Переходные процессы в высоковольтном конденсаторе при импульсном УФ-диммировании

Переходные процессы в высоковольтном конденсаторе при импульсном УФ-диммировании

Резюме

Импульсное диммирование переключает источник УФ-излучения между двумя уровнями мощности с частотой 1–10 кГц, и каждый фронт импульса представляет собой скачок нагрузки, который должен выдержать конденсаторный блок, прежде чем сработает контур управления. В этой статье выводятся параметры потребности в заряде, просадки, постоянной времени восстановления и коэффициента демпфирования для шины 400 В, а затем приводятся шесть этапов проектирования, обеспечивающих равномерность дозы в режиме диммирования.

1. Введение

Импульсное диммирование переключает источник УФ-излучения между двумя уровнями мощности с частотой 1–10 кГц. Оно позволяет контролировать дозу без использования затворов, экономит энергию между печатными листами и предотвращает тепловой удар, сокращающий срок службы лампы.

Это также самая сложная задача для емкостных элементов. Каждый импульс затемнения представляет собой скачок нагрузки: потребляемый ток резко возрастает от уровня затемнения до максимального уровня, и блок питания обеспечивает этот переход до того, как сработает контур управления.

Провисающая по краю направляющая изменяет дозу облучения в начале каждого листа. Направляющая, издающая звон после края, модулирует ток лампы и печатает полосы по всей поверхности подложки.

В данной статье рассматриваются расчеты заряда, критерии восстановления и затухания, четыре проблемных момента в поле зрения и шесть этапов проектирования, обеспечивающих равномерность дозы в режиме затемнения.

2. Основной механизм

2.1 Потребность в заряде на этапе нагрузки

Сдвиг фазы затемнения — это ступенчатый процесс изменения мощности. Заряд, который он отводит от шины во время действия сдвига фазы, определяет величину падения яркости:

ΔQ = ΔP × t_step / V_bus

где ΔQ — заряд, отданный во время фронта, ΔP — скачок мощности нагрузки, t_step — интервал, в течение которого батарея работает с нагрузкой в ​​одиночку, и V_bus — напряжение шины.

Скачкообразное изменение мощности на 5 кВт, удерживаемое в течение 50 мкс при напряжении 400 В, потребляет 625 мкКл. Контур преобразователя реагирует за сотни микросекунд, поэтому блок поддерживает весь фронт сигнала на частоте 5 кГц.

2.2 Падение емкости банка

Падение происходит из-за этой платы и стоимости банковского счета:

ΔV = ΔQ / C_bank = ΔP × t_step / (C_bank × V_bus)

где ΔV — падение напряжения на шине, а C_bank — общая емкость блока. Блок емкостью 100 мкФ падает на 6.25 В, что составляет 1.6% от напряжения на шине 400 В. Блок емкостью 1560 мкФ падает на 0.4 В, что составляет 0.1%.

Накопленная энергия масштабируется аналогичным образом:

E_link = 0.5 × C_bank × V_bus²

где E_link — энергия, запасенная в батарее в джоулях. Батарея емкостью 1560 мкФ содержит 125 Дж при напряжении 400 В, поэтому импульс в 0.25 Дж обходится ей в 0.2% от этой запасенной энергии.

2.3 Время восстановления в зависимости от периода затемнения

После фронта импульса преобразователь пополняет заряд с постоянной времени, заданной контуром:

τ_rec ≈ C_bank × R_load / (1 + loop gain)

где τ_rec — постоянная времени восстановления, R_load — эквивалентное сопротивление нагрузки, а loop gain — коэффициент усиления компенсатора в точке пересечения.

Нагрузка 5 кВт при напряжении 400 В составляет 32 Ом. При емкости конденсатора 1560 мкФ и коэффициенте усиления контура 20, τ_rec равно 2.4 мс. При частоте диммирования 5 кГц период составляет 200 мкс, поэтому контур никогда не завершает восстановление до следующего фронта сигнала.

2.4 Колебания и критерий затухания

Каждый фронт возбуждает резонанс между емкостью банка и индуктивностью петли:

f_ring = 1 / (2π √(L_stray × C_bank))

где f_ring — частота колебаний кольца, L_stray — индуктивность контура, включающая электростатический разрядник и проводку шины, а C_bank — емкость блока.

Блок конденсаторов емкостью 10 мкФ с паразитной индуктивностью 100 нГн издает резонанс на частоте 159 кГц, в полосе частот, где модуляция тока лампы проявляется в виде полос. Импеданс контура равен Z0 = √(L_stray / C_bank) = 0.1 Ом.

Скорость затухания определяется коэффициентом демпфирования:

ζ = (R_damp / 2) × √(C_bank / L_stray)

где ζ — коэффициент демпфирования, а R_damp — общее последовательное сопротивление в контуре, состоящее из эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) блока плюс любой добавленный демпфер.

Импульс 12.5 А в петле с сопротивлением 0.1 Ом требует отклонения на 1.25 В. При эквивалентном последовательном сопротивлении батареи 10 мОм ζ составляет 0.05, и напряжение питания находится за пределами диапазона доз ±0.4 В до 21 мкс. Увеличение R_damp до 140 мОм повышает ζ до 0.7 и ограничивает отклонение на уровне 0.41 В, которое исчезает за 1.3 мкс.

Рис. 1 — Колебания частотой 159 кГц удерживают напряжение питания 400 В вне диапазона доз ±0.4 В до 21 мкс; демпфирующий конденсатор сопротивлением 140 мОм предотвращает срабатывание при 0.41 В, которое исчезает через 1.3 мкс.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Ошибка дозирования на первом крае облучения.

Первый импульс затемнения после периода ожидания затрагивает аккумуляторную батарею, которая заряжена, но холодна. Ее эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и емкость отличаются от значений в нагретом состоянии, поэтому падение яркости различается, и первый слой получает другую дозу излучения.

Дефект проявляется только в начале каждой работы, и вину сваливают на поставщика чернил.

Болевой пункт 2: Стягивание тканей, вызванное звоном в ушах.

После каждого фронта шины сигнала генерируется с частотой 100–500 кГц, и ток лампы следует за этим сигналом. Затем доза периодически модулируется по всей подложке.

Полосатость отсутствует при номинальной мощности и появляется только в режиме затемнения, что делает этот дефект одним из самых сложных для воспроизведения на испытательном стенде.

Болевой пункт 3: Усталость от термических микроциклов

Каждый импульс затемнения нагревает и охлаждает диэлектрик. При частоте 5 кГц это составляет 5,000 тепловых микроциклов в секунду, режим усталости, который не охватывается квалификационными испытаниями в стационарном режиме.

В пористой керамике II класса при циклической нагрузке образуются микротрещины, которые повышают тангенс угла диэлектрических потерь (tanδ), что увеличивает самонагрев и приводит к образованию новых трещин.

Болевой момент 4: Эрозия пародонтального кармана при кратковременном стрессе.

На краю зоны затемнения на шину постоянного тока накладывается быстрый скачок напряжения. В местах расположения высоковольтного фильтра и развязки этот скачок может вызывать частичные разряды во внутренней полости даже тогда, когда рабочая точка постоянного тока свободна от частичных разрядов.

Эрозия накапливается на протяжении миллионов циклов, и деталь выходит из строя в самый неподходящий момент производственного процесса.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Определение размера банка на основе уравнения шагов.

Вычислите C_bank из ΔV = ΔP × t_step / (C_bank × V_bus), используя наихудший сценарий затемнения и допуск на просадку в 0.1% от напряжения на шине.

При мощности 5 кВт, фронте 50 мкс и напряжении 400 В это дает 1560 мкФ. В случае батареи, рассчитанной на среднюю нагрузку, емкость составляет около 100 мкФ, а падение напряжения на каждом фронте составляет 6.25 В.

Стратегия 2: Выделить для банка кредитные инструменты класса I с низким коэффициентом ESR.

Используйте Диэлектрик класса I при значении tanδ ниже 0.1%, импеданс блока остается низким и предсказуемым, а расчет просадки напряжения справедлив при любой температуре от −40 °C до +125 °C.

Емкость класса I сохраняется и при постоянном напряжении, поэтому в расчете используется значение, которое выдает оборудование.

Стратегия 3: Настройте звон с помощью демпфирующего элемента.

Добавляйте последовательное сопротивление до тех пор, пока ζ не превысит 0.7. Для батареи емкостью 10 мкФ с паразитной индуктивностью 100 нГн это означает в сумме 140 мОм, то есть 130 мОм. толстопленочный резистор В серии статей, посвященных этому вопросу, банк это освещает.

В тех случаях, когда убытки не должны покрываться самим банком, пленочный конденсатор Параллельное подключение обеспечивает затухание за счет собственного эквивалентного последовательного сопротивления (ЭСС). Проверьте затухание на осциллографе, сравнив его с реальной формой сигнала затемнения.

Стратегия 4: Проверка PD при изменении формы сигнала затемнения.

Запросите данные импульсного частичных разрядов, полученные при фактическом фронте затемнения, поскольку тест на частичные разряды постоянного тока не воспроизводит переходный процесс. Принимайте компоненты с частичным разрядом менее 5 пКл при данной форме сигнала.

В качестве эталонной температуры в том же тесте используется... резистор выборки Использование опубликованного коэффициента исключает влияние дрейфа датчика на результат.

Стратегия 5: Испытание на долговечность при снижении яркости.

Произведите 10 миллионов импульсов затемнения при наихудшей частоте и наихудшем уровне окружающего освещения, измеряя емкость и тангенс угла диэлектрических потерь (tanδ) через определенные интервалы.

Конструкция должна быть отклонена, если tanδ превышает 0.1% или изменение емкости превышает 2%. Такая проверка позволяет выявить отказ, связанный с микроциклированием, задолго до того, как это заметят в полевых условиях.

Стратегия 6: Компенсация первого фронта в микропрограмме.

Спрогнозируйте падение мощности после первого импульса на основе измеренной температуры блока и примените опережающий член к команде регулировки яркости.

Ошибка дозирования при запуске задания исчезает без изменения оборудования, а для ее исправления требуется всего один поиск в таблице.

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	при tanδ 0.1% или лучше
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 импульсного диммирования

Выбор на этом узле определяется тремя требованиями: просадка напряжения, остающаяся в пределах допустимой дозы при любой температуре, демпфирование, не обусловленное потерями в диэлектрике, и запас по частичным разрядам под самим критерием диммирования. Компания HVC производит компоненты класса I для этого комплекта 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 ±30 ppm/°C обеспечивает значение емкости аккумулятора, используемое в расчете просадки напряжения, во всем диапазоне температур корпуса, поэтому значение ΔV = ΔP × t_step / (C_bank × V_bus) выполняется как холодным утром, так и жарким днем.
• Значение tanδ ниже 0.1% на частоте 1 кГц позволяет поддерживать эквивалентное последовательное сопротивление банка в диапазоне низких миллиом, поэтому добавляемое демпфирование остается измеримым.
• Отсутствие снижения номинальных характеристик при постоянном смещении означает, что указанная на этикетке емкость соответствует емкости на шине 400 В и на ламповом каскаде 20 кВ.
• Гарантируется, что емкость фотодетектора не превысит 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, что охватывает участки с высоким напряжением связи, где колебания яркости максимальны.
• Серия клеммных блоков 1–100 кВ с дисковыми и винтовыми клеммными блоками 441 предназначена для питания шинного блока и лампового каскада и относится к одному сертифицированному семейству. дверная ручка конденсаторы перевозить высоковольтные объекты.
• Винтовой конденсатор HVC 40 кВ / 441 заменил конденсатор ведущего международного бренда в программах полевого обслуживания, где каждый переход питания проходит без нарушения нанометрового процесса. Диапазон соответствует параметрам Vishay а также высоковольтные компоненты TDK.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты светильников — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC проверяют размеры светильников, демпфирующую сеть и допустимую дозу облучения в соответствии с вашей формой волны диммирования.

Отправьте осциллограмму диммирования, профиль ступенчатого изменения нагрузки, напряжение на шине и допуск на дозу облучения. HVC выдаст расчет необходимого размера блока, рекомендации по демпфированию и образец, прошедший проверку на частичные разряды, для ваших собственных переходных испытаний, а технические характеристики будут предоставлены в течение двух недель.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как подобрать размер блока диммирования?

Из уравнения ступенчатого изменения напряжения. Перегруппируем ΔV = ΔP × t_step / (C_bank × V_bus) для C_bank, вставим фронт наихудшего случая и допустимое падение напряжения. Для фронта 5 кВт длительностью 50 мкс при напряжении 400 В с допустимым падением напряжения 0.4 В требуется 1560 мкФ.

В2: Почему конденсатор 100 мкФ не справляется со своей задачей?

Поскольку падение напряжения масштабируется как 1/C_bank. При 100 мкФ тот же фронт напряжения 625 мкКл создает 6.25 В, что составляет 1.6% от напряжения питания 400 В и достаточно для изменения подаваемой дозы УФ-излучения в начале каждого листа.

В3: Какое соотношение демпфирования мне необходимо?

ζ равно 0.7 или выше. При ζ = 0.05 пик напряжения остается за пределами дозового окна ±0.4 В до 21 мкс, что составляет примерно десятую часть 200-мксного периода при частоте 5 кГц. При ζ = 0.7 тот же пик на краю пика достигает 0.41 В и исчезает через 1.3 мкс.

Вопрос 4: Откуда берется сопротивление демпфированию?

Исходя из эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) конденсаторной батареи плюс дополнительный элемент. Для батареи емкостью 10 мкФ с паразитной индуктивностью 100 нГн требуется суммарное сопротивление 140 мОм при ζ = 0.7, поэтому остальная часть потерь обеспечивается последовательным резистором 130 мОм или параллельным пленочным конденсатором. Дополнительные потери остаются ниже 1 Вт при 12.5 А среднеквадратичного значения.

В5: Восстанавливает ли контур управления рельс между кромками?

Нет. При емкости 1560 мкФ, нагрузке 32 Ом и коэффициенте усиления петли 20 постоянная времени восстановления составляет 2.4 мс, что соответствует 12 периодам при частоте диммирования 5 кГц. Блок подает сигнал на каждый фронт, а петля регулирует среднее значение.

В6: Как определить пригодность компонента для импульсного диммирования?

Проведите 10 миллионов импульсов затемнения при наихудших условиях частоты и температуры, измеряйте емкость и тангенс угла диэлектрических потерь (tanδ) через определенные интервалы и отбраковывайте, если tanδ превышает 0.1% или дрейф емкости превышает 2%. Добавьте тест импульсного разряда с использованием реального импульса и принимайте только те части, емкость которых ниже 5 пКл при такой форме сигнала.

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. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
6. 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.
7. 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.
8. Л. Чжэн, Л. Чжу, Дж. Лю, З. Ди и С. Цзи, Самовосстанавливающиеся характеристики металлизированного пленочного конденсатора при постоянном и переменном напряжении с гармониками., в сборнике трудов конференции IEEE по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям (CEIDP), 2022 г., стр. 175-178, 2022 г. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286.
9. 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 .
10. Металлизированные пленочные импульсные конденсаторы MKP — основные характеристики продуктаKEMET Electronics, https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com