Совместная настройка емкости и сопротивления RC-демпфера в лазерных приводах

Совместная настройка емкости и сопротивления RC-демпфера в лазерных приводах

Резюме

Каждый переход в высоковольтном лазерном блоке сопровождается паразитной индуктивностью, и стандартным решением является RC-демпфер. В этой статье выводятся энергия, поглощаемая демпфером, емкость, необходимая для достижения предела перерегулирования, сопротивление, критически гасящее колебания контура, и потери, возникающие в результате обоих процессов. Совместная оптимизация не является компромиссом между двумя целями; это один минимум, который находится на уровне наименьшей емкости, удовлетворяющей пределу перерегулирования.

1. Введение

Каждый переход переключения в высоковольтном блоке сопровождается колебаниями, вызванными паразитной индуктивностью. Переключатели инвертора, диоды умножителя и выходной каскад управляют контуром, который накапливает энергию, и эта энергия возвращается в виде колебаний с частотой, определяемой индуктивностью и емкостью контура.

Стандартным решением является RC-демпфер: резистор и конденсатор, соединенные последовательно и размещенные параллельно переключателю. Конденсатор поглощает колебания, резистор их сглаживает, а энергия переходного процесса уходит в виде тепла в резисторе, а не в виде напряжения в полупроводнике.

Два компонента и длинный список способов их неправильной установки. Слишком малый конденсатор пропускает резонанс без затухания. Слишком большой расходует энергию в установившемся режиме и замедляет работу переключателя. Слишком малый резистор позволяет резонансу собственной петли демпфирующего элемента; слишком большой – и конденсатор не сможет разрядиться между циклами, поэтому он будет отсутствовать при следующем событии.

Затраты очевидны. Недостаточно мощный демпфирующий резистор приводит к тому, что выключатель начинает звенеть при напряжении, вдвое превышающем номинальное, и сокращает срок его службы вдвое. Слишком мощный резистор потребляет от 10 до 40 Вт на ступень, что повышает температуру внутри устройства и делает демпфирующий резистор наиболее подверженным воздействию. Полевые данные показывают, что 12% отказов полупроводниковых компонентов высоковольтных устройств связаны с некачественным демпфированием, а остаточные колебания добавляют месяцы работ по устранению электромагнитных помех к программе сертификации.

2. Основной механизм

2.1 Энергия, поглощаемая за одно событие

Демпфирующий конденсатор отводит энергию, накопленную в коммутационном контуре в момент выключения:

E_ring = ½ × L_stray × I_off²

где E_ring — энергия на одно событие, L_stray — индуктивность контура, а I_off — ток при выключении.

Петля индуктивности 100 нГн, отключающая ток 10 А, накапливает 5 мкДж. Это число кажется небольшим, и именно поэтому размер демпфирующего контура определяется не самим кольцом, а выбросом, который зависит от тех же двух величин плюс емкость.

ΔV_snub = √(L_stray / C_snub) × I_off

где ΔV_snub — пиковое превышение напряжения на шине, L_stray — индуктивность контура, C_snub — емкость демпфирующего контура, а I_off — ток в точке выключения.

Обратное преобразование этого соотношения дает наименьшую емкость, которая удерживает перерегулирование на пределе:

C_snub ≥ L_stray × I_off² / ΔV_limit²

где C_snub — емкость демпфирующего контура, L_stray — индуктивность контура, I_off — ток выключения, а ΔV_limit — максимально допустимое перерегулирование переключателя.

Для ограничения напряжения до 100 В с контуром индуктивности 100 нГн и током выключения 10 А требуется конденсатор 1 нФ. Конструкция, начинающаяся с 10 нФ для удобства, теряет 40 Вт рассеиваемой мощности из-за перерегулирования, которое не требовалось устранять.

2.2 Сопротивление согласования

Последовательное сопротивление демпфирует контур, образованный паразитной индуктивностью и демпфирующей емкостью, и критическое демпфирование этой цепи второго порядка находится на уровне:

R_opt = 2 × √(L_stray / C_snub)

где R_opt — сопротивление критического демпфирования, L_stray — индуктивность контура, а C_snub — емкость демпфирующего элемента.

При индуктивности 100 нГн и емкости 1 нФ импеданс петли составляет 10 Ом, а сопротивление R_opt — 20 Ом. В практической конструкции часто получается значение от 0.6 до 0.8 от этой величины, что обеспечивает коэффициент затухания от 0.6 до 0.8 и форму сигнала, стабилизирующуюся в течение двух циклов. Постоянная времени разряда сети равна R × C, поэтому 20 Ом и 1 нФ восстанавливаются за 20 нс, что значительно меньше периода в 20 мкс для каскада с частотой 50 кГц.

2.3 Потери и совместная оптимизация

Рассеяние энергии в демпфирующей цепи определяется двумя факторами. Первый — это энергия кольца, которая невелика. Второй — это заряд и разряд демпфирующего конденсатора при частоте переключения, который невелик:

P_snub = f_sw × (E_ring + ½ × C_snub × V_sw²)

где P_snub — рассеиваемая мощность демпфирующего элемента, f_sw — частота переключения, E_ring — энергия кольца за одно событие, C_snub — емкость демпфирующего элемента, а V_sw — напряжение, которое конденсатор меняет в течение каждого цикла.

При частоте 50 кГц и напряжении шины 400 В, конструкция с конденсатором 1 нФ рассеивает 4.3 Вт, из которых 80 мкДж приходится на емкостной компонент, а 5 мкДж — на кольцевой элемент. Таким образом, оптимизация имеет одну степень свободы: минимизировать емкость с учетом предела перерегулирования и требования к демпфированию. Оптимумом является наименьшая емкость, удовлетворяющая пределу, а сопротивление определяется из нее.

2.4 Частота колебаний и собственная индуктивность конденсатора

Частота колебаний определяет, будет ли демпфирующий контур вообще присутствовать в момент возникновения события:

f_ring = 1 / (2 × π × √(L_stray × C_snub))

где f_ring — частота колебаний кольца, L_stray — индуктивность контура, а C_snub — емкость демпфирующей цепи.

Петля 100 нГн и 1 нФ колеблется на частоте 15.9 МГц, и конденсатор с индуктивностью крепления 30 нГн по-прежнему имеет емкость 10 Ом на этой частоте при индуктивности 3 Ом, так что он работает. пленочный конденсатор При наличии 200 нГн в той же монтажной петле происходит саморезонанс на частоте 11 МГц, что помещает его на индуктивную сторону кольца и превращает его в провод, а не в демпфер.

Рис. 1 — Перерегулирование при 100 нГн и 10 А уменьшается с увеличением емкости, в то время как потери в демпфирующей цепи возрастают: 1 нФ находится на пределе 100 В при мощности 4.3 Вт.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Недостаточный размер конденсатора приводит к тому, что кольцо остается на месте.

Демпфирующая цепь, установленная на ощупь с конденсатором 0.1 нФ, не может выдержать выброс тока, вызванный контуром индуктивности 100 нГн, отключающим ток 10 А: напряжение в узле достигает 316 В выше напряжения на шине, поэтому на выключателе с напряжением 600 В приходится 716 В. Компонент присутствует на плате, но отсутствует на осциллограмме, а тест на электромагнитную совместимость регистрирует остаточный резонанс, пока выключатель поглощает энергию.

Проблема 2: Слишком большой конденсатор нагревает весь блок.

Добавление емкости для запаса по мощности многократно увеличивает потери при заряде-разряде. Конструкция с конденсатором 1 нФ рассеивает 4.3 Вт; 10 нФ в том же каскаде рассеивают 40 Вт. Это тепло передается на демпфирующий резистор, повышает температуру окружающей среды вокруг переключателя и приближает конденсатор и полупроводник к их собственным температурным пределам.

Проблемный момент 3: Конденсатор класса II изменяет перерегулирование в зависимости от температуры.

Перерегулирование пропорционально обратному квадратному корню из емкости, поэтому демпфирующий конденсатор, теряющий 25% своего значения под воздействием смещения и тепла, увеличивает перерегулирование на 15%. Перерегулирование в 100 В превращается в 115 В, и это происходит в момент, когда ключ нагревается до максимальной температуры. Компоненты класса II учитывают как коэффициент смещения, так и дрейф старения при расчете демпфирования.

Проблемный момент 4: Собственный дрейф и индуктивность резистора.

Проволочный демпфирующий резистор с индуктивностью 400 ppm/°C изменяется на 4% при повышении температуры на 100 °C, что изменяет коэффициент затухания на ту же величину. Индуктивность его обмотки оказывает большее влияние: на частоте 15.9 МГц несколько сотен наногенри, включенных последовательно с резистором, блокируют ток затухания и позволяют кольцу проходить по сети. Неиндуктивный элемент является частью демпфирующего резистора, а не опцией.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Сначала измерьте индуктивность контура.

Проведите кольцевой тест коммутационного контура или измерьте его с помощью анализатора импеданса и запишите полученное значение. От него зависит каждое последующее решение: энергия, перерегулирование, емкость и сопротивление — все они содержат L_stray. Демпфирующая цепь, разработанная без этого измерения, — это предположение, которое в итоге обойдется дорого.

Стратегия 2: Выберите наименьшую емкость, удовлетворяющую пределу перерегулирования.

Вычислите C_snub, исходя из предельного значения перерегулирования, и используйте это значение. Потери растут с увеличением емкости, поэтому оптимальным является минимальное значение, удовлетворяющее предельному значению. Округлите результат до ближайшего стандартного значения и не более того, и сравните результат с номинальным напряжением переключателя при максимальном напряжении шины.

Стратегия 3: Установите сопротивление для демпфирования, близкого к критическому.

Вычислите R_opt = 2 × √(L/C) и выберите значение от 0.6 до 0.8 из этого числа, затем проверьте с помощью теста с двойным импульсом: форма сигнала должна стабилизироваться в течение двух циклов без перерегулирования за пределы расчетного значения. Корректируйте с небольшими шагами и сохраняйте резистор неиндуктивным, чтобы элемент продолжал затухать на частоте 15.9 МГц.

Стратегия 4: Используйте конденсатор класса I с низким ESL.

An N4700 Конденсатор класса I с монтажным контуром менее 30 нГн сохраняет свое значение с точностью до ±0.5% во всем рабочем диапазоне и остается емкостным на частоте кольцевого сигнала. Этот же элемент поддерживает коэффициент рассеяния ниже 0.1%, поэтому потери остаются в резисторе, где тепловая схема уже учитывает их.

Стратегия 5: Используйте резистор с низким температурным коэффициентом сопротивления и заданный тепловой путь.

Укажите толстопленочный резистор с температурным коэффициентом 50 ppm/°C или ниже, чтобы демпфирование не менялось, и установить его на пути радиатора. Оптимизированный демпфер рассеивает от 2 до 5 Вт на ступень, и это тепло должно отводиться от устройства в соответствии с конструкцией.

Стратегия 6: Пройти квалификацию на оборудовании с подключенным кабелем и нагрузкой.

Кольцевая система зависит от всей петли, включая кабель и нагрузку. Необходимо измерить параметры конечного устройства на полной мощности и в каждой рабочей точке, включая пуск и переходные процессы при неисправностях, и потребовать стабилизации в течение двух циклов в каждой из них. быстровосстанавливающийся диод Выходной каскад вносит свой собственный импульс восстановления в тот же узел, поэтому его поведение относится к тому же измерению.

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	мин. ползучесть 25 мм
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка

5. Конденсаторы HVC N4700 для демпфирующего контура.

Настроенные параметры сохраняются только тогда, когда компоненты сохраняют свои значения. Компания HVC производит конденсаторы класса I N4700 для демпфирующих линий на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Низкий уровень эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) обеспечивает эффективность на кольцевой частоте. Монтажная петля с индуктивностью менее 30 нГн поддерживает емкостные характеристики демпфирующего контура в кольцевом диапазоне от 10 до 100 МГц, где высокоэлектропроводная часть электрически отсутствует.
• Стабильная емкость для постоянного демпфирования. Коэффициент ±30 ppm/°C обеспечивает удержание значения в пределах ±0.5% во всем рабочем диапазоне, поэтому демпфирование, настроенное при холодном пуске, соответствует демпфированию при полной нагрузке.
• Низкие потери в резисторе. При коэффициенте рассеяния ниже 0.1% конденсатор практически не вносит вклад в потери демпфирующей цепи, в результате чего тепло выделяется там, где это предусмотрено тепловой схемой.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Заводская защита от частичных разрядов предотвращает разряд демпфирующего элемента при напряжении кольца и добавление событий к защищаемому узлу.
• Возможность работы с импульсными токами. Электродная структура поглощает одно за другим кольцевые события, обеспечивая срок службы переключателя, составляющий 10⁶ циклов и более.
• Проверенная временем замена. Серия 40 кВ / 441. дверная ручка конденсаторы являются подходящей заменой для Murata В программе ремонта источников света для литографии используются винтовые конденсаторы, а разработчики DUV-технологий теперь указывают в качестве компонентов HVC в новых источниках света.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты демпфирующих элементов — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в оптимизации демпфирующих элементов, настройке кольцевых испытаний и анализе зависимости ESR от частоты. Необходимо указать индуктивность контура, ток выключения, напряжение шины, частоту переключения и номинальное напряжение переключателя. HVC предоставит вам лист выбора демпфирующих элементов с данными об импедансе и потерях в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как выбрать емкость демпфирующей цепи?

Исходя из предельного значения перерегулирования: C ≥ L_stray × I_off² / ΔV_limit². Для контура с индуктивностью 100 нГн, отключающего ток 10 А при ограничении напряжения 100 В, требуется 1 нФ, а любое большее значение не принесет ничего, кроме потерь.

В2: Какое сопротивление обеспечивает критическое демпфирование?

R_opt = 2 × √(L/C), что составляет 20 Ом при 100 нГн и 1 нФ. В практических конструкциях используется значение от 0.6 до 0.8 от этой величины; результат следует подтвердить с помощью кольцевого теста с двойным импульсом и обеспечить неиндуктивность элемента.

В3: Какую мощность рассеивает демпфирующий элемент?

4.3 Вт для конструкции с ёмкостью 1 нФ при 400 В и 50 кГц, рассчитано по формуле f_sw × (E_ring + ½CV²). Доминирует ёмкостной член: 80 мкДж на цикл против 5 мкДж от самого кольца.

Вопрос 4: Что произойдет с конденсатором гораздо большей емкости?

Перерегулирование уменьшается, а потери возрастают. При емкости 10 нФ тот же каскад рассеивает 40 Вт, что повышает температуру окружающей среды, делает демпфирующий резистор наиболее чувствительным местом и приближает конденсатор и ключ к предельным значениям их характеристик.

В5: Почему электростатическая индуктивность конденсатора так важна?

Поскольку частота кольца составляет 15.9 МГц, деталь с индуктивностью крепления 30 нГн по-прежнему имеет емкость 10 Ом на этой частоте; пленочная деталь с индуктивностью 200 нГн саморезонансится на частоте 11 МГц и ведет себя как провод именно там, где необходим демпфирующий элемент.

В6: Как узнать, что демпфер установлен правильно на станке?

Проведите измерения на конечном устройстве с подключенным кабелем и нагрузкой. Форма сигнала должна стабилизироваться в течение двух циклов в каждой рабочей точке, включая переходные процессы при запуске и неисправности, поскольку частота и амплитуда колебаний зависят от всей петли обратной связи.

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. МЭК 60664-1:2020, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения — Часть 1: Принципы, требования и испытания., 3-е изд. Женева: МЭК, 2020.
7. 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.
8. 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.
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