Схема распределения тока и размещения конденсаторов для 16 УФ-ламп

Схема распределения тока и размещения конденсаторов для 16 УФ-ламп

Резюме

Драйверы параллельно работающих УФ-ламп используют одну шину постоянного тока, поэтому любая асимметрия усиливается за счет общего пути, проходящего через модули. В этой статье рассматривается уравнение контура совместного использования, 4%-ный дисбаланс кабеля с сопротивлением 2 мОм, распределение пульсаций тока по массиву конденсаторов и путь 40 нГн, который удваивает пиковое значение на самом дальнем инверторе. Далее следуют шесть этапов проектирования для блоков от 4 до 16 ламп.

1. Введение

Промышленная УФ-отверждение осуществляется с помощью ламп, расположенных группами. Широкоформатный струйный принтер оснащен 8–16 светодиодными УФ-модулями, а конвейерная линия нанесения покрытия работает с 4–8 ртутными лампами, расположенными рядом.

В литографической раме может размещаться несколько источников дугового разряда на одной стойке для обработки сигналов. Архитектура питания во всех этих системах параллельна: одна шина постоянного тока питает несколько драйверов, или один высоковольтный генератор питает несколько ламп через отдельные балласты.

Параллельный режим работы обеспечивает резервирование, модульное масштабирование мощности и зональное управление процессом восстановления. Он также вносит дисбаланс нагрузки, циркулирующие токи, взаимодействие преобразователей и неравномерную нагрузку на общий конденсаторный блок звена постоянного тока.

В этой статье рассматриваются уравнение контура распределения, распределение пульсаций по массиву, правило компоновки, выравнивающее паразитную индуктивность, и шесть этапов проектирования блока из 16 ламп.

2. Основной механизм

2.1 Уравнение петли совместного использования

При подключении двух драйверов ламп к одной шине постоянного тока распределение тока подчиняется уравнению контура:

(R_i − R_j)×I + (L_i − L_j)×dI/dt + (V_drop_i − V_drop_j) = 0

где R_i и R_j — сопротивление кабеля и внутреннее сопротивление модулей i и j, L_i и L_j — индуктивность их проводников, V_drop_i и V_drop_j — смещение выходного напряжения драйвера, а I — ток, который они разделяют.

В установившемся режиме производная тока равна нулю, поэтому разделение обусловлено разностью сопротивлений. Смещение коэффициента усиления драйвера добавляет второй член, который возрастает с увеличением тока нагрузки.

2.2 Дисбаланс в установившемся режиме

Член, обозначающий сопротивление, напрямую отражает дисбаланс:

ΔI / I ≈ ΔR / R_loop

где ΔI/I — относительный дисбаланс тока, ΔR — разница сопротивлений между двумя модулями, а R_loop — общее сопротивление в общей петле.

Два кабеля с разницей в 2 мОм в петле 50 мОм дают дисбаланс в 4%. Та же разница в 2 мОм в петле 25 мОм удваивается и составляет 8%, поэтому более жесткая шина делает допуск кабеля более важным, а не менее важным.

Активное распределение тока с регулированием по просадке или по схеме "ведущий-ведомый" замыкает контур управления измеренным током, поэтому дисбаланс зависит от точности самого измерительного тракта.

2.3 Распределение пульсаций тока по массиву

Точка соединения передает сумму пульсаций каждого модуля, а распределение между конденсаторами происходит в соответствии с импедансом:

I_k = I_total × Z_eq / Z_k

где I_k — пульсирующий ток в конденсаторе k, I_total — суммарный пульсирующий ток в точке соединения, Z_eq — эквивалентное параллельное сопротивление массива, а Z_k — сопротивление конденсатора k:

Z_k = ESR_k + jω × ESL_k

где ESR_k — эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора k, ESL_k — его эквивалентная последовательная индуктивность, а ω — угловая частота пульсаций.

Идентичные компоненты равномерно распределяют пульсации. Компонент с ESR на 20% выше пропускает пропорционально меньший ток, и это распределение кажется безобидным, пока исправные компоненты не достигнут своего номинального значения.

Чередование изменяет общую картину. Несущие, сдвинутые на 360°/N, компенсируют основную частоту в точке соединения, поэтому в блоке из N модулей пульсации близки к пульсациям одного модуля, а не к сумме всех остальных.

2.4 Индуктивность пути и импульс, воспринимаемый каждым модулем

Индуктивность цепи определяет переходное напряжение, которое каждый инвертор испытывает на общей батарее:

ΔV = L_path × di/dt

где ΔV — переходное напряжение на инверторе, L_path — индуктивность контура от конденсаторной батареи до этого инвертора, а di/dt — скорость нарастания тока зажигания.

В одной из измеренных схем ближайший модуль показал индуктивность 5 нГн, а самый дальний — 40 нГн. При одинаковом значении di/dt дальний инвертор выдерживает в 8 раз больший скачок напряжения, чем ближний.

Саморезонанс каждой ветви имеет значение по одной и той же причине:

f_r = 1 / (2π √(L × C))

где f_r — собственная резонансная частота, L — индуктивность, а C — емкость данной ветви массива. Ветвь с емкостью 10 нФ и индуктивностью 10 нГн резонирует на частоте 16 МГц, что значительно выше пульсаций 400 кГц, но находится внутри полосы гармоник зажигания.

Рис. 1 — Несоответствие сопротивления кабеля в 2 мОм приводит к потере 4% общего тока в петле с сопротивлением 50 мОм и 8% в петле с сопротивлением 25 мОм, поэтому для достижения целевого значения ±2% необходимо обеспечить соответствие с точностью до 1 мОм.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Чрезмерное потребление тока и каскадный сбой

В блоке из 16 ламп один модуль с немного меньшим сопротивлением кабеля потребляет 12% энергии шины вместо своих 6.25%. Показатель 6.25% получается из 1/16.

Этот модуль сильнее нагревается, его конденсаторы быстрее изнашиваются, а его отказ перекладывает нагрузку на оставшиеся пятнадцать. Каскад отказов может вывести из строя четверть линии, прежде чем кто-либо заметит первую неисправность.

Болевая точка 2: концентрация пульсаций в точке соединения.

Шестнадцать модулей по 2.5 А среднеквадратичного значения каждый создают синфазные пульсации силой 40 А среднеквадратичного значения на массиве из 10 нФ на частоте 400 кГц. Для достижения этой величины требуется восемь параллельно соединенных модулей, каждый из которых рассчитан на 5 А.

Массив размером в N независимых блоков из одного модуля не справляется с этой задачей. Конденсаторы перегреваются, и устройство отключается из-за ошибки перегрева звена постоянного тока, указывающей на не тот компонент.

Проблемный момент 3: Межконвертерные колебания

Два идентичных драйвера с немного различающейся полосой пропускания контура взаимодействуют через общее сопротивление шины. Суммарный ток колеблется на разностной частоте и модулирует мощность лампы в диапазоне 100–500 Гц.

В результате отверждения на отвержденном изделии появляется периодический глянцевый рисунок. Ни один стендовый тест на одном модуле не воспроизводит его, поскольку для возникновения колебаний необходим второй преобразователь и шина между ними.

Проблемный момент 4: Асимметричная компоновка индуктивности

Модуль, ближайший к конденсаторной батарее, испытывает индуктивность контура 5 нГн, а самый дальний — 40 нГн. При зажигании di/dt дальний инвертор испытывает в 8 раз больший скачок напряжения, чем ближний модуль.

Сначала происходит сбой, а затем он повторяется после замены, потому что замена модуля не меняет путь, который его повредил.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Активное распределение тока с измерением параметров каждого модуля.

Используйте регулирование по принципу «просадка» или управление по принципу «ведущий-ведомый» с калиброванным шунтом или резистор выборки в каждом модуле. Убедитесь, что дисбаланс остается в пределах ±2% во всем рабочем диапазоне.

Этот шаг преобразует пассивное несоответствие в измеренную, скорректированную величину. Он работает только в том случае, если цепь измерения точна, поскольку контур управления наследует ошибку датчика, на основе которого он замыкается.

Стратегия 2: Чередовать фазы переключения.

Сдвиньте несущие параллельно соединенных модулей на 360°/Н. В точке соединения пульсирующий ток уменьшается до N-кратного значения, и, соответственно, снижается и требуемая мощность массива.

Шестнадцать чередующихся модулей создают пульсации, примерно равные пульсациям одного модуля. В этом случае массив обрабатывает 2.5 А среднеквадратичного значения вместо 40 А среднеквадратичного значения синфазной суммы в точке перегиба 2.

Стратегия 3: Собрать массив звеньев постоянного тока из подобранных компонентов класса I.

Используйте N4700 Конденсаторы с жесткими допусками по емкости и корпусами с низким эквивалентным уровнем звукового давления (ESL). Подобранные компоненты равномерно распределяют пульсации тока, и это распределение сохраняется при изменении температуры, поскольку диэлектрик стабилен.

Основной источник энергии может быть электролитический, а высокопульсационные каскады при более низком напряжении — электролитический. пленочный конденсатор банк. При частоте 400 кГц и напряжении 10 кВ, а дверная конденсатор Массив — это практичный способ хранения контрольной точки.

Стратегия 4: Схема расположения элементов в виде звездочки с одинаковой длиной трасс.

Проложите каждый конденсатор к точке соединения с помощью дорожек одинаковой длины шириной не менее 5 мм или используйте ламинированную шину. Нейтральная индуктивность каждого провода не должна превышать 5 нГн.

Измерьте каждый участок на прототипе. При последовательном соединении ток концентрируется в первой части цепи, поэтому участки, расположенные ближе к точке соединения, несут наибольший ток и изнашиваются первыми.

Стратегия 5: Добавить телеметрию текущего состояния каждого модуля.

Регистрируйте потребление тока каждым модулем и температуру звена постоянного тока в контроллере. Отмечайте любой модуль, отклонение которого от среднего значения по парку превышает 5%, для проверки во время следующего планового технического обслуживания.

Динамика пульсаций тока за несколько месяцев свидетельствует о старении конденсатора еще до выхода из строя какой-либо его части, и это единственное предупреждение, которое дает каскадная схема.

Стратегия 6: Провести испытания массива на прочность в наихудшем из возможных сценариев.

Перед началом серийного производства проведите испытания всей батареи конденсаторов с синфазными несущими на максимальной мощности в течение 100 часов. Проведите термографическое исследование конденсаторной батареи и убедитесь, что каждая деталь остается в пределах допустимого перегрева.

Этот тест воспроизводит эффект концентрации негативных последствий проблемы №2 на заводе, где устранение неисправности обходится в корректировку компоновки, а не в вызов специалиста на клиентскую линию.

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	эталонная температура 25 °C
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 параллельного подключения ламповых матриц.

Выбор на этом узле определяется тремя требованиями: достаточно точным согласованием емкости для равномерного разделения пульсаций, достаточно низкими потерями для охлаждения герметичного корпуса и стабильным импедансом в зависимости от температуры, чтобы распределение не менялось. 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.

• Благодаря согласованию емкостей на уровне массива в диэлектрике класса I N4700, каждая деталь в массиве постоянного тока воспринимает одинаковый пульсирующий ток, что исключает режим перегрузки одной детали.
• Значение tanδ ниже 0.1% на частоте 1 кГц обеспечивает охлаждение массива при полном пульсирующем токе и поддерживает тепловой запас герметичного многолампового корпуса.
• Благодаря сопротивлению ±30 ppm/°C и независимой от смещения емкости, импеданс массива остается постоянным, поэтому распределение тока при холодном запуске соответствует распределению тока в установившемся режиме.
• Низкоэмиссионные модули 441 винтового и дискового типа поддерживают компоновку "звезда" с индуктивностью контура ниже 5 нГн, что выравнивает переходное напряжение на всех модулях.
• Диапазон напряжений 1–100 кВ охватывает низковольтные массивы звеньев постоянного тока и высоковольтные каскады обработки сигналов ламп из одного сертифицированного семейства.
• Винтовой конденсатор HVC 40 кВ / 441 заменил конденсатор ведущего международного бренда в программах сервисного обслуживания. Компоненты HVC соответствуют параметрам Vishay, высоковольтные серии KEMET и TDK.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а согласованные массивы — в течение 6–10 недель. Инженеры-разработчики HVC анализируют архитектуру совместного использования, звездообразную компоновку и распределение пульсаций с учетом количества модулей и схемы прокладки кабелей.

Отправьте количество модулей, профиль пульсаций, схему прокладки кабелей и архитектуру совместного использования. HVC в течение двух недель предоставит проект массива постоянного тока с расчетами совместного использования, рекомендациями по звездообразной компоновке и соответствующими образцами класса I.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой нормальный уровень дисбаланса тока наблюдается в параллельно соединенной ламповой батарее?

Погрешность менее 4% является обычной при хорошем согласовании модулей, а погрешность менее ±2% достижима при активном совместном использовании. Исходя из ΔI/I ≈ ΔR/R_loop, рассогласование в 2 мОм в петле 50 мОм дает 4%, а такое же рассогласование в петле 25 мОм дает 8%.

В2: Почему чередование снижает требования к массиву каналов постоянного тока?

Поскольку массив передает векторную сумму пульсаций модулей, а сдвиг несущих на 360°/Н компенсирует основную частоту в точке соединения. Шестнадцать синфазных модулей создают 40 А среднеквадратичного значения на массиве 10 нФ; при чередовании тот же блок создает примерно 2.5 А среднеквадратичного значения, как у одного модуля.

В3: Как рассчитать размеры конденсаторной батареи звена постоянного тока для 16 модулей?

Расчет параметров производится исходя из наихудшего случая синфазной пульсации, затем подтверждается значение, полученное при чередовании сигналов. При среднеквадратичном токе 2.5 А на модуль суммарная синфазная пульсация составляет 40 А, что требует восьми компонентов с номинальным током 5 А каждый. Компоненты с номинальным током выше значения, полученного при чередовании сигналов, обеспечивают запас на случай короткого замыкания, устраняющего фазовый сдвиг.

Вопрос 4: Какова должна быть индуктивность контура каждого конденсаторного пути?

Напряжение от конденсатора до точки соединения составляет менее 5 нГн. Для этого необходимы широкие, короткие дорожки шириной 5 мм или более, либо ламинированная шина. Измерения на оборудовании показывают 5 нГн на ближайшей дорожке и 40 нГн на самой дальней, если трассировка выполняется автоматически, а при запуске инвертора на дальнем участке пиковое напряжение увеличивается в 8 раз.

В5: Как обнаружить чрезмерное потребление тока до того, как это приведет к неисправности?

Запишите ток, протекающий в каждом модуле, и сравните его со средним показателем по всему парку. Модуль, ток которого на 5% выше среднего, приближается к 12%, что запускает каскадную реакцию. Добавьте тренд пульсаций тока в точке соединения, и старение конденсатора проявится еще до выхода детали из строя.

Вопрос 6: Какую топологию компоновки следует использовать для массива?

Звездчатая схема. Каждый конденсатор соединен с точкой подключения путем одинаковой длины, поэтому все компоненты испытывают одинаковое сопротивление и одинаковое переходное напряжение. Последовательное соединение концентрирует пульсации тока в первом компоненте на цепочке, поэтому компоненты, расположенные ближе к точке подключения, изнашиваются быстрее всего.

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. 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
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. 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