Ограничение скачков напряжения в высоковольтных источниках питания для лазерной сварки

Ограничение скачков напряжения в высоковольтных источниках питания для лазерной сварки

Резюме

Лазерная сварка переключает сварочный ток от 10 А до 100 А за сотни наносекунд, преодолевая паразитную индуктивность в 5 мкГн. В этой статье приводятся уравнения для расчета пикового и энергетического воздействия, которые преобразуют 40 А и 5 мкГн в переходный процесс с напряжением 2 кВ и энергией 4 мДж на одно событие, емкость зажима, которая удерживает перерегулирование на уровне 80 В на шине 400 В, правило индуктивности контура, которое поддерживает остаточный ток ниже 10% от уровня зажима, и двухимпульсный тест, подтверждающий это.

1. Введение

Лазерная сварка осуществляется на крутых кромках. Высоковольтный блок коммутирует десятки киловольт для образования сварочной ванны, в то время как технологическая электроника переключает сварочные и вспомогательные токи от 10 А до 100 А за сотни наносекунд.

Каждый из этих переходов взаимодействует с индуктивностью: в цепи рассеяния высоковольтного трансформатора, в шинах, в сварочных кабелях и в петлях крепления. В результате возникает скачок напряжения, достигающий 1.5–3-кратного значения номинального напряжения цепи, а при резонансе — еще большего значения.

Пиковое напряжение — это индуктивная энергия, высвобождаемая за микросекунду. На выходном каскаде высоковольтного источника импульс в 2 кВ на шине 10 кВ представляет собой 20%-ное превышение напряжения. На линии постоянного тока напряжением 400 В это превышение в 5 раз приводит к разрушению переключающих полупроводников.

В ходе исследования парка из 80 лазерных сварочных аппаратов было установлено, что 18% отказов силовой электроники были связаны с незащищенными или недостаточно мощными цепями ограничения напряжения, а типичным отказом был выход из строя выключателя из-за скачка напряжения, превышающего его номинальный уровень на 15–25%. Каждый отказ обходится в 800–3,500 долларов США и 4–8 часов производственной работы.

2. Основной механизм

2.1 Пиковое напряжение и энергия

Величина переходного процесса зависит от паразитной индуктивности и наклона кривой тока:

V_spike = L_stray × dI/dt

где V_spike — индуцированное напряжение, L_stray — паразитная индуктивность в коммутационной петле, а dI/dt — скорость коммутации тока. Переход тока 40 А за 100 нс составляет 4 × 10⁸ А/с, а при индуктивности петли 5 мкГн пиковое значение достигает 2,000 В.

Энергия, запасенная в этой индуктивности, — это то, что должен поглотить зажим:

E_spike = 0.5 × L_stray × I²

где E_spike — энергия на одно событие, а I — ток в момент переключения. При 5 мкГн и 40 А энергия составляет 4 мДж на одно событие.

2.2 Средняя мощность зажима

Зажим должен рассеивать эту энергию с частотой повторения процесса:

P_clamp = E_spike × f_rep

где P_clamp — средняя мощность в ограничителе, а f_rep — частота повторения. При частоте 6 кГц событие с энергией 4 мДж превращается в непрерывное рассеивание 24 Вт, а переходный процесс при неисправности с более высоким током может привести к выделению более 100 мДж энергии за одно событие.

2.3 Выбор размера ограничивающего конденсатора

Ограничительный конденсатор должен поглощать энергию события, при этом напряжение на шине должно повышаться не более чем на допустимое превышение:

0.5 × L × I² = 0.5 × C_clamp × [(V_bus + ΔV)² − V_bus²]

где C_clamp — емкость ограничителя, V_bus — напряжение шины, а ΔV — допустимое превышение этого значения. Решение уравнения относительно емкости дает формулу расчета размеров для данного узла:

C_clamp = L × I² / [(V_bus + ΔV)² − V_bus²]

где C_clamp — минимальная емкость ограничителя. При L = 5 мкГн, I = 40 А, V_bus = 400 В и ΔV = 80 В значение составляет 114 нФ, поэтому практичным выбором является конденсатор емкостью от 100 нФ до 220 нФ с номинальным напряжением выше 1.2 × 480 В.

2.4 Индуктивность петли зажима и частота колебаний

Эффективность зажима зависит от качества его петли. Ниже приведено остаточное перерегулирование на выключателе:

V_os = L_loop × dI/dt

где V_os — выброс выше уровня ограничения напряжения, а L_loop — индуктивность контура ограничения напряжения. Правило проектирования: поддерживать V_os ниже 10% от уровня ограничения напряжения 480 В, что при фронте короткого замыкания 4 × 10⁹ А/с означает индуктивность контура ниже 12 нГн.

Затем ограничивающий конденсатор и индуктивность рассеяния образуют колебательный контур, который не затухает:

f_ring = 1 / (2π × √(L_leak × C_clamp))

где f_ring — частота колебаний, L_leak — индуктивность рассеяния, а C_clamp — емкость ограничителя. При индуктивности 5 мкГн и емкости 114 нФ колебательный контур колеблется на частоте 211 кГц, а последовательный резистор от 2 Ом до 5 Ом превращает эти колебания в затухающее стабилизирующееся колебание.

Рис. 1 — Зажим УЗО удерживает импульс напряжения от 2 кВ до выброса 80 В на шине 400 В; часть на 220 нФ и петля на 10 нГн выдерживают воздействие короткого замыкания с энергией 100 мДж.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: конденсаторы ограничения напряжения рассчитаны на пульсации, а не на энергию короткого замыкания.

Зажим, рассчитанный на пульсации в установившемся режиме, выходит из строя при первом же переходном процессе неисправности. Когда нарастающий сварочный ток сталкивается с неплотным соединением зажима, энергия одиночного события утраивается, конденсатор зажима перезаряжается, диод зажима выходит из строя, и переключатель затем получает полный импульс тока без зажима.

Проблема 2: Индуктивность петли зажима компенсирует действие зажима.

Эффективность ограничителя определяется длиной его контура. При длине дорожки 50 мм между конденсатором ограничителя и выключателем, дополнительные 20 нГн позволяют остаточному выбросу достигать 17% от уровня ограничителя 480 В при фронте короткого замыкания 4 × 10⁹ А/с, и выключатель поглощает эту разницу.

Проблема 3: Активная защита работает слишком медленно для события длительностью 100 нс.

Классический путь защиты от перенапряжения с задержкой в ​​1 мкс срабатывает значительно позже, чем проходит импульс длительностью 100 нс. К моменту срабатывания компаратора переключатель уже принял на себя перегрузку. Защита от перенапряжения должна быть пассивным, мгновенным путем; активная защита может лишь его поддерживать.

Проблемный момент 4: Кольца зажима с утечкой тока из трансформатора.

Ограничительный конденсатор и индуктивность рассеяния трансформатора образуют LC-контур, который колеблется на частоте 211 кГц, если не затухает. В этом случае одиночный импульс превращается в затухающие колебания, которые многократно нагружают переключатель и добавляют к процессу слышимый шум.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Подберите размер зажима с учетом наихудшего сценария неисправности.

Определите максимальную энергию одиночного события в наихудшей рабочей точке при максимальном сварочном токе и минимальной индуктивности контура, затем добавьте запас в 2 раза. В приведенном выше примере запас обеспечивается конденсатором ограничения ёмкостью 220 нФ с номинальной рассеиваемой мощностью, вдвое превышающей среднюю мощность ограничения.

Стратегия 2: Удерживайте индуктивность петли зажима ниже 10 нГн.

Установите ограничительный диод и конденсатор непосредственно между выводами коммутирующего устройства, используя наименьшую площадь контура и широкую медную проволоку. Тогда V_os = L_loop × dI/dt будет поддерживать остаточный ток ниже 10% от уровня ограничителя на границе зоны повреждения.

Стратегия 3: Подберите диод в соответствии со скоростью импульса.

Выберите зажим быстровосстанавливающийся диод с временем восстановления менее 75 нс и плавным восстановлением во избежание резких колебаний. Он также должен выдерживать пиковый ток ограничения, поэтому для коммутируемого тока 40 А базовым вариантом является диод с номинальным током 60 А и двукратным запасом по переходным процессам.

Стратегия 4: Снижение резонанса зажима

Добавьте последовательно соединенный резистор сопротивлением от 2 до 5 Ом и небольшой конденсатор параллельно конденсатору ограничителя. Это преобразует кольцевой сигнал с частотой 211 кГц в критически затухающее состояние стабилизации без изменения функции установившегося режима ограничителя.

Стратегия 5: Зафиксируйте также и высоковольтную выходную шину.

Для шины 10 кВ установите высоковольтный ограничивающий конденсатор емкостью около 1 нФ и напряжением 20 кВ непосредственно на вторичной обмотке трансформатора, а также последовательно включенный быстровосстанавливающийся высоковольтный диод для поглощения переходных процессов утечки множителя. N4700 Часть с частичным разрядом ниже 5 пКл и ±30 ppm/°C поддерживает пороговое значение ограничения в зависимости от температуры, а пленочный конденсатор охватывает тот же узел, где энергия импульса больше.

Стратегия 6: Проверьте зажим с помощью двухимпульсного тестирования.

Каждую конструкцию ограничителя необходимо проверить с помощью двухимпульсного теста при максимальном токе, а затем измерить пиковое перерегулирование и время установления на осциллографе с частотой 200 МГц. Это позволяет оценить запас прочности конструкции ограничителя, как правило, подтверждая двукратное превышение номинального напряжения переключателя.

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 ограничения импульсных скачков напряжения

Ограничительный конденсатор поглощает энергию, которая в противном случае разрушила бы переключатель, поэтому он должен выдерживать многократные сбои без дрейфа или нагрева. Компания HVC производит эти компоненты на основе диэлектрика класса I N4700 (T3M) на основе титаната стронция, для напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, имеющих значение на этом узле.

• Поглощение энергии импульса. Структура класса I накапливает и высвобождает энергию без поляризационной усталости, характерной для керамики класса II, поэтому конденсатор с напряжением 20 кВ выдерживает многократные импульсы энергии до 100 мДж без дрейфа емкости.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при номинальном напряжении, экранирование на заводе, поэтому клещи не вносят собственного переходного процесса во время скачка напряжения.
• Стабильный порог срабатывания зажима в зависимости от температуры. Температурный коэффициент ±30 ppm/°C и коэффициент диссипации 0.1% или ниже поддерживают напряжение зажима по мере нагрева сварочного шва в течение смены.
• Низкая эквивалентная последовательная индуктивность обеспечивает быструю проводимость. Корпуса с радиальными выводами и винтовыми клеммами поддерживают эквивалентную последовательную индуктивность ниже 30 нГн, поэтому ограничитель реагирует в пределах 100-нс импульсного окна.
• Номинальные напряжения соответствуют шине, от вспомогательных зажимов на 1 кВ до выходных зажимов на 40 кВ, с согласованными данными по частичным разрядам и тепловым характеристикам от одного поставщика.
• Запись о замене. Винтовой конденсатор серии 441 (40 кВ) был сертифицирован как прямая замена японским винтовым конденсаторам Murata в рамках программы ремонта источников света литографических машин ASML.

Ограничитель выходного напряжения пропускает полное напряжение шины, поэтому HVCT8G Конструкция с клеммным шнуром длиной 40 мм и индуктивностью петли 8 нГн покрывает это положение и обеспечивает короткую длину зажимной петли.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а соответствующие зажимные узлы — в течение 6–10 недель. HVC поддерживает расчет размеров зажимов, проверку энергии импульса, план испытаний с двойным импульсом, а также пользовательские комбинации напряжения и емкости.

Передайте коммутируемый ток, время коммутации, паразитную индуктивность, напряжение шины и частоту повторения. HVC вернет схему ограничения тока с прогнозируемым перерегулированием, отчет об энергии импульса и образцы для проверки двойного импульса. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и размерам корпуса. Vishay и другие высоковольтные диапазоны первого уровня.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какова величина пика от тока 40 А за 100 нс?

V_spike = L × dI/dt. При токе 4 × 10⁸ А/с через паразитную индуктивность 5 мкГн пиковое значение достигает 2,000 В, что составляет 20% от напряжения шины 10 кВ и 5 × напряжения линии постоянного тока 400 В.

Вопрос 2: Какое количество энергии несёт в себе одно событие?

E_spike = 0.5 × L × I². При 5 мкГн и 40 А это составляет 4 мДж на событие, что при частоте повторения 6 кГц становится средней мощностью ограничения 24 Вт. Переходный процесс при неисправности может привести к выбросу более 100 мДж за одно событие.

В3: Как рассчитывается емкость зажима?

C_clamp = L I² / [(V_bus + ΔV)² − V_bus²]. Для 5 мкГн, 40 А, шины 400 В и допустимого напряжения 80 В значение составляет 114 нФ, поэтому следует установить 220 нФ, чтобы покрыть случай неисправности с запасом.

Вопрос 4: На каком расстоянии должен располагаться зажим от выключателя?

Достаточно близко, чтобы V_os = L_loop × dI/dt оставалось ниже 10% от уровня ограничения. При крае повреждения 4 × 10⁹ А/с это означает петлю ниже 12 нГн, а 50 мм трассы уже добавляют 20 нГн.

В5: Почему зажим издает звон, и как он гасится?

f_ring = 1 / (2π√(L_leak C_clamp)). При 5 мкГн и 114 нФ колебательный контур колеблется на частоте 211 кГц. Резистор, соединенный последовательно с резистором 2 Ом и сопротивлением 5 Ом, с небольшим конденсатором, включенным параллельно, преобразует колебание в затухающее стабилизирующееся колебание.

В6: Может ли активная защита от перенапряжения заменить ограничительные клещи?

Нет. Защитный контур длительностью 1 мкс не может сработать внутри окна импульса длительностью 100 нс, и переключатель принимает на себя перегрузку до того, как сработает компаратор. Ограничитель должен быть пассивным и мгновенным, с активной защитой в качестве резервного варианта.

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 62477-1:2022, Требования безопасности для силовых электронных преобразовательных систем и оборудования — Часть 1: Общие положения, 2-е изд. Женева: МЭК, 2022.
5. IEC 61000-4-5:2014+AMD1:2017 CSV, Электромагнитная совместимость (ЭМС) - Часть 4-5: Методы испытаний и измерений - Испытание на устойчивость к скачкам напряжения, Изд. 3.1. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
6. ГБ/Т 7247.1-2024, 激光产品的安全 第1部分:设备分类和要求. Источник: 中国标准出版社, 2024.
7. Б. Ханзаде, Ю. Окадзаки и Т. Тирингер, Сравнение размеров конденсаторов и переключателей в мощных средневольтных DC-DC преобразователях с трехфазным среднечастотным трансформатором.IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 9, no. 3, pp. 3331-3338, 2021. https://doi.org/10.1109/jestpe.2020.2999726.
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. Металлизированные пленочные импульсные конденсаторы MKP — основные характеристики продуктаKEMET Electronics, https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors .
10. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com