Схема RC-демпферного конденсатора и резистора для УФ-инверторов

Схема RC-демпферного конденсатора и резистора для УФ-инверторов

Резюме

Каждое выключение в УФ-инверторе приводит к перемещению энергии, накопленной в паразитной индуктивности, в другое место, и RC-демпфер направляет её в резистор, а не в переход. В этой статье рассматриваются предел dV/dt, накопленная энергия, потери на частоте 300 кГц, критическое условие демпфирования и технология резисторов, а затем приводятся шесть шагов, позволяющих защитить переключатель без снижения эффективности.

1. Введение

Переключатели в инверторе для УФ-отверждения выключаются за десятки наносекунд. Каждое выключение оставляет энергию в цепи в виде паразитной индуктивности, ищущей путь для нейтрализации.

Если эта энергия проходит через устройство, скачок напряжения перегружает переход сверх его номинальных параметров, и устройство выходит из строя. RC-демпфер направляет энергию в резистор, где она превращается в тепло.

Схема представляет собой конденсатор, соединенный последовательно с резистором, расположенным параллельно переключателю. Он ограничивает повышение напряжения при выключении и подавляет колебания при включении.

В диапазоне 100–500 кГц демпфирующая цепь перестает быть вспомогательным элементом. Ее значения одновременно определяют надежность устройства, уровень излучения и эффективность, поэтому все три параметра необходимо выбирать одновременно.

2. Основной механизм

2.1 Повышение напряжения при выключении

При выключении ток переключателя коммутирует в демпфирующий конденсатор, а значение емкости конденсатора определяет наклон кривой напряжения:

dV/dt = I_off / C_snub

где dV/dt — наклон напряжения на клеммах переключателя, I_off — ток, коммутирующий при выключении, и C_snub — емкость демпфирующей цепи.

Таким образом, для отключения при токе 30 А и напряжении 5 кВ/мкс требуется конденсатор 6 нФ. Тот же ток 30 А на конденсаторе 3 нФ удваивает крутизну характеристики до 10 кВ/мкс, что превышает номинальные параметры модуля IGBT и находится в пределах диапазона параметров SiC MOSFET.

2.2 Накопленная энергия и потери в резисторе

Конденсатор заряжается до напряжения шины при каждом цикле и разряжается при следующем включении:

E_snub = 0.5 × C_snub × V_bus²

где E_snub — энергия, поглощаемая за одно событие, а V_bus — напряжение шины. При напряжении 400 В и емкости 6 нФ запас энергии составляет 0.48 мДж.

Умноженная на частоту переключения, эта энергия превращается в непрерывные потери в демпфирующем резисторе:

P_snub = 0.5 × C_snub × V_bus² × f_sw

где P_snub — рассеиваемая мощность в резисторе, а f_sw — частота переключения. При 300 кГц часть на 6 нФ рассеивает 144 Вт, а с учетом разрядного пути — 288 Вт.

Уменьшение емкости вдвое уменьшает потери вдвое и удваивает наклон кривой напряжения, поэтому значение емкости конденсатора — это точка, где номинальное значение устройства и тепловой допуск совпадают.

2.3 Демпфирование при включении

Резистор гасит разряд конденсатора в переключатель. Критическое демпфирование устанавливает нижний предел его значения:

R_snub ≥ 2 × √(L_stray / C_snub)

где R_snub — сопротивление демпфирующей цепи, L_stray — индуктивность коммутационного контура, а C_snub — емкость демпфирующей цепи.

Для петли индуктивности 100 нГн и конденсатора 6 нФ предел составляет 8.2 Ом. Большее значение замедляет восстановление напряжения и оставляет больше энергии в конденсаторе при следующем выключении, поэтому полезный диапазон узок.

Без демпфирующего элемента та же петля звенит на резонансной частоте:

f_ring = 1 / (2π √(L_stray × C_snub))

где f_ring — частота колебаний. При индуктивности 100 нГн и 6 нФ она составляет 6.5 МГц, что соответствует диапазону, в котором демпфирующий резистор должен обеспечивать затухание.

2.4 Резисторная технология на частоте переключения

Проволочный резистор имеет последовательную индуктивность 50–200 нГн. Эта индуктивность резонирует с демпфирующим конденсатором в диапазоне 5–20 МГц, поэтому цепь колеблется, а не затухает.

Толстопленочный или планарный элемент выдерживает индуктивность 1–5 нГн и сохраняет сопротивление на гармониках переключения. При использовании конденсатора емкостью 6 нФ индуктивность петли ниже 4.7 нГн выводит резонанс демпфирующей цепи выше 30 МГц.

Рис. 1 — Потери в демпфирующей цепи уменьшаются по мере увеличения допустимого значения dV/dt: конденсатор 6 нФ выдерживает ток выключения 30 А при напряжении 5 кВ/мкс и потребляет 144 Вт, в то время как переходный процесс зажигания удваивает ток и потери.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Снижение эффективности из-за чрезмерного игнорирования.

Разработчик, стремящийся к определенности, устанавливает конденсатор емкостью 10 нФ. При напряжении 400 В и частоте 300 кГц этот конденсатор рассеивает 240 Вт, что составляет 2.4% от номинальной мощности инвертора в 10 кВт.

Потери возникают в виде тепла в корпусе, который и так работал на пределе своих возможностей, и это приводит к тому, что скорость изменения напряжения значительно ниже той, которая необходима устройству.

Проблема 2: Выход устройства из строя из-за недостаточной фиксации.

Конденсатор, рассчитанный на средний ток выключения, выходит из строя на пике. Во время переходных процессов, связанных с зажиганием, ток выключения удваивается, вместе с ним удваивается и наклон напряжения, а пиковое значение превышает номинальные параметры устройства.

Сбой носит периодический характер, проявляется в несвязанных между собой рабочих точках, и расследование обычно сводит вину к выключателю, а значение демпфирующей нагрузки остается без внимания.

Проблемный момент 3: Индуктивные демпфирующие резисторы

Проволочная обмотка с индуктивностью 100 нГн создает локальный резонанс с демпфирующим конденсатором на частоте 10 МГц. Эта цепь излучает ток и подает его на управляющий затвор.

Дополнительная неисправность — это та, для устранения которой был установлен демпфирующий элемент, и она проявляется только на коммутационных гармониках, поэтому проверка на низких частотах её не выявляет.

Проблема №4: Старение конденсатора под воздействием импульсного напряжения.

Демпфирующий конденсатор поглощает и высвобождает накопленный ток 300 000 раз в секунду. Деталь с недостаточным запасом по частичному разряду или высоким значением tanδ нагревается и подвергается эрозии.

Спустя несколько месяцев емкость изменилась, наклон кривой напряжения вышел за пределы номинальных параметров устройства, и отказ произошел без каких-либо предварительных признаков.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Вычислить поверхность потерь до выбора компонентов.

Постройте график зависимости P_snub = 0.5 × C_snub × V_bus² × f_sw от dV/dt = I_off / C_snub для реального тока выключения и определите точку, где наклон графика напряжения совпадает с номинальным значением параметра устройства.

При напряжении 400 В, частоте 300 кГц и токе 30 А эта точка составляет 144 Вт при скорости развертки 5 кВ/мкс. Увеличение скорости развертки до 10 кВ/мкс вдвое уменьшает как емкость, так и потери.

Стратегия 2: Использовать конденсаторы класса I в демпфирующем контуре.

Диэлектрик класса I Благодаря значению tanδ ниже 0.1% рассеивание энергии остается в заданном диапазоне 0.5 × C × V² × f, а не зависит от диэлектрической проницаемости, а его коэффициент ±30 ppm/°C обеспечивает стабильную характеристику наклона напряжения от холодного пуска до температуры полной нагрузки.

В корпусах с низким уровнем эквивалентной стойкости (ESL) длина демпфирующей петли уменьшается, что важнее номинальной емкости на частоте 300 кГц.

Стратегия 3: Выберите неиндуктивный резистор

Укажите толстопленочный резистор с индуктивностью ниже 5 нГн, рассчитанной на полные потери демпфирующей цепи с двукратным запасом, и проверьте ее характеристики на осциллографе на рабочей частоте.

В тех случаях, когда резистор включен последовательно с высоковольтным проводником, планарная конструкция позволяет уменьшить площадь контура и снизить паразитную емкость.

Стратегия 4: Рассматривайте планировку как часть дизайна.

Расположите резистор и конденсатор непосредственно между клеммами переключателя, обеспечив площадь петли менее 1 см², и измерьте индуктивность петли до снятия платы.

Убедитесь, что демпфирующая цепь резонирует на частоте выше 30 МГц. пленочный конденсатор Параллельно с демпфирующим резистором, охватываются высшие гармоники, где индуктивность керамического корпуса начинает преобладать.

Стратегия 5: Проверка частичного разряда в месте расположения демпфера.

Требуется, чтобы емкость частичных разрядов (PD) была ниже 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, чтобы циклическое воздействие энергии с частотой 300 кГц не приводило к эрозии диэлектрика в течение расчетного срока службы.

Если демпфирующий контур расположен на одной плате с выпрямительным каскадом, проверьте следующее. быстровосстанавливающийся диод Также присутствует эффект подавления колебаний, поскольку две сети взаимодействуют посредством коммутационного контура.

Стратегия 6: Проверка с помощью тепловизионной съемки и испытаний на прочность.

Запустите инвертор на полной мощности на 100 часов, затем проведите термографическое исследование демпфирующего резистора и конденсатора.

Убедитесь, что температура в точке перегрева резистора остается в пределах номинальных значений при работе вентилятора на максимальной скорости, и что повышение температуры корпуса конденсатора соответствует расчету 0.5 × C × V² × f.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальная мощность (серия HVR)	50 Вт при 70 °C	алюминиевый корпус, свободный поток воздуха
Значение сопротивления	10 кОм ±5%	эталонная температура 25 °C
Рабочее напряжение	10 кВ переменного/постоянного тока	(CIJ)
Устойчивость к импульсам	30 кВ при 10 мкс	10 импульсов, класс IEC 60110
Температурный коэффициент (резистивный)	±50 частей на миллион/°C	от −55 °C до +155 °C
сопротивление изоляции	сопротивление выше 1 ГОм при напряжении 1000 В постоянного тока	минимальное смещение 25 мм
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка

5. Конденсаторы HVC N4700 для демпфирующих нагрузок

Выбор на этом узле определяется тремя требованиями: потери, которые остаются в резисторе, а не в диэлектрике, емкость, которая не изменяется с температурой, и запас по частичным разрядам, выдерживающий 300 000 циклов энергии в секунду. Компания HVC производит компоненты класса I для этого набора на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Диэлектрик класса I N4700 с тангенсом угла диэлектрических потерь tanδ ниже 0.1% сам по себе вносит незначительные потери, поэтому рассеивание энергии в демпфирующем контуре происходит в резисторе, где это и предполагается тепловым расчетом.
• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C поддерживает постоянную емкость демпфирующей цепи, поэтому наклон кривой напряжения выключения при холодном пуске равен наклону кривой при температуре полной нагрузки.
• Дисковые и винтовые конструкции типа 441 с короткими внутренними путями обеспечивают низкую индуктивность демпфирующей петли, что сохраняет демпфирование в диапазоне 100–500 кГц.
• Гарантируется, что емкость частичных разрядов не превысит 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, на каждую деталь, поэтому циклическая работа на частоте 300 кГц не приведет к эрозии диэлектрика и неожиданному короткому замыканию.
• Диапазон напряжения 1–100 кВ охватывает демпфирующие элементы низковольтных инверторов, а также высоковольтные демпфирующие элементы запуска и балласта из одного сертифицированного семейства. дверная ручка конденсаторы выбирайте высоковольтные объекты.
• Винтовой конденсатор HVC 40 кВ / 441 заменил конденсатор ведущего международного бренда в программах полевого обслуживания, где каждый ватт демпфирующей нагрузки является точкой эффективности. Диапазон характеристик соответствует параметрам Vishay а также высоковольтные компоненты TDK.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты демпфирующих элементов — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC проводят анализ поверхности потерь, предела демпфирования и контура компоновки в соответствии с топологией вашего инвертора.

Отправьте топологию инвертора, частоту переключения, ток выключения, номинальные параметры устройств и тепловой допуск. HVC предоставит оптимизированную конструкцию RC-демпфера с расчетами потерь, анализом демпфирования и образцом класса I с защитой от частичных разрядов, а также технические характеристики в течение двух недель.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как правильно подобрать размер демпфирующего конденсатора?

Исходя из допустимого наклона кривой напряжения, можно использовать формулу: C_snub = I_off / (dV/dt). Для тока выключения 30 А, поддерживаемого при 5 кВ/мкс, требуется 6 нФ. Используйте наихудший ток выключения, который во время переходных процессов зажигания может быть вдвое больше номинального значения.

Вопрос 2: Сколько энергии теряет демпфирующий элемент?

Формула P_snub = 0.5 × C_snub × V_bus² × f_sw. При напряжении 400 В, емкости 6 нФ и частоте 300 кГц это составляет 144 Вт, а с учетом разрядного тракта — 288 Вт. Компонент емкостью 10 нФ достигает 240 Вт, что составляет 2.4% от номинальной мощности 10 кВт.

Вопрос 3: Какое значение должен иметь демпфирующий резистор?

Начните с R_snub ≥ 2 × √(L_stray / C_snub). Для 100 нГн и 6 нФ предел составляет 8.2 Ом. Значительное увеличение замедляет восстановление, поэтому оставайтесь вблизи предела и подтвердите демпфирование на стенде при полной частоте переключения.

Вопрос 4: Почему проволочный резистор здесь неуместен?

Поскольку индуктивность обмотки 50–200 нГн резонирует с демпфирующим конденсатором в диапазоне 5–20 МГц и издает резонанс на частоте 10 МГц с частью индуктивности 100 нГн, толстопленочный или планарный резистор с индуктивностью 1–5 нГн остается резистивным там, где требуется демпфирование.

В5: Насколько маленьким должен быть демпфирующий контур?

Для конденсатора емкостью 6 нФ площадь замкнутого контура должна быть меньше 1 см², а индуктивность — меньше 4.7 нГн, что выводит резонанс демпфирующего элемента на частоту выше 30 МГц. Демпфирующий элемент, подключенный через 20 мм дорожки, увеличивает индуктивность больше, чем уменьшает.

В6: Как проверить демпфирующий конденсатор на работоспособность при частоте 300 кГц?

Требуется, чтобы частичные разряды были ниже 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, тангенс угла диэлектрических потерь (tanδ) был ниже 0.1%, а емкость оставалась стабильной в диапазоне температур корпуса. Затем необходимо провести 100 часов работы на полной мощности и термографировать деталь, чтобы подтвердить соответствие потерь расчетным значениям.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 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. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
6. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357.
7. 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.
8. AND9800/D — Выбор демпфирующего конденсатора для применения в системах управления двигателями (таблица 15, данные испытаний), onsemi, AND9800-D, https://m.onsemi.jp/pub/Collateral/AND9800-D.PDF .
9. 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 .
10. Руководство по применению IGBT-транзисторов Fuji, Глава 5 — Проектирование схем защиты (REH984)Fuji Electric, REH984, https://www.fujielectric.com/device/semi/technical/application/pdf/REH984/REH984_05.pdf .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com