Высоковольтные разделительные конденсаторы снижают электромагнитные помехи в источниках питания насосов.

Высоковольтные разделительные конденсаторы снижают электромагнитные помехи в источниках питания насосов.

Резюме

Высоковольтная шина постоянного тока повышает синфазный шумовой ток в источнике питания волоконного лазера. В данной статье выводятся член, описывающий источник тока, напряжение LISN, импеданс разделительного конденсатора и трехступенчатый допуск на ослабление для схемы с частотой 500 кГц и напряжением 800 В. Представлены четыре проблемных момента в полевых условиях и шесть стратегий, позволяющих поддерживать уровень кондуктивных излучений на уровне 8.7 дБ в соответствии с требованиями CISPR 11 класса B.

1. Введение

Мощный волоконный лазерный источник накачки обеспечивает переключение между частотами 100 кГц и 1 МГц с мощностью от 1 кВт до 30 кВт на модуль. Быстрые фронты импульсов на узле переключения пропускают ток через каждую паразитную емкость к шасси, и этот ток возвращается по кабелю переменного тока.

В промышленном цехе насосная станция расположена рядом со сварочными установками и метрологическим оборудованием. Неконтролируемые выбросы из станции мешают работе соседних машин, искажают данные измерений и вызывают срабатывание защитных цепей при ложных тревогах.

В шине постоянного тока от 400 до 800 В эта проблема усложняется по сравнению с универсальным источником питания. Больший размах напряжения приводит к большему току через ту же паразитную емкость, поэтому уровень излучения возрастает еще до добавления какого-либо фильтра.

В данной статье выводятся источники синфазного и дифференциального сигналов, импеданс разделительного конденсатора и трехступенчатый допуск на затухание. Затем перечисляются четыре проблемных момента в эксплуатации и шесть стратегий проектирования, основанных на конденсаторах класса I N4700.

2. Основной механизм

2.1 Источник синфазного тока

В каждом цикле переключения заряд перемещается в корпус и из него, выходя наружу через паразитную емкость. Средний ток составляет:

I_CM = 2 × C_para × V_bus × f_sw

где I_CM — средний синфазный ток, C_para — паразитная емкость от коммутирующего узла к шасси, V_bus — напряжение шины, через которое проходит напряжение узла, f_sw — частота переключения, а множитель 2 учитывает два фронта в каждом периоде.

При напряжении 800 В, емкости 100 пФ и частоте 500 кГц ток составляет 80 мА. Нарастание сигнала в узле происходит за 10 нс, поэтому скорость фронта составляет 80 В/нс, а пиковый ток смещения достигает 8 А.

2.2 Излучение, наблюдаемое в LISN

V_CM = I_CM × Z_LISN

где V_CM — синфазное напряжение на измерительном порту, I_CM — синфазный ток, а Z_LISN — импеданс сети стабилизации импеданса линии 50 Ом. В децибелах 1 мкВ — опорное значение, поэтому 2 мВ равны 66 дБмкВ.

Без локального обратного пути через LISN протекает весь ток 80 мА, создавая напряжение 4 В, что составляет 132 дБмкВ. Предел класса B по стандарту CISPR 11 составляет 66 дБмкВ в диапазоне частот от 150 кГц до 500 кГц, поэтому фильтр должен удалять не менее 66 дБ. Запас более 8 дБ позволяет каждой производственной партии соответствовать требованиям производственной линии.

2.3 Импеданс изолирующего конденсатора

Z_iso(f) = ESR + j×2π×f×ESL + 1 / (j×2π×f×C_iso)

где Z_iso — импеданс разделительного конденсатора, ESR и ESL — его последовательное сопротивление и индуктивность, C_iso — его емкость, а f — частота. Конденсатор работает в режиме шунтирования только ниже своего собственного резонанса:

SRF = 1 / (2π×√(ESL × C_iso))

где SRF — собственная резонансная частота, ESL — эквивалентная последовательная индуктивность, а C_iso — изолирующая емкость. Компонент емкостью 1 нФ с индуктивностью 10 нГн резонирует на частоте 50.3 МГц, выше верхней границы диапазона CISPR в 30 МГц.

Это устанавливает предел ESL. Чтобы поддерживать резонанс выше 30 МГц при 1 нФ, ESL должен оставаться ниже 28 нГн, чему уже соответствует компонент с радиальными выводами и короткими выводами.

2.4 Трехступенчатая поправка на ослабление

На каждом этапе шум делится на коэффициент импеданса, который он представляет. Шунтирующий конденсатор работает против импеданса сети:

A_shunt = 20 × log10(1 + Z_LISN / Z_shunt)

где A_shunt обозначает затухание одного каскада шунтирования в децибелах, Z_shunt — импеданс конденсатора на частоте шума, а Z_LISN — импеданс сети 50 Ом. Последовательный элемент, такой как дроссель, добавляет свой импеданс к тому же пути:

A_series = 20 × log10(1 + Z_series / Z_LISN)

где A_series обозначает затухание последовательного каскада, Z_series — сопротивление дросселя на частоте шума, а Z_LISN — сопротивление сети. Каскадные каскады умножаются, поэтому их значения в децибелах суммируются.

На частоте 500 кГц разделительный конденсатор 100 нФ показывает сопротивление 3.18 Ом и обеспечивает уровень 24.5 дБ. Дроссель синфазного режима 2 мГн показывает сопротивление 6,283 Ом и обеспечивает уровень 42.0 дБ. Второй каскад 10 нФ показывает сопротивление 31.8 Ом и обеспечивает уровень 8.2 дБ. В сумме эти три значения дают 74.7 дБ.

2.5 Дифференциальный шум

V_DM = I_ripple × ESR + L_para × dI/dt

где V_DM — дифференциальное напряжение между фазой и нейтралью, I_ripple — пульсирующий ток через входной конденсатор, ESR — его последовательное сопротивление, L_para — паразитная индуктивность этого контура, а dI/dt — наклон кривой тока.

Пульсирующий ток 20 А через сопротивление 50 мОм дает 1 В. Тот же ток с крутизной 2 А/нс через 10 нГн дает 20 В. Входной фильтр должен выдерживать пиковое значение 21 В, которое ослабляется конденсаторами X в линейной и нейтральной парах.

Рис. 1 — Паразитный контур емкостью 100 пФ преобразует сигнал с частотой 80 В/нс в синфазный шум напряжением 4 В, а три фильтрующих каскада снижают его до 0.74 мВ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Номинальные характеристики разделительных конденсаторов при нагрузке на шину.

Керамический элемент, рассчитанный на 250 В переменного тока или 400 В постоянного тока, не выдерживает напряжения шины 800 В. Пробой при таком напряжении представляет собой угрозу безопасности и может привести к выходу из строя всей лазерной системы.

Номинальное напряжение разделительного конденсатора должно составлять 1.5-кратное максимальное напряжение шины. Для шины 400 В требуется 600 В, а для шины 800 В — 1200 В, поэтому диапазон от 1 кВ до 1200 В охватывает прямую накачку диодом.

Болевой пункт 2: СОЭ повышается с увеличением частоты сердечных сокращений.

Скин-эффект электрода и диэлектрические потери повышают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) с увеличением частоты. Микросхема X7R на частоте 30 МГц может демонстрировать ESR в 5-10 раз выше, чем на частоте 1 кГц.

Этот подъем достигает верхней границы допустимого затухания. Затем верхние гармоники проходят через фильтрующий каскад, который должен был их подавлять, и излучение пересекает линию выше 10 МГц, где отклик антенны наиболее сильный.

Проблема 3: Учащиеся, изучающие английский как второй язык, располагают собственный резонанс ниже допустимого диапазона.

Микросхема емкостью 10 нФ с индуктивностью выводов 30 нГн резонирует на частоте 9.19 МГц. Выше этой частоты она ведет себя как индуктор и перестает выполнять функцию шунтирования.

Диапазон CISPR 11 простирается до 30 МГц, поэтому компонент, перестающий работать на частоте 9.19 МГц, оставляет 20 МГц спектра незанятыми. Короткие выводы и безвыводной корпус позволяют тому же компоненту емкостью 10 нФ работать на частоте 29 МГц с индуктивностью 3 нГн.

Проблемный момент 4: Дрейф емкости, влияющий на затухание.

Керамика класса II теряет от 15% до 22% своей емкости в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C. Падение на 22% увеличивает импеданс разделительного конденсатора емкостью 100 нФ с 3.18 Ом до 4.08 Ом на частоте 500 кГц.

Затухание на этапе снижается с 24.5 дБ до 22.4 дБ, поэтому общее значение падает до 72.6 дБ, а остаточное значение возрастает с 57.3 дБмкВ до 59.4 дБмкВ. Запас в 8.7 дБ становится 6.6 дБ в верхней части диапазона.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использование диэлектрика класса I N4700 для изоляции.

N4700 (T3M) имеет температурный коэффициент ±30 ppm/°C и емкость в пределах ±0.35% в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C. Его затухание остается в пределах 0.03 дБ в этом диапазоне, поэтому общее затухание 74.7 дБ сохраняется при любой рабочей температуре.

Соответствовать N4700 Детали находятся в изоляционном и фильтрующем положениях. Деталь класса II снижает уровень шума на 2.1 дБ при 125 °C и устраняет большую часть запаса прочности.

Стратегия 2: Разделить емкость изоляции на три этапа.

Каждому каскаду следует присвоить свой конденсатор: 100 нФ для диапазона частот от 150 кГц до 1 МГц, 10 нФ для диапазона от 1 МГц до 10 МГц и 1 нФ для диапазона от 10 МГц до 30 МГц. Каждый каскад охватывает диапазон с наименьшим импедансом.

Используйте HVCT8G Компоненты с радиальными выводами и эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн для каскадов 100 нФ и 10 нФ, а также безвыводной корпус с ESL ниже 3 нГн для каскада 1 нФ. Суммарный уровень усиления трех каскадов составляет 74.7 дБ на частоте 500 кГц.

Стратегия 3: Сохраняйте небольшой цикл изоляции.

Разместите конденсатор между контактной площадкой коммутационного узла и контактной площадкой заземления шасси, используя дорожки длиной менее 3 мм и два параллельных переходных отверстия на каждый вывод. Индуктивность контура напрямую влияет на ESL, а 5 мм дорожки добавляют около 4 нГн.

При уровне ESL ниже 30 нГн каскад на 1 нФ сохраняет резонанс выше 30 МГц. Каждый миллиметр, удаленный от петли, компенсирует уровень ESL в точке с наименьшим запасом затухания.

Стратегия 4: Добавить синфазный дроссель в пару проводников.

Дроссель синфазного режима имеет высокое сопротивление синфазному току и низкое сопротивление дифференциальному току нагрузки. Дроссель с индуктивностью 2 мГн показывает сопротивление 6,283 Ом на частоте 500 кГц при сопротивлении LISN 50 Ом.

Такое соотношение само по себе дает 42.0 дБ, что является наибольшим отдельным вкладом в общую мощность. Выберите дроссель с током насыщения выше пикового тока сети и собственным резонансом выше 100 МГц.

Стратегия 5: Соответствие требованиям безопасности класса Y на шлагбауме.

В местах, где разделительный конденсатор перекрывает сетевой барьер, требуется одобрение органа по безопасности. Для шины 800 В требуется компонент Y1 с пиковым импульсным напряжением 8 кВ.

HVC охватывает диапазон напряжений от 1 кВ до 100 кВ без последовательного соединения, поэтому одна деталь на позицию соответствует импульсному режиму работы. Конденсаторы с номинальной мощностью Y1 с указанием номера дела агентства, указанного на чертеже.

Стратегия 6: Проведение предварительной проверки на соответствие требованиям на этапе компоновки.

Перед изготовлением первого прототипа измерьте синфазный ток на разделительном конденсаторе с помощью ближнеполевого пробника и анализатора спектра. Сравните полученные показания с результатами моделирования и примите во внимание, что разница не должна превышать 6 дБ.

Используйте сканирование для размещения конденсатора и выбора размера дросселя. Добавьте конденсатор X и пленочный конденсатор на звене постоянного тока для затухания дифференциального пути согласно §2.5, поскольку пиковое значение 21 В там также нуждается в ослаблении.

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. Высоковольтные конденсаторы для источников питания насосов, критически важных с точки зрения электромагнитной совместимости.

Для этого узла требуются три условия: номинальное напряжение выше напряжения шины постоянного тока, емкость, не изменяющаяся с температурой, и достаточно низкий уровень эквивалентной последовательной индуктивности (ESL), чтобы поддерживать собственный резонанс выше 30 МГц. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 (T3M) для этого комплекта на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Температурный коэффициент составляет ±30 ppm/°C, а емкость внутри — ±0.35% в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C. Допустимое затухание 74.7 дБ изменяется на 0.03 дБ вместо 2.1 дБ, которые характерны для компонентов класса II.
• Номинальное напряжение от 1 кВ до 100 кВ, что охватывает шины постоянного тока от 48 В до 800 В без последовательного соединения и обеспечивает импульсную устойчивость, необходимую для сертификации Y1.
• Значение ESL ниже 10 нГн в радиально-выводном корпусе HVCT8G и ниже 3 нГн в безвыводных корпусах, что позволяет удерживать резонанс каскада 1 нФ выше 30 МГц.
• Коэффициент рассеяния ниже 0.1%, поэтому эквивалентное последовательное сопротивление остается неизменным во всем диапазоне CISPR, а высокочастотные каскады поддерживают затухание, предусмотренное конструкцией.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, предотвращает внутреннюю эрозию, которая повышает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) в течение срока службы и, соответственно, уменьшает запас прочности.
• Емкость остается в пределах 2% после 50 000 часов при 85 °C, поэтому измеренные эмиссионные характеристики при квалификации по-прежнему соответствуют эмиссионным характеристикам на пятом году эксплуатации. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и посадочным местам компонентов. Murata Винтовые высоковольтные конденсаторы, используемые в программах полевого ремонта.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные многоступенчатые комплекты конденсаторов — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в анализе затухания, анализе синфазных токов и проверке компоновки контура изоляции.

Отправьте напряжение шины, частоту переключения, скорость фронта сигнала, оценку емкости шасси и предельный уровень излучения, которому вы должны соответствовать. HVC в течение пяти рабочих дней выдаст вам лист выбора с данными ESR, ESL и собственного резонанса, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как рассчитать ток синфазного шума?

Поскольку I_CM = 2 × C_para × V_bus × f_sw. При 800 В, 100 пФ и 500 кГц два фронта каждого периода смещаются на 160 нКл, поэтому средний ток составляет 80 мА. Этот ток через 50-омный LISN развивает напряжение 4 В, или 132 дБмкВ.

В2: Почему для разделительного конденсатора требуется эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) ниже 28 нГн?

Поскольку SRF = 1 / (2π×√(ESL × C_iso)) должно оставаться выше 30 МГц, верхней границы полосы CISPR 11. При 1 нФ 28 нГн дают 30 МГц, а 10 нГн — 50.3 МГц. Более длинный провод не изменяет C_iso, поэтому он понижает резонанс и скрывает верхнюю границу полосы.

В3: Какое ослабление сигнала необходимо фильтру?

Для достижения уровня сигнала класса B по стандарту CISPR 11 требуется 66 дБ на частоте 500 кГц, плюс 12 дБ запаса по расчету. Изолирующий конденсатор 100 нФ дает 24.5 дБ, дроссель синфазного режима 2 мГн — 42.0 дБ, а второй каскад 10 нФ — 8.2 дБ. Каскадные каскады суммируются, поэтому общий уровень составляет 74.7 дБ.

Вопрос 4: Действительно ли конденсатор X7R увеличивает маржу прибыли?

Да. Падение емкости на 22% при 125 °C увеличивает импеданс 100 нФ с 3.18 Ом до 4.08 Ом на частоте 500 кГц и снижает уровень сигнала на этом каскаде с 24.5 дБ до 22.4 дБ. Остаточный уровень возрастает до 59.4 дБмкВ, а запас по уровню сигнала снижается с 8.7 дБ до 6.6 дБ. N4700 изменяет уровень сигнала на том же каскаде на 0.03 дБ.

В5: Что вызывает дифференциальный шум при напряжении 21 В?

Два параметра. Пульсирующий ток 20 А через сопротивление 50 мОм дает 1 В, а тот же ток с наклоном 2 А/нс через индуктивность петли 10 нГн дает 20 В. Конденсаторы X, подключенные параллельно линии и нейтральной паре, ослабляют этот пик в 21 В.

Вопрос 6: Куда следует поместить разделительный конденсатор?

Непосредственно между контактной площадкой коммутационного узла и контактной площадкой заземления шасси, с дорожками менее 3 мм и двумя переходными отверстиями на каждый вывод. Пять миллиметров дорожки добавляют около 4 нГн, что снижает резонанс каскада на 1 нФ с 50.3 МГц и уменьшает допустимое затухание.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., 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 60384-14:2023, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 14: Спецификация по разделам — Неподвижные конденсаторы для подавления электромагнитных помех и подключения к сети электропитания, 5-е изд. Женева: МЭК, 2023.
6. Х. Лю и др., Влияние электромагнитного поля на поведение частичного разряда в пленочных конденсаторах из БОПП-пленкиIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 30, no. 6, pp. 2617-2624, 2023. https://doi.org/10.1109/tdei.2023.3304600
7. М. Маркезони и др., Минимизация пульсаций напряжения на конденсаторе в преобразователе напряжения для высоковольтных систем постоянного тока., в материалах Международной конференции AEIT HVDC 2019 года (AEIT HVDC), стр. 1-6, 2019. https://doi.org/10.1109/aeit-hvdc.2019.8740647
8. Заряжая энергией будущее: как высоковольтные многослойные керамические конденсаторы повышают эффективность современной электроникиМурата, https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html .
9. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
10. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量. Источник: 中国标准出版社, 2018.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com