Расчет размеров и восстановление диодов ограничения в выходных цепях зажигания плазмы.

Расчет размеров и восстановление диодов ограничения в выходных цепях зажигания плазмы.

Резюме

Ограничивающий диод сдерживает колебания выходного напряжения, вызванные отражениями от кабеля, колебаниями обмотки и схлопыванием зазора. Он также поглощает захваченную энергию выходного контура, должен чисто отключаться после этого и выполняет эту функцию тысячи раз в день. В данной статье рассматриваются захваченная энергия, выброс без ограничения, поглощение при ограничении, повышение емкости ограничительного конденсатора, восстановительный пик и резонанс между ограничительным и кабелем.

1. Введение

Выходной каскад плазменного воспламенителя состоит из вторичной обмотки трансформатора, разделительного конденсатора и кабеля горелки. Он подвержен воздействию событий, которые не предусмотрены конструкцией: отраженные импульсы от несоответствия импеданса кабеля, колебания между током утечки трансформатора и паразитными емкостями, а также переходный процесс схлопывания при пробое зазора или гашении дуги.

Без ограничителя эти колебания достигают значений, в два-три раза превышающих номинальное напряжение зажигания. Это создает нагрузку на изоляцию кабеля, разделительный конденсатор и обмотки трансформатора, и неисправности проявляются спустя месяцы и в другом месте машины.

Клемма не является бесплатным компонентом. Она должна поглощать захваченную энергию выходного контура, корректно отключаться по завершении переходного процесса и выдерживать нагрузку от машины, срабатывающей сотни раз в секунду. Неправильно установленные клеммы выходят из строя видимым образом: та, которая срабатывает при восстановлении, становится источником переходного процесса, для устранения которого она была установлена, а та, которая поглощает больше, чем рассчитана, выходит из строя и превращает защиту в неисправность.

В этой статье рассматривается захваченная энергия, возникающий при этом перерегулирование, поглощение напряжения зажимом и его повышение, а также восстановительный скачок, определяющий, останется ли зажим защитным элементом.

2. Основной механизм

2.1 Захваченная энергия в выходном контуре

Когда проводимость в зазоре прекращается, току в выходной индуктивности некуда деваться, и его энергия должна быть поглощена.

E_trapped = ½ × L_out × i_out²

где E_trapped — захваченная энергия, L_out — общая индуктивность выходного контура, а i_out — ток в момент прекращения проводимости зазора. При вторичной индуктивности утечки 1.2 мГн и индуктивности кабеля при токе 8 А контур удерживает 38.4 мДж.

2.2 Перерегулирование без ограничителя

Без ограничителя эта энергия заряжает паразитную емкость на выходе, и напряжение повышается до тех пор, пока не произойдет пробой паразитного пути.

V_peak = V_nominal + i_out × √(L_out / C_par)

где V_peak — амплитуда колебаний без фиксации напряжения, V_nominal — рабочее выходное напряжение, i_out — ток при затухании, а C_par — паразитная емкость, заряжаемая контуром. Паразитный контур емкостью 300 пФ с индуктивностью 1.2 мГн имеет сопротивление 2000 Ом, поэтому ток 8 А добавляет 16 кВ к выходному напряжению 10 кВ. Размах достигает 26 кВ, что в 2.6 раза превышает номинальное значение, и именно здесь начинаются отказы изоляции кабеля и обмоток.

2.3 Что должен поглощать зажим

Как только зажим начинает проводить ток, ток в контуре затухает, пока зажим удерживает пороговое напряжение, и дополнительное время, в течение которого источник продолжает подавать ток, приводит к тому, что зажим поглощает больше энергии, чем удерживается.

E_clamp = ½ × L_out × i_out² × V_clamp / (V_clamp − V_nominal)

где E_clamp — энергия, поглощаемая зажимом за одно событие, V_clamp — пороговое значение зажима, а V_nominal — рабочее выходное напряжение. Пороговое значение 13 кВ при выходном напряжении 10 кВ дает отношение 4.33, поэтому 38.4 мДж захваченной энергии превращаются в 166 мДж на зажиме. Именно это отношение объясняет, почему пороговое значение зажима, установленное близко к рабочему напряжению, обходится дорого: при 11 кВ то же событие передает зажиму 422 мДж.

2.4 Повышение напряжения на конденсаторе зажима

Конденсатор-ограничитель поглощает эту энергию, и повышение его напряжения за одно событие определяет, насколько стабильно остается пороговое значение.

ΔV_clamp = E_clamp / (C_clamp × V_clamp)

где ΔV_clamp — повышение напряжения на конденсаторе ограничителя, E_clamp — энергия на одно событие, C_clamp — емкость ограничителя, а V_clamp — пороговое значение ограничителя. Для удержания повышения напряжения ниже 3% от 13 кВ, что составляет 390 В, требуется 33 нФ. При этом значении повышение напряжения составляет 387 В, или 2.98%, и каждая операция ограничения напряжения оставляет пороговое значение в пределах нескольких вольт от исходного.

2.5 Восстановление и вызванный им скачок

Когда выходной сигнал снова падает ниже порогового значения, диод выключается, и сначала необходимо удалить накопленный в нем заряд.

V_rr = L_par × (di/dt)_rr

где V_rr — пиковое значение, создаваемое восстановлением, L_par — индуктивность петли зажима, а (di/dt)_rr — скорость падения обратного тока. Зажим пропускает весь ток петли 8 А, поэтому его накопленный заряд достигает 4 мкКл, а пик обратного тока составляет около 8 А.

Деталь, отламывающаяся за 25 нс, генерирует ток 3.2 × 10⁸ А/с через индуктивность контура 1 мкГн и создает напряжение 320 В выше порогового значения ограничения. Мягкое восстановление, происходящее за время более 1.5 мкс, генерирует ток 5.3 × 10⁶ А/с и создает напряжение 5.3 В.

2.6 Резонанс зажима с кабелем

Ограничительный конденсатор и индуктивность кабеля образуют резонатор, который звенит после каждого события, если его не затухнуть.

Q = (1 / R) × √(L / C)

где Q — добротность данного резонанса, R — последовательное демпфирующее сопротивление, L — индуктивность кабеля, а C — емкость ограничителя. Ограничительный конденсатор емкостью 33 нФ с индуктивностью кабеля 1.2 мГн резонирует на частоте 25.3 кГц с характеристическим импедансом 191 Ом. То же самое последовательное сопротивление 191 Ом приводит добротность Q к 1 и останавливает резонанс, поэтому элемента с сопротивлением 200 Ом, включенного последовательно с конденсатором 100 нФ, подключенным параллельно ограничителю, достаточно, чтобы предотвратить перенапряжение диода на собственном конце.

Рис. 1 — Ограничительный диод поддерживает выходное напряжение на уровне 13 кВ, в то время как конденсатор емкостью 33 нФ поглощает 166 мДж за одно событие.

3. Проблемы проектирования

Проблемный момент 1: Смещение порогового значения зажима

Если опорное напряжение за порогом срабатывания ограничителя изменяется с температурой, то и пороговое напряжение изменяется вместе с ней. Сдвиг вверх пропускает это изменение, а сдвиг вниз обрезает полезный импульс зажигания и расходует энергию, которую зазор никогда не видит. Конденсатор с сопротивлением ±30 ppm/°C в фильтре опорного напряжения сохраняет свое значение при изменении температуры на 50 °C с точностью до 0.15%, что позволяет поддерживать пороговое напряжение на заданном уровне.

Проблемный момент 2: Функция поглощения энергии

Зажим поглощает 166 мДж энергии за одно срабатывание. При 400 срабатываниях в секунду зажим, срабатывающий на 5% из них, потребляет 3.3 Вт, а зажим, срабатывающий на половине из них, — 33 Вт. Резистор, рассчитанный на первое число срабатываний, выходит из строя на втором, и вместе с ним выходит из строя диод, обычно из-за короткого замыкания, что превращает защиту в неисправность.

Болевой пункт 3: Трудности с восстановлением, шум от инъекции.

Быстродействующий элемент с резким обрывом цепи генерирует скачок напряжения 320 В, необходимый для уравнения восстановления, и этот скачок передается на трансформатор зажигания и в плоскость управления. Клещ, установленный для подавления переходных процессов, становится источником переходных процессов, и неисправность отображается на плате управления, а не на самом клеще.

Проблемный момент 4: Резонанс конденсатора зажима с кабелем.

Колебания конденсатора, ограничивающего поток, на частоте 25.3 кГц с добротностью Q = 190 при отсутствии демпфирования. Эти колебания удлиняют переходный процесс, возвращают диод в состояние проводимости и добавляют второе и третье поглощение энергии к каждому колебанию. В результате диод поглощает в три раза больше энергии, чем предсказывали расчеты.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Рассчитать размер ограничивающего конденсатора исходя из энергии события.

Вычислите энергию на одно событие при максимальном выходном токе и максимальной индуктивности контура, которые когда-либо будут присутствовать в устройстве, затем выберите емкость так, чтобы повышение напряжения оставалось ниже 3% от порогового значения ограничения. При пороговом значении 13 кВ и энергии 166 мДж на событие это составляет 33 нФ, а повышение напряжения — 387 В.

Стратегия 2: Выберите диод с плавным восстановлением для ограничения сигнала.

Выберите компонент с контролируемым обратным восстановлением и проверьте форму сигнала восстановления на стенде. Плавное восстановление снижает крутизну обратного тока с 3.2 × 10⁸ А/с до 5.3 × 10⁶ А/с, а пиковое напряжение — с 320 В до 5.3 В. Используйте быстровосстанавливающийся диод Только там, где цепи необходима скорость, и добавляйте последовательную индуктивность для регулирования наклона кривой, когда это требуется.

Стратегия 3: Построить пороговое значение из стабильных частей

Реализуйте пороговое значение ограничения с помощью прецизионного опорного напряжения и стабильного конденсатора. N4700 Деталь с коэффициентом рассеяния ниже 0.1% и коэффициентом ±30 ppm/°C обеспечивает надежную работу как ограничительного конденсатора, так и эталонного фильтра в широком диапазоне рабочих температур, поэтому запас защиты, измеренный в холодном состоянии, равен запасу, полученному при нагревании.

Стратегия 4: Снижение резонанса между зажимным кабелем и кабелем.

Добавьте последовательно 200 Ом и конденсатор 100 нФ, подключенный параллельно ограничительному конденсатору. Эта ветвь повышает добротность резонанса 25.3 кГц со 190 до 1, что предотвращает переход диода в состояние проводимости после основного события и исключает повторные поглощения, которые не были учтены при расчете энергии.

Стратегия 5: Контроль коэффициента сжатия в контроллере.

Подсчитайте количество срабатываний зажима на каждое событие зажигания и отслеживайте динамику этого показателя в течение нескольких недель. Увеличение количества срабатываний означает деградацию выходной цепи из-за повышения индуктивности рассеяния или повреждения кабеля, и это сигнализирует о необходимости технического обслуживания до того, как зажим выйдет из строя. Кроме того, это самый дешевый индикатор того, что кабель был перенаправлен или поврежден.

Стратегия 6: Проверка на соответствие наихудшим сценариям ошибок на выходе.

Проведите испытания на короткое замыкание, на разомкнутую цепь и на предельный зазор, и в каждом случае убедитесь, что ограничитель удерживает пиковое значение в пределах расчетного диапазона и что диодный переход остается ниже 75% от своего номинального значения. Короткое замыкание и разомкнутая цепь — это два случая, которые никогда не проверяются при стендовых испытаниях на исправном зазоре.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Повторяющееся пиковое обратное напряжение	Ресивер с регулируемым напряжением 10 кВ, два последовательно соединенных.	Серия 2CL, 25 °C
Средний прямой ток	0.8 A IF(AV)	прямоугольная волна, Tc ≤ 85 °C
Прямой импульсный ток	100 А при 8.3 мс	одиночный импульс, IFSM
Время обратного восстановления	ниже 1 мкс трр	мягкий восстановительный класс
Емкость перехода	25 пФ типично	VR = 4 кВ, 1 МГц
Емкость зажима	33 нФ, повышение ниже 3%	166 мДж за событие
Рабочая Температура	от −55 °C до +125 °C	Максимальный Tj, снижение мощности на 75%.

5. Конденсаторы HVC N4700 (T3M) для цепи ограничения.

Ограничитель сохраняет свой пороговый уровень только до тех пор, пока его опорное значение остается неизменным. Компания HVC выпускает семейство N4700 (T3M) класса I именно для этой цели. градуировочные резисторы которые распределяют напряжение ограничения между последовательно соединенными диодами на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Стабильная емкость при ограничении напряжения. Коэффициент ±30 ppm/°C обеспечивает постоянство порогового значения ограничения и характера поглощения в диапазоне температур, поэтому повышение напряжения на 387 В, измеренное на стенде, соответствует повышению напряжения, полученному в нагретом шкафу.
• Путь поглощения, который остается холодным. Коэффициент рассеяния ниже 0.1% позволяет поглощенной энергии оставаться в резисторе там, где она должна быть, вместо того, чтобы нагревать конденсатор и изменять его значение.
• Охват всего диапазона выходного напряжения. Номинальные значения от 1 кВ до 100 кВ соответствуют напряжениям ограничения пилотной и основной дуговых ступеней с одним сертифицированным диэлектриком, а последовательная цепочка из 10 кВ элементов покрывает пороговое значение 13 кВ с запасом.
• Разряд ниже 5 пКл. Ограничивающий конденсатор находится на полном пороговом напряжении при каждом событии, и компонент, не подверженный разряду, не добавляет собственного шума к узлу, который должен работать бесшумно.
• Низкая индуктивность контура. Собственная индуктивность ниже 8 нГн обеспечивает короткое замыкание контура, что и удерживает восстановительный пик, создаваемый индуктивностью контура.
• Проверено в условиях высоковольтных переходных процессов. Серия 441 для напряжения 40 кВ. дверная ручка конденсаторы заменили комплектующие ведущих производителей в программах обслуживания высоковольтного оборудования, а также Перекрестная ссылка против пленочный конденсатор показывает смещение, которое в противном случае пришлось бы компенсировать опорному сигналу зажима.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты ограничителей — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете захваченной энергии, определении размеров конденсаторов ограничителя, проектировании демпфирующих цепей и тестировании на наихудшие условия неисправности. Отправьте выходное напряжение, индуктивность контура, рабочий ток и пороговое значение ограничителя, и HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист выбора ограничителей с данными об поглощении и отчетами о частичных разрядах.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое количество энергии удерживается в выходном контуре?

Половина индуктивности контура, умноженная на квадрат тока в момент прекращения проводимости зазора. При вторичной индуктивности утечки 1.2 мГн и индуктивности кабеля при токе 8 А это составляет 38.4 мДж, а напряжение без ограничения амплитуды колебаний возрастает на 16 кВ выше рабочего уровня, достигая 26 кВ при выходном напряжении 10 кВ.

В2: Почему зажим поглощает в четыре раза больше захваченной энергии?

Поскольку ток в контуре медленно спадает, пока ограничитель удерживает свой пороговый уровень, и источник продолжает подавать ток в ограничитель в течение этого спада, энергия масштабируется как V_clamp, деленное на V_clamp минус V_nominal, что составляет 4.33 для ограничителя на 13 кВ при выходном напряжении 10 кВ. Установка ограничителя ближе к рабочему напряжению ухудшает ситуацию: 11 кВ дает 11.

В3: Какого размера должен быть ограничивающий конденсатор?

Достаточно большой, чтобы повышение напряжения за одно событие оставалось ниже 3% от порогового значения. При энергии 166 мДж за событие и пороговом значении 13 кВ это составляет 33 нФ, что дает повышение напряжения на 387 В, или 2.98%. Меньший конденсатор позволяет пороговому значению повышаться с каждым событием.

Вопрос 4: Что обуславливает резкий скачок восстановления?

Индуктивность контура и наклон кривой обратного тока взаимосвязаны. Зажим пропускает весь ток контура 8 А, поэтому накопленный заряд достигает 4 мкКл. Часть, которая отключается за 25 нс, пропускает 3.2 × 10⁸ А/с через 1 мкГн и создает напряжение 320 В. Плавное восстановление, происходящее за 1.5 мкс, создает напряжение 5.3 В.

В5: Почему зажим звонит после происшествия?

Поскольку конденсатор зажима и индуктивность кабеля образуют резонатор, и ничто в зажиме не гасит его. Конденсатор 33 нФ с индуктивностью 1.2 мГн издает резонанс на частоте 25.3 кГц с добротностью Q = 190, что возвращает диод в состояние проводимости и добавляет повторные поглощения. Резистор 200 Ом, включенный последовательно с конденсатором 100 нФ, снижает добротность до 1.

Вопрос 6: Какие тесты доказывают работоспособность зажима?

Проведите испытания в условиях короткого замыкания, разомкнутой цепи и предельного зазора, и убедитесь, что пиковое значение остается в пределах расчетного диапазона, а переход диода остается ниже 75% от своего номинального значения в каждом случае. Добавьте счетчик контроллера для регистрации срабатываний ограничителей на каждое событие и отслеживайте динамику, поскольку увеличение счетчика позволяет обнаружить повреждение кабеля за несколько недель до выхода диода из строя.

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. Y. Zhou, B. Chen, C. Tian, ​​J. Yuan и Y. Chen, Параллельный линейный преобразователь с диодным ограничением для испытаний на выдерживаемое напряжение и измерения частичных разрядов электрооборудования.Высокое напряжение, том 8, № 1, стр. 171-182, 2023. https://doi.org/10.1049/hve2.12312.
7. В. Беляев, Модель поверхностного пробоя изолятора в вакууме, в сборнике трудов ISDEIV. 18-й Международный симпозиум по разрядам и электрической изоляции в вакууме, стр. 151-154, 1998. https://doi.org/10.1109/deiv.1998.740596.
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. 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.
10. ГОСТ IEC 61071-2014, Конденсаторы силовые электронные (Конденсаторы для силовой электроники). Москва: Стандартинформ, 2014.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com