульс из одной и той же точки магнитного потока. Обмотка сброса возвращает сердечник в состояние −B_r, а ток сброса должен оставаться в пределах ±1% для поддержания синхронизации импульсов. В данной статье выводится уравнение тока сброса, связь между ошибкой сброса и временем блокировки, значение фильтра, удерживающего пульсации в пределах окна, и члены теплового дрейфа, которые его уменьшают.

1. Введение

Метгласовый или нанокристаллический переключатель работает как детерминированный компонент только тогда, когда его сердечник начинает каждый импульс из одной и той же точки магнитного потока. После каждого события сжатия сердечник находится вблизи положительного насыщения.

Перед следующим циклом ток сброса, проходящий через специальную обмотку, возвращает сердечник в отрицательное положение точки сброса. Если сброс не достигает даже небольшого значения магнитного потока, доступный диапазон колебаний уменьшается.

Меньший размах сокращает время блокировки в вольт-секундах, поэтому момент насыщения смещается раньше, и сжатый импульс приходит раньше с другой формой. Схема сброса устанавливает тактовый сигнал цепи, и ее неисправности проявляются в виде дрожания и провалов на пике, которые невозможно устранить с помощью настройки переключателей.

Сложность заключается в точности. Ток сброса должен оставаться в пределах примерно ±1% от выстрела к выстрелу во всем рабочем диапазоне, поэтому источник питания сброса представляет собой прецизионный источник тока, пульсации, дрейф и старение которого требуют инженерного подхода. Фильтрующий конденсатор в узле обмотки поглощает эти пульсации.

2. Основной механизм

2.1 Уравнение тока сброса

Ток, необходимый для приведения сердечника к отрицательной остаточной намагниченности, подчиняется закону Ампера, примененному к обмотке сброса:

I_reset = H × l_m / N

где I_reset — ток сброса, H — требуемое поле (в несколько раз превышающее коэрцитивную силу нанокристаллического сердечника), l_m — средняя длина магнитного пути, а N — число витков обмотки сброса.

При H = 2 А/м, l_m = 0.5 м и N = 5 витках ток сброса составляет 2 × 0.5 / 5, или 200 мА. Источник питания должен поддерживать это значение в пределах ±1%, что составляет ±2 мА, на протяжении всего срока службы, поскольку ошибка потока напрямую коррелирует с ошибкой тока.

2.2 Как ошибка сброса превращается в ошибку синхронизации

Время блокировки выключателя определяется балансом вольт-секунд:

t_block = N × A_e × ΔB / V

где t_block — время блокировки, N — количество витков основной обмотки, A_e — площадь поперечного сечения сердечника, ΔB — доступный размах магнитного потока, а V — приложенное напряжение.

Правильно сброшенное ядро ​​дает ΔB = B_s + B_r. При N = 6, A_e = 2 см², V = 3 кВ и ΔB = 2.2 Т время блокировки составляет 6 × 2 × 10⁻⁴ × 2.2 / 3000, или 880 нс.

Ошибка тока сброса в 1% приводит к ошибке потока примерно в 1%, что сдвигает время блокировки на 9 нс. Ошибка в 5%, которую может вызвать стареющий или дрейфующий фильтр, сдвигает сжатый импульс на 44 нс и выводит дрожание за пределы допустимого диапазона эксперимента. Связь работает по принципу «один к одному».

2.3 Размер фильтра для окна ±1%

Источником питания для сброса является импульсный источник тока, а фильтрующий конденсатор в узле сброса задает пульсирующее напряжение и, следовательно, пульсирующий ток через обмотку:

ΔI_reset = 2π × f_sw × C_f × ΔV_ripple

где ΔI_reset — пульсирующий ток в обмотке, f_sw — частота переключения, C_f — емкость фильтра, а ΔV_ripple — пульсирующее напряжение в узле.

Вычисление емкости:

C_f = ΔI_reset / (2π × f_sw × ΔV_ripple)

где C_f — емкость фильтра, ΔI_reset — допустимый пульсирующий ток, f_sw — частота переключения, а ΔV_ripple — пульсирующее напряжение. При 1 мА, 100 кГц и 1 мВ значение составляет 1.6 мкФ, поэтому для покрытия этой позиции подойдет конденсатор емкостью 2.2 мкФ.

Сам фильтр должен оставаться стабильным. Компонент класса II, емкость которого снижается на 30–50% при постоянном напряжении и температуре, расширяет диапазон пульсаций и снижает точность сброса, в то время как керамический компонент класса I сохраняет свои значения с точностью лучше 0.35% во всем диапазоне.

2.4 Тепловой и стареющий дрейф контура сброса

Ток сброса регулируется относительно опорного значения, и каждый компонент между опорным значением и обмоткой вносит свой вклад в дрейф. ЭПР фильтра нагревается пульсациями тока, сопротивление обмотки возрастает с температурой, и само опорное значение смещается.

Вклад конденсатора соответствует обычной модели потерь:

P_loss = I_rms² × ESR + 2π × f × C × V² × tanδ

где P_loss — рассеяние, I_rms — среднеквадратичный пульсационный ток, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, f — частота, C — емкость, V — среднеквадратичное напряжение, а tanδ — коэффициент рассеяния.

Фильтр класса I с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) ниже 10 мОм на частоте 100 кГц и тангенсом угла диэлектрических потерь (tanδ) равным или ниже 0.1% практически не выделяет тепла и не имеет дрейфа. Диэлектрик с потерями превращает ту же самую деталь в самонагревающийся элемент, емкость и ESR которого изменяются синхронно, что приводит к нарушению диапазона ±1% именно в тот момент, когда оборудование работает при максимальной температуре.

Рис. 1 — Обмотка сброса возвращает сердечник в состояние −0.6 Тл, поэтому доступный размах составляет 2.2 Тл, а время блокировки сохраняется на уровне 880 нс.

3. Проблемы проектирования

Проблемная точка 1: Сброс тока — смещение рабочей точки

Дрожание на переднем крае и провисание на верхней границе полосы пропускания появляются после начала работы устройства и усиливаются со временем работы. Ток выходит за пределы своего диапазона ±1% по мере старения фильтра или нагрева источника питания, поэтому рабочая точка смещается вдоль петли BH.

Каждый импульс, таким образом, имеет различное время блокировки. Измерения постоянного тока не позволяют это увидеть, поскольку выходной сигнал регулятора выглядит постоянным, в то время как пульсации на обмотке возрастают.

Болевой пункт 2: пульсации, вызывающие дрожание импульса от импульса к импульсу.

Изношенный или неправильно подобранный фильтр позволяет пульсациям переключения модулировать ток сброса на частоте преобразователя. В результате возникает детерминированная составляющая дрожания, синхронизированная с этой частотой.

Похоже на неисправность платы управления двигателем, и она сохраняется после любого ремонта, при котором фильтр остается нетронутым.

Проблема №3: ​​Перегрев при длительной эксплуатации

В процессе непрерывной работы с высокой частотой импульсов самонагрев обмотки сброса и фильтра приводит к их самонагреву. В течение 30 минут работы повышается эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), увеличивается пульсация, и защитное стекло пробивается.

Наиболее слабым звеном в компрессоре с точки зрения тепловых характеристик является контур сброса, а не основной контур нагнетания.

Проблема 4: дрейф петли BH более чем на 10^5–10^6 выстрелов

В ходе этого эксперимента подсчитывается форма малой петли и дрейф остаточной намагниченности в зависимости от накопленной истории намагниченности, а также старение диэлектрика фильтра, в результате чего его эквивалентное последовательное сопротивление возрастает. Оба эффекта смещают точку сброса.

Дрейф носит монотонный характер, поэтому система никогда не возвращается к исходному времени без полной перекалибровки контура сброса.

Проблемный момент 5: Перегрев ядра из-за неполного сброса настроек.

Частичное восстановление приводит к тому, что каждый цикл протекает по асимметричной малой петле, охватывающей большую площадь, чем расчетная петля, поэтому потери на гистерезис возрастают, и сердечник нагревается. Нагрев сердечника затем сдвигает петлю BH, поскольку магнитная проницаемость и коэрцитивная сила зависят от температуры.

Это замыкает петлю обратной связи, которая ухудшает стабильность синхронизации по мере продолжения импульсной нагрузки.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Создать источник питания сброса на основе фильтра класса I.

Задайте размер фильтра, используя формулу C_f = ΔI_reset / (2πf_swΔV_ripple), при этом допустимый уровень пульсаций должен находиться в пределах окна ±1%, и выберите соответствующий параметр. N4700 Компоненты класса I предотвращают резкое падение их характеристик под воздействием постоянного тока или температуры.

Проверьте эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) на частоте преобразователя, поскольку номинальный ток пульсаций является определяющим параметром в этом положении. Широкий диапазон значений ESR с низким значением ESR. пленочный конденсатор Обладает привлекательными характеристиками по емкости, но теряет свои преимущества при приложении постоянного смещения и увеличении коэффициента заполнения импульса.

Стратегия 2: Регулирование с использованием точного эталона.

Удерживайте ток сброса в пределах ±1% относительно температурно-компенсированного эталонного сигнала и измеряйте ток на обмотке так, чтобы потери в обмотке и фильтре оставались внутри контура. Низкий дрейф. резистор выборки В узле обмотки формируется чистый сигнал считывания для контура.

В ходе квалификации откалибруйте заданное значение при 25 °C, 60 °C и 100 °C и зарегистрируйте ток в процессе работы. Монотонное отклонение, превышающее 1%, является самым ранним признаком деградации фильтра или сердечника.

Стратегия 3: Приурочить сброс к межимпульсному интервалу.

Во время паузы, в течение которой ток должен подаваться, соблюдайте правильную полярность и длительность импульса, подавая ток в течение как минимум пятикратного значения постоянной времени L/R обмотки. Для импульсного режима работы масштабируйте интервал в соответствии с частотой импульсов, чтобы длительность тока за один импульс была одинаковой.

Добавьте обмотку с контролем магнитного потока или интегрируйте напряжение основной обмотки, чтобы убедиться, что сердечник достигает точки сброса перед следующим циклом. Ошибка магнитного потока выше 1% должна вызывать блокировку, а не импульс выхода за пределы допуска.

Стратегия 4: Управление тепловым контуром цикла перезагрузки.

Проследите цепочку от диэлектрика к корпусу, радиатору и окружающей среде для фильтрующих конденсаторов и поддерживайте запас по температуре ниже 30 °C при максимальной частоте импульсов. Проложите обмотку сброса с достаточным количеством медного сечения, чтобы сопротивление оставалось в пределах 5% в зависимости от температуры, поскольку изменение сопротивления обмотки будет восприниматься контуром как изменение тока сброса.

Контролируйте температуру корпуса фильтра; устойчивое повышение на 5 °C выше базового уровня указывает на рост ЭПР. толстопленочный резистор В RC-цепи демпфирования, подключенной к обмотке, также поглощаются собственные колебания обмотки в течение интервала сброса.

Стратегия 5: Следите за контуром BH и поддерживайте заданное количество выстрелов.

Используйте значение ресурса импульса в 10^6 импульсов в качестве порогового значения для технического обслуживания и сравните время импульса с базовым значением после первых 1000 импульсов. Перекалибруйте точку сброса всякий раз, когда ширина сжатого импульса отклоняется более чем на 5% от этого базового значения.

Для питания сброса всегда имейте в наличии подходящий запасной комплект фильтров, чтобы замена в полевых условиях не привела к повторному возникновению дисбаланса пульсаций.

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 N4700 для цепей сброса MPC.

Выбор параметров на этом узле определяется четырьмя требованиями: емкость, не изменяющаяся под действием постоянного напряжения, низкий уровень пульсаций нагрева, низкие диэлектрические потери и значение, сохраняющееся в пределах ±1%. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане для этого набора параметров в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Диэлектрик класса I N4700 с тангенсом угла диэлектрических потерь tanδ равным или ниже 0.1% и эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) ниже 10 мОм на частоте 100 кГц делает нагрев фильтра от пульсаций пренебрежимо малым, поэтому диапазон ±1% сохраняется при максимальной частоте импульсов.
• Линейный коэффициент, близкий к ±30 ppm/°C, с дрейфом ниже ±0.35% в диапазоне от −25 °C до +125 °C, обеспечивает стабильное значение фильтра, размер окна пульсаций и точность сброса в широком диапазоне температур.
• Емкость элементов класса I практически не зависит от постоянного напряжения смещения, поэтому фильтр емкостью 2.2 мкФ сохраняет свои значения при фактическом напряжении узла сброса, в то время как элементы класса II могут терять 30–50%.
• Отсутствие электролита и эпоксидная герметизация не оставляют пути для высыхания в корпусе для сброса, поэтому контур имеет десятилетний период стабильности вместо кривой электролитического старения.
• Допуск ±1% в пределах одной партии обеспечивает сбалансированность параллельных групп фильтров и позволяет допустимым пульсациям передаваться на обмотку, а не на распределение напряжения в конденсаторе.
• Корпуса с радиальными выводами и дисками охватывают узел фильтра, RC-цепь демпфирования и развязку контроллера, при этом дверная ручка конденсаторы Доступно там, где узлу требуется клеммная колодка с болтовым креплением.

Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам VishayКерамика KEMET и Murata, используемая в высоковольтных системах, позволяет проводить сравнение «один к одному» при проверке источника питания сброса.

В одной из программ MPC с частотой 100 Гц замена фильтрующих конденсаторов класса II на керамические конденсаторы N4700 позволила снизить пульсации тока сброса с 3.8% до 0.6%, уменьшить измеренное дрожание импульса с ±35 нс до ±8 нс и увеличить интервал перекалибровки с 50 000 до более чем 500 000 импульсов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты N4700 поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты фильтров — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете тока сброса, анализе пульсаций, подборе размеров фильтров и консультировании по стабильности BH.

Укажите длину основного тракта, количество витков обмотки, требуемое поле, частоту переключения и допустимые пульсации. HVC в течение пяти рабочих дней выдаст рекомендацию по фильтру с данными об ESR и постоянном смещении, значением демпфирующей ветви и комплектом для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой ток сброса требуется переключателю Metglas?

В приведенном примере ток составляет 200 мА, исходя из I_reset = H × l_m / N при 2 А/м, средней длине цепи 0.5 м и 5 витках. Источник питания должен поддерживать его в пределах ±1%, что составляет ±2 мА, поскольку ошибка потока напрямую коррелирует с ошибкой тока.

В2: Насколько сильно сдвиг во времени импульса вызывает ошибка сброса в 1%?

Примерно 9 нс, поскольку время блокировки t_block = N A_e ΔB / V масштабируется пропорционально размаху потока. Ошибка в 5% сдвигает сжатый импульс на 44 нс, чего достаточно, чтобы нарушить временной допуск лазерного эксперимента.

В3: Каков размер конденсатора фильтра сброса?

Из формулы C_f = ΔI_reset / (2πf_swΔV_ripple). При допустимом уровне пульсаций 1 мА, частоте 100 кГц и допустимом уровне пульсаций 1 мВ значение составляет 1.6 мкФ, поэтому конденсатор емкостью 2.2 мкФ покрывает это положение с запасом для допуска по напряжению пульсаций.

Вопрос 4: Почему фильтр класса II нарушает окно сброса?

Поскольку его емкость падает на 30–50% при постоянном напряжении и температуре, пульсации тока возрастают с уменьшением емкости, диапазон значений расширяется, а точность сброса снижается без изменения напряжения питания. Компонент класса I сохраняет свои значения с точностью лучше 0.35% в этом диапазоне.

В5: Почему показания секундомера начинают сбиваться после 30 минут бега?

Контур сброса является самым слабым звеном с точки зрения теплоотдачи. Обмотка и фильтр самонагреваются, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) возрастает, пульсации увеличиваются, и окно срабатывания оказывается перегруженным. Фильтр класса I с ESR ниже 10 мОм на частоте 100 кГц сводит нагрев к минимуму, поэтому дрейф не играет никакой роли.

В6: Какие сигналы указывают на то, что петля ЧД сместилась?

Сжатая ширина импульса, отклоняющаяся более чем на 5% от базового значения первых 1000 импульсов, плюс ток сброса, монотонно превышающий 1%. Оба явления являются полевыми измерениями одной и той же проблемы, и обмотка с датчиком потока превращает их из импульса, выходящего за пределы допуска, в блокировку.

7. Рекомендации

1. Куффель, Э., Заенгль, В.С., и Куффель, Дж. Высоковольтная техника: основы, 2-е изд. Оксфорд: Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
6. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器. Источник: 中国标准出版社, 2021.
7. Ук-Джин Ли и Сын-Ки Соль, Стабилизация напряжения звена постоянного тока для инвертора с уменьшенным количеством конденсаторов в звене постоянного токаIEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 1, стр. 404-414, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2013.2268733.
8. З. Ли и др., Интеллектуальный подход к мониторингу состояния деградации металлизированных пленочных конденсаторов с использованием ультразвукового сигнала самовосстанавливающегося разряда., в сборнике трудов Международного симпозиума CPSS и IEEE по хранению и преобразованию энергии (ISESC), стр. 206-211, 2024. https://doi.org/10.1109/isesc63657.2024.10785409
9. Примечание по применению модуля IGBT (Раздел 6.7 Демпфирующая цепь)Mitsubishi Electric, https://www.mitsubishielectric.com/cn/semiconductors/powerdevices/application_notes/igbt_t_t1_note_e_index_e.pdf .
10. США 10,529,487, Многослойный керамический конденсатор с внутренними электродами, имеющими различное расположение краев., Taiyo Yuden Co., Ltd., выдано в 2020 г., https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com