Выбор демпфирующего конденсатора для насыщаемых реакторных зажимов MPC

Выбор демпфирующего конденсатора для насыщаемых реакторных зажимов MPC

Резюме

Каждый насыщаемый реактор в цепи магнитной импульсной компрессии совершает полный оборот по петле BH за каждый импульс, и когда сердечник насыщается, накопленная энергия намагничивания нуждается в контролируемом месте назначения. Без него происходит зарядка паразитной емкости петли и разрушение выключателя, который он должен был защищать. В этой статье выводятся значения наведенного перенапряжения, энергии намагничивания, емкости ограничителя и требуемого диода, а затем рассчитывается размер ограничителя для компрессора с частотой 100 Гц.

1. Введение

Каждый магнитный переключатель в цепи сжатия совершает полный оборот намагниченности BH при каждом импульсе. Пока сердечник остается ненасыщенным, он накапливает энергию намагничивания в своей большой ненасыщенной индуктивности.

Когда произведение вольт-секунд исчерпывается, сердечник насыщается, и индуктивность падает. Накопленной энергии нужен новый путь, и в этом случае переключатель испытывает напряжение, определяемое законом Фарадея с максимальной скоростью изменения.

Без контролируемого ограничения эта энергия заряжает паразитную емкость контура и вызывает скачок напряжения на том самом полупроводнике, который цепочка была призвана защищать. Переходный процесс с напряжением 7.2 кВ на SiC-переключателе напряжением 1.2 кВ завершает этап при первом же событии.

Защита с помощью магнитного выключателя включает в себя ответвление с быстровосстанавливающимся диодом, включенным последовательно с конденсатором. Это ответвление подавляет импульс, поглощает энергию намагничивания и восстанавливает магнитный поток в сердечнике для следующего цикла. Его эффективность зависит от конденсатора, диода и геометрии контура.

2. Основной механизм

2.1 Перенапряжение насыщения

Напряжение на реакторе в период его простоя подчиняется закону Фарадея:

V = N × A_e × dB/dt

где V — наведенное напряжение, N — число витков, A_e — эффективное поперечное сечение сердечника, а dB/dt — скорость магнитного потока в момент насыщения.

Сердечник Metglas 2605SA1 с 6 витками и поперечным сечением 2 см² создает магнитное поле ΔB = 1.2 Тл за 200 нс, что соответствует магнитному потоку 6 × 10^6 Тл/с. Индуцированное напряжение составляет 6 × 2 × 10^-4 × 6 × 10^6, или 7.2 кВ.

Этот переходный процесс в 2–6 раз превышает номинальное напряжение ступенчатого переключателя (1.2–3.3 кВ). Это также объясняет периодическое разрушение полупроводников в полевых условиях, поскольку скачок напряжения появляется только при таких напряжениях заряда, при которых время насыщения совпадает с резонансом контура.

2.2 Энергия намагниченности и незафиксированный импульс

Энергия, содержащаяся в ненасыщенной индуктивности в момент насыщения, равна:

E_mag = ½ × L_unsat × I²

где E_mag — энергия намагничивания, L_unsat — ненасыщенная индуктивность, а I — зарядный ток в состоянии насыщения. При индуктивности 20 мкГн и токе 250 А запасенная энергия составляет 0.625 Дж.

Без зажима эта энергия заряжает паразитную емкость петли:

ΔV = √(2 × E_mag / C_stray)

где ΔV — результирующее напряжение, E_mag — энергия намагничивания, а C_stray — паразитная емкость петли. При 500 пФ пиковое напряжение достигает 50 кВ, что разрушает все полупроводниковые элементы в каскаде.

Устройство предназначено для того, чтобы направить эту энергию в нужное место с заданным повышением напряжения.

2.3 Расчет размеров ограничивающего конденсатора и диода

Ограничительный конденсатор поглощает энергию намагничивания в пределах допустимого повышения напряжения:

C_clamp = 2 × E_mag / ΔV_clamp²

где C_clamp — емкость зажима, E_mag — энергия намагничивания, а ΔV_clamp — допустимое повышение напряжения над напряжением каскада. При энергии 0.625 Дж и повышении напряжения на 1 кВ для зажима требуется 1.25 мкФ.

Допустимое повышение напряжения должно быть не выше 15% от номинального напряжения переключателя, а также следует добавить 20% запаса по E_mag на случай изменения температуры сердечника, что влияет на ΔB и запасенную энергию.

Последовательно включенный диод пропускает полный ток каскада 250 А и должен восстанавливаться достаточно быстро, чтобы избежать собственного скачка напряжения. Выберите быстрое восстановление деталь с t_rr равным или ниже 50 нс и обратным номинальным напряжением, составляющим не менее 1.5 × заданного уровня.

Контур ограничения напряжения от реактора к диоду и конденсатору короткий и широкий. Каждые 10 нГн дополнительной индуктивности контура повышают эффективный уровень ограничения, поскольку напряжение на переключателе резко возрастает до того, как ветвь отреагирует.

2.4 Потери при высоком уровне импульсов

Диссипативный зажим преобразует энергию намагничивания в тепло при каждом импульсе:

P_diss = E_mag × PRF

где P_diss — рассеиваемая мощность, E_mag — энергия на одно событие, а PRF — частота повторения импульсов. При частоте 100 Гц ограничитель будет потреблять 0.625 Дж × 100, или 62.5 Вт, что не под силу ни одному малогабаритному устройству.

Ветвь восстановления возвращает большую часть этой энергии на следующий этап. Конденсатор ограничения по-прежнему имеет собственные диэлектрические потери:

P_cap = 2π × f × C × V² × tanδ

где P_cap — рассеиваемая мощность конденсатора, f — эффективная частота, C — емкость ограничителя, V — среднеквадратичное напряжение на нем, а tanδ — коэффициент рассеяния. При 100 кГц, 1.25 мкФ и 3 кВ величина 2π × f × C × V² достигает 7.07 МВт на единицу tanδ.

Деталь класса I N4700 с tanδ, близким к 0.0002, рассеивает около 1.4 Вт. Деталь класса II с tanδ = 0.02 рассеивает 140 Вт и становится нагревателем, установленным рядом с защищаемым ею выключателем.

Рис. 1 — В ветви MSP диод восстановления с временем релаксации 50 нс включен последовательно с ограничивающим конденсатором емкостью 1.25 мкФ, так что 0.625 Дж находят контролируемый путь вместо зарядки паразитной емкости.

3. Проблемы проектирования

Проблемная точка 1: Перенапряжение, превышающее номинальное напряжение выключателя.

Индуцированный переходный процесс при напряжении 7.2 кВ превышает номинальный ток переключателя 1.2–3.3 кВ в 2–6 раз. Отказы в полевых условиях показывают короткое замыкание перехода в лавинном режиме, и это явление носит прерывистый характер.

Эта неисправность проявляется только при определенных напряжениях заряда, где совпадают время насыщения и резонанс петли, поэтому она заслужила репутацию невоспроизводимой.

Проблема 2: Энергия намагничивания, которой некуда деваться.

Без ограничителя тока 0.625 Дж заряжает паразитную емкость до уровня 50 кВ. Использование конденсатора с недостаточным номиналом только переносит проблему: перенапряжение смещается на сам конденсатор, который затем искрит изнутри.

Эта поломка обычно происходит в середине цикла работы компрессора, когда он работает на пределе своих возможностей.

Проблема 3: Самонагрев конденсатора зажима из-за диэлектрических потерь.

Ограничительный конденсатор заряжается и разряжается при каждом импульсе, поэтому его тангенс угла потерь (tanδ) умножается на частоту импульсов. При частоте 100 Гц компонент класса II рассеивает 140 Вт в небольшом корпусе рядом с выключателем.

Затем его емкость смещается, и напряжение натяжения ослабевает именно тогда, когда реактор насыщается сильнее всего. Устройства деградируют через 30 минут, потому что напряжение натяжения смещается.

Проблема №4: медленное восстановление диода и индуктивность контура.

Диод с длительностью импульса t_rr выше 100 нс вводит второй, более высокочастотный импульс во время восстановления, который синхронизируется с зафиксированной формой сигнала. Зазор в 20–30 нГн между реактором и конденсатором позволяет напряжению переключателя резко возрасти до того, как сработает ответвление.

В результате анализа после отказа обе неисправности проявляются как повреждение конденсатора, что направляет расследование в неверном направлении.

Болевой момент 5: Обратимое восстановление и эрозия с частичным выделением со временем

Конденсатор-ограничитель подвергается воздействию полного обратного цикла каскада. Пленочные компоненты с номинальным коэффициентом обратного тока ниже 40% выходят из строя из-за растрескивания диэлектрика, а внутренний частичный разряд вызывает эрозию краев электродов до тех пор, пока емкость не уменьшится.

Первым видимым признаком является постепенное повышение напряжения зажима, которое не может быть зафиксировано измерительным прибором постоянного тока, и переключатель не выдерживает этого воздействия.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Подберите размер зажима, исходя из измеренной энергии намагничивания.

Измерьте L_unsat и ток насыщения с помощью трансформатора тока, затем вычислите C_clamp = 2E / ΔV², при этом допустимое повышение напряжения должно быть равно или ниже 15% от номинального напряжения переключателя. Добавьте 20% к энергии, необходимой для компенсации изменения температуры сердечника.

Проверьте напряжение на клеммах реактора с помощью высокочастотного дифференциального пробника. Индуктивность контура между конденсатором и клеммами относится к уровню напряжения на клеммах, поэтому пробник на конденсаторе показывает низкое значение.

Стратегия 2: Выбор керамических конденсаторов с низким ESL и низким tanδ для ограничения напряжения.

Используйте N4700 Детали класса I с tanδ равным или ниже 0.1%, в низкоэмиссионных корпусах с винтовыми клеммами и ESL менее 10 нГн, где петля должна оставаться плотной. Разместите конденсатор на расстоянии не более 10 мм от реактора и переключателя на одной медной плоскости.

При одновременной работе нескольких устройств класса 1.25 мкФ необходимо обеспечить согласование параллельных частей с точностью до ±1%. Необходимо подтвердить, что коэффициент реверсии составляет более 80%, а частичный разряд — менее 5 пКл при напряжении ограничения.

Стратегия 3: Рассматривайте диод и контур как единую схему.

Выберите диод с временем релаксации t_rr не более 50 нс и обратным током не менее 1.5-кратного уровня напряжения, подтвержденным двухимпульсным тестом, который не показывает вторичного пика при восстановлении. Держите контур «реактор-диод-конденсатор» коротким и широким, поскольку ламинированная шина пропускает токи класса 250 А, тогда как дорожка на печатной плате этого не делает.

Добавьте небольшой демпфирующий RC-усилитель параллельно шине сцены, чтобы поглотить остаточные колебания, которые не видны в контуре зажима. HVR-BSP Импульсный резистор подходит для этого демпфирующего положения, и широкий диапазон пленочный конденсатор не является заменой в цепи зажима, поскольку предел его реверсирования находится ниже амплитуды кольца.

Стратегия 4: Восстановление энергии намагничивания при частоте выше 30 Гц.

Преобразуйте схему ограничения мощности в схему восстановления без потерь, как только частота импульсов превысит 20–30 Гц. В этом случае пара диод-конденсатор возвращает большую часть энергии в 0.625 Дж на следующий каскад вместо того, чтобы расходовать 62.5 Вт.

Убедитесь, что восстановительный диод и ограничивающий конденсатор выдерживают полный ток ½L_unsat I² за одно событие, а также переворот восстановительного кольца. При частоте 100 Гц экономия составляет 62.5 Вт, что позволяет избежать повышения температуры на 3 °C по сравнению с повышением на 20 °C внутри корпуса компрессора.

Стратегия 5: Подтвердите эффективность защиты с помощью тренировок на выносливость.

Проведите двухимпульсное тестирование при максимальном напряжении заряда и наихудшем времени насыщения, регистрируя напряжение V_ds переключателя, напряжение ограничения и восстановление диода на каждом прототипе. Затем проведите 10^6-кратное испытание на долговечность при максимальной частоте импульсов с регистрацией температуры конденсатора ограничения.

Длительное повышение температуры выше 85 °C указывает на диэлектрические потери или проблемы с размерами. Включите этот участок в список ежегодного технического обслуживания, проверяя температуру конденсатора, утечку диода и эффективность рекуперации энергии до того, как они приведут к отказам в полевых условиях.

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 ответвлений MSP-зажимов

Выбор в этом узле определяется четырьмя требованиями: низкими диэлектрическими потерями при импульсном режиме работы, высокой устойчивостью к реверсированию, низким частичным разрядом и достаточно малым размером контура для своевременного реагирования. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для этого комплекта 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.

• 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 обеспечивает потери на ограничение сигнала ниже 1.5 Вт, тогда как компонент класса II рассеивал бы 140 Вт.
• Конструкция с винтовыми клеммами и низким уровнем ESL (менее 10 нГн) обеспечивает плотное замыкание контура, благодаря чему ответвление своевременно воспринимает пик насыщения и ограничивает его.
• Допуск на обратное напряжение выше 80% с частичным разрядом ниже 5 пКл подходит для глубокого обратного напряжения и высокого значения dV/dt, когда пленочные компоненты выходят из строя в течение 10^5 циклов разряда.
• Линейный коэффициент, близкий к ±30 ppm/°C, обеспечивает стабильность емкости зажима, а следовательно, и напряжения зажима, в диапазоне температур от −25 °C до +125 °C.
• Отсутствие электролита и эпоксидная герметизация исключают возможность высыхания в самой горячей и нагруженной части компрессора, поэтому конденсатор-зажим служит дольше, чем защищаемый им выключатель.
• Импульсные резисторы и диоды объединяются с конденсаторами в одной цепочке поставок, и дверная ручка конденсаторы Корпус плотно прилегает к зажимной петле, где расстояние между клеммами определяет индуктивность.

Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам VishayКерамика KEMET и Murata, используемая в высоковольтном оборудовании, позволяет проводить сравнительный анализ при сертификации зажима.

В одной из программ MPC-компрессоров с частотой 100 Гц замена конденсаторов ограничения класса II на керамические N4700 и восстановительного диода на высоковольтный элемент с длительностью импульса 35 нс позволила снизить измеренный импульс переключения с 4.1 кВ до 1.9 кВ и устранить отказы полупроводниковых компонентов, которые в среднем происходили один раз на 250 000 импульсов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты N4700 поставляются в течение 4–8 недель, а соответствующие комплекты зажимов — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете энергии намагничивания, определении размеров зажимов, проектировании системы восстановления без потерь и планировании испытаний с двойным импульсом.

Отправьте данные о ненасыщенной индуктивности, токе насыщения, размахе магнитного потока в сердечнике, номинальных характеристиках переключателя и частоте импульсов. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит рекомендации по выбору ограничивающего конденсатора с данными ESR и PD, предложение по диоду и комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Каков размер скачка, когда насыщаемый реактор достигает насыщения?

В приведенном примере напряжение составляет 7.2 кВ, рассчитанное по формуле N × A_e × dB/dt с 6 витками, 2 см² и размахом 1.2 Тл за 200 нс. В нефиксированном состоянии энергия намагничивания 0.625 Дж заряжает паразитную емкость 500 пФ примерно до 50 кВ, что завершает этап при первом событии.

В2: Как рассчитывается значение емкости ограничивающего конденсатора?

Исходя из формулы C_clamp = 2E_mag / ΔV_clamp². Для 0.625 Дж и допустимого повышения напряжения на 1 кВ значение составляет 1.25 мкФ. Допустимое повышение напряжения должно быть не выше 15% от номинального напряжения переключателя, а также следует добавить 20% запаса по энергии для компенсации изменения температуры сердечника.

В3: Какое время восстановления диода требуется ограничителю?

t_rr не превышает 50 нс, при этом обратный номинальный ток составляет не менее 1.5 × заданного уровня. Более медленные компоненты вводят второй импульс во время восстановления, который накладывается на заданную форму сигнала, и неисправность обычно связывают с конденсатором.

Вопрос 4: Почему конденсатор-ограничитель класса II перегревается?

Поскольку P_cap = 2πfCV²tanδ. При 100 кГц, 1.25 мкФ и 3 кВ значение достигает 7.07 МВт на единицу tanδ, поэтому компонент класса II с 2% рассеивает 140 Вт, а компонент N4700 с чувствительностью около 0.02% рассеивает 1.4 Вт.

В5: В каких случаях стоит использовать дополнительные компоненты для создания ветви восстановления без потери данных?

При частоте выше 20–30 Гц диссипативный ограничитель расходует E_mag × PRF, что составляет 62.5 Вт при 100 Гц, в то время как диодно-конденсаторная ветвь восстановления возвращает большую часть из 0.625 Дж на следующий каскад и поддерживает повышение температуры корпуса на уровне около 3 °C вместо 20 °C.

В6: Как убедиться в работоспособности зажима перед отправкой?

Проведите двухимпульсный тест при максимальном напряжении заряда и наихудшем времени насыщения, регистрируя напряжение переключения V_ds, напряжение ограничения и восстановление диода. Затем проведите 10^6-кратный тест на долговечность при максимальной частоте импульсов, регистрируя температуру конденсатора ограничения.

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. Y. Zhou, B. Chen, C. Tian, ​​J. Yuan и Y. Chen, Параллельный линейный преобразователь с диодным ограничением для испытаний на выдерживаемое напряжение и измерения частичных разрядов электрооборудования.Высокое напряжение, том 8, № 1, стр. 171-182, 2023. https://doi.org/10.1049/hve2.12312.
8. М. Сяо и др., Исследование характеристик частичного разряда и самовосстановления металлизированной пленки конденсаторов., в 2024 IEEE 5th International Conference on Dielectrics (ICD), стр. 1-4, 2024. https://doi.org/10.1109/icd59037.2024.10613348
9. Примечание по применению серии SOPIPM — 3.1.6 Схема демпфированияMitsubishi Electric, https://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/powerdevices/application_notes/SOPIPM_e.pdf .
10. Запрос рекомендаций по схеме демпфирования для защиты Infineon FF300R17KE4PСообщество разработчиков Infineon, https://community.infineon.com/t5/IGBT/Request-for-Snubber-Circuit-Recommendation-for-Protecting-Infineon-FF300R17KE4P/td-p/1241451 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com