Высокочастотная изоляция для контуров управления зажиганием плазмы.

Высокочастотная изоляция для контуров управления зажиганием плазмы.

Резюме

В области зажигания напряжение составляет киловольты с наносекундными фронтами, а в области управления — 3.3 В с милливольтными сигналами. Любой путь между ними может привести к повреждению. В этой статье приводятся уравнения гальванической, емкостной и магнитной связи, значение синфазного тока 2 А, который проходит через барьер 20 пФ при 100 кВ/мкс, а также обратный путь, определяющий работоспособность логической схемы.

1. Введение

Система плазменного зажигания создает противоречие. Электроника управления должна наблюдать за подсистемой зажигания и управлять ею, а две области не могут иметь общий проводящий путь. Одна сторона работает при потенциалах в киловольтах с наносекундными фронтами; другая — при 3.3 В с сигналами, измеряемыми в милливольтах.

Любой гальванический, емкостной или магнитный путь между ними несет разрушительную силу. Переходные процессы, возникающие при зажигании, распространяются по линиям измерения в управляющие входы, обратные токи текут в опорный управляющий сигнал, а общая земля превращает плату управления в коллектор энергии зажигания.

Наиболее распространенной проблемой в полевых условиях является неполноценная изоляция. Большие расстояния утечки, более толстая изоляция и фильтры большего размера оставляют путь утечки на месте и перемещают симптом. Сам путь утечки необходимо разорвать на этапе проектирования, и каждое пересечение должно быть рассчитано на частотный состав фронта сигнала зажигания.

В данной статье рассматриваются три механизма связи, уравнения, определяющие требования к изоляции, четыре проблемных момента и архитектура, которая предотвращает попадание потенциалов зажигания в область управления.

2. Основной механизм

Граница изоляции выполняет одну задачу: блокирует три механизма связи, пропуская при этом необходимый сигнал. Каждому механизму присваивается номер, и каждый номер превращается в техническую спецификацию.

2.1 Гальваническая проводимость

Любой проводящий путь между доменами проводит ток зажигания непосредственно: провод, заземляющий провод, крепежный болт. Ток ограничен только сопротивлением этого пути:

i_fault = V_ign / Z_path

где i_fault — проводимый ток в А, V_ign — потенциал зажигания в В, а Z_path — сопротивление пути в Ом. Пять киловольт на соединении сопротивлением 1 кОм подают 5 А на управляющую сторону. Те же 5 кВ на барьере сопротивлением 10 МОм пропускают 0.5 мА, который сохраняется при подаче управляющего сигнала. Требование изоляции начинается с этого значения 10 МОм.

2.2 Емкостная связь через барьер

Каждый изолирующий элемент имеет паразитную емкость на своем барьере: емкость связи оптопары, межвитковая емкость трансформатора, внутренняя емкость изолированного преобразователя постоянного тока. Фрагмент зажигания приводит к протеканию тока через него:

i_CM = C_barrier · (dV_ign/dt)

где i_CM — синфазный ток в А, C_barrier — емкость барьера в Ф, а dV_ign/dt — скорость срабатывания фронта зажигания в В/с. Барьер с емкостью 20 пФ и фронтом зажигания 100 кВ/мкс подает ток 2 А. Ни один сигнальный фильтр не обрабатывает этот ток, пока ему не будет куда идти, поэтому архитектура должна определить обратный путь.

Обратный путь определяет характер повреждения. Специальный обратный путь с индуктивностью 2 нГн обеспечивает сопротивление 0.075 Ом на частоте 6 МГц, поэтому ток 2 А приводит к напряжению 0.15 В. Общий опорный путь с индуктивностью 50 нГн обеспечивает сопротивление 1.88 Ом, поэтому тот же ток приводит к напряжению 3.8 В и блокировке логики. Ток одинаков в обоих случаях; различается только обратный путь.

2.3 Магнитная связь с пересекающимися петлями

Ток зажигания в цепи питания передается в любую сигнальную петлю, пересекающую границу:

V_coup = M · (di_ign/dt)

где V_coup — напряжение связи в В, M — взаимная индуктивность в Гн, а di_ign/dt — наклон тока зажигания в А/с. Нескрученная пара, образующая петлю площадью 0.005 м², поглощает 0.02 мкГн, которая при импульсе 100 А/мкс превращается в 2 В. Скручивание пары и уменьшение площади до 0.0005 м² снижает это значение до 0.2 В.

2.4 Требование иммунитета

Ключевым показателем эффективности изолятора является его устойчивость к синфазным переходным процессам, и требования к этому параметру задаются фронтом зажигания:

CMTI_required > V_ign_max / t_edge_min

где CMTI_required — это помехоустойчивость в В/с, V_ign_max — максимальный потенциал зажигания в В, а t_edge_min — самый быстрый фронт в с. Для фронта зажигания 5 кВ длительностью 50 нс требуется 100 кВ/мкс, а правило проектирования, предусматривающее удвоение этого значения, устанавливает спецификацию на уровне 200 кВ/мкс. Многие изоляторы не достигают этой цифры, и это никогда не подтверждается данными из технической документации.

Еще три числа завершают расчет барьера. Характеристическое сопротивление барьерной сети выглядит следующим образом:

Z_loop = 31.6 · √(L[nH] / C[pF])

где Z_loop — импеданс в Ом, L — индуктивность рассеяния в нГн, а C — емкость барьера в пФ. Трансформатор с индуктивностью рассеяния 500 нГн и емкостью 20 пФ дает 158 Ом, и это значение определяет, как барьер разделяет переходный процесс. Фильтр, который подавляет связанную энергию, саморезонанс находится на:

f_r [MHz] = 5033 / √(L[nH] · C[pF])

где f_r — резонансная частота в МГц. Дроссель 500 нГн с фильтрующей частью 470 пФ дает 10.4 МГц, поэтому пара остается эффективной в полосе фронта зажигания. Наконец, ток, сбрасываемый на изолированную шину питания, составляет:

ΔV = I · Δt / C

где ΔV — сдвиг напряжения питания в кВ, I — ток в А, Δt — длительность импульса в мкс, а C — емкость в нФ. Амперы, микросекунды и нанофарады дают киловольты, поэтому ток 2 А, подаваемый в течение 50 нс на локальную емкость 100 нФ, сдвигает напряжение питания на 0.001 кВ, что составляет 1 В. Именно этот сдвиг в 1 В относительно логического напряжения питания 3.3 В объясняет необходимость наличия локальной емкости.

Рис. 1 — Барьер 20 пФ при 100 кВ/мкс вводит синфазный ток 2 А, а обратный путь определяет, станет ли он 3.8 В или 0.15 В на логическом уровне.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Выбор разъединителей исключительно на основе номинального напряжения.

Оптопара или цифровой изолятор выбираются с учетом напряжения изоляции, в то время как реальная нагрузка на систему зажигания обусловлена ​​частотой фронта импульса и синфазным током, который она питает. Компонент с высоким номинальным напряжением, но слишком низкой устойчивостью к переходным процессам пропускает сигнал без проблем.

Проблема 2: Изолированный DC-DC-разъем как скрытый путь.

Преобразователь, питающий изолированную сторону, имеет собственную емкость связи через барьер. Фрагмент зажигания передает ток через него на сторону управления, и источник питания, предназначенный для обеспечения изоляции, становится самым большим путем связи в машине.

Проблемный момент 3: Восстановление контуров заземления после монтажа.

Изолированные модули прикручиваются к общему шасси, и болты восстанавливают проводящий путь, который изоляция должна была разорвать. Петля возвращается со всеми своими симптомами, и схема по-прежнему выглядит правильно.

Проблемный момент 4: Фильтрация, которая отводит поток изоляции.

Фильтрующие конденсаторы на пересечении линий электропередачи заземлены относительно управляющей земли. Если этот обратный провод длинный или используется совместно с чувствительными цепями, отфильтрованный ток протекает через чувствительную опорную землю, и фильтр перемещает шум, а не удаляет его.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Обеспечить изоляцию посредством временного иммунитета.

Необходимо обеспечить устойчивость к синфазным переходным процессам, составляющую как минимум в два раза больше наихудшей частоты фронта сигнала для каждого элемента, пересекающего границу, и проверить это на реальной схеме. Для фронта 5 кВ длительностью 50 нс это означает 200 кВ/мкс, и никакие технические характеристики не могут заменить это испытание.

Стратегия 2: Суммировать емкости барьера

Суммируйте емкости барьеров каждого перехода: изоляторов, преобразователя постоянного тока, согласующих трансформаторов. Затем предусмотрите отдельный обратный провод с низкой индуктивностью для всего синфазного тока и отведите этот провод подальше от чувствительных цепей. Обратный провод с индуктивностью 2 нГн — это особенность компоновки, а не компонент.

Стратегия 3: Питание изолированной стороны с помощью преобразователя с малой емкостью.

Выберите изолированный источник питания, исходя из его емкости связи и характеристик синфазного сигнала, и установите на выходе дроссель для подавления синфазного сигнала, когда емкость высока. HVC керамические дисковые конденсаторы Обеспечьте наличие локального конденсатора емкостью 100 нФ, который поддерживает ток разряда 2 А и сдвиг напряжения на шине до 1 В.

Стратегия 4: Контроль соединения изолированных модулей

Установите изолированные модули на изолирующие стойки и определите единое соединение между изолированным заземлением и заземлением управления. Это единое соединение является преднамеренным элементом конструкции с известным импедансом, и крепежные элементы больше не смогут случайно создать второй путь.

Стратегия 5: Фильтрация на каждом пересечении

Добавьте сеть фильтров непосредственно на переезде, используя следующие компоненты: градуировочные резисторы Это определяет делитель и емкость, которая подавляет связанную энергию. Возврат фильтра должен быть отделен от чувствительного эталонного сигнала, а собственный резонанс фильтра следует проверять по полосе пропускания на краю зоны зажигания.

Стратегия 6: Определение границы путем инъекции.

Подайте наихудший фронт зажигания через барьер при работающем оборудовании и отслеживайте каждый сигнал со стороны управления. Требуйте отсутствия логических ошибок, отсутствия защелкивания и наличия всего синфазного тока внутри расчетного обратного пути в течение 1,000 впрысков. Измеряйте синфазный ток с помощью токового датчика вокруг обратного пути, а не путем наблюдения за симптомами.

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	< 50 мОм	25 ° C
Индуктивность петли (хорда E40)	< 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	> 10 ГОм при 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	> 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для этого узла

Конденсаторная сторона разделительной границы должна вести себя как конденсатор на частотах зажигания. Компоненты HVC обладают таким поведением:

• Отклонение в пределах ±30 ppm/°C обеспечивает стабильную работу фильтров по всей тепловой ширине машины.
• Значение tanδ, равное или меньшее 0.1%, рассеивает связанную энергию синфазного сигнала на фильтре, а не циркулирует ею.
• Номинальные значения от 1 кВ до 100 кВ охватывают фильтрацию со стороны зажигания, а также прохождение через низковольтные цепи.
• Частичный разряд остается ниже 5 пКл, поэтому фильтр и соединительные элементы не добавляют шумов разряда на границу раздела фаз.
• Компактные корпуса позволяют сохранить низкий уровень собственной электростатической проводимости фильтра, что обеспечивает его эффективность на частотах фронта зажигания.
• пленочный конденсатор Дисковые компоненты емкостью 4.7 нФ и диапазоном измерения работают в высоковольтных системах, где граница между высоковольтным питанием и прецизионным управлением проектируется на уровне компонентов.

Доставка и поддержка покрывает Перекрестная ссылка Необходимо предоставить данные об импедансе до 100 МГц для поставленной партии, образцы для инжекционного тестирования, а также поддержку по проектированию барьеров и трассировке обратного пути, включая частоту фронта зажигания, емкость барьера каждого элемента, напряжение питания логики и т.д. дверная ручка конденсаторы используется со стороны системы зажигания.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какая помехоустойчивость к синфазным помехам необходима изолятору?

Удвойте наихудшую скорость импульса зажигания. Импульс 5 кВ длительностью 50 нс дает 100 кВ/мкс, поэтому укажите 200 кВ/мкс и подтвердите это на реальной плате. Значения, указанные в технической документации, измерены на тестовой плате с другой компоновкой.

В2: Почему барьер в 20 пФ представляет проблему при 100 кВ/мкс?

Поскольку через барьерный конденсатор проходит ток 2 А, этот ток должен куда-то вернуться, и сопротивление обратного пути определяет напряжение: 0.075 Ом дает 0.15 В, а 1.88 Ом — 3.8 В и фиксирует логику.

В3: Какой уровень гальванической утечки допустим?

Поддерживайте сопротивление цепи выше 10 МОм, чтобы утечка 5 кВ составляла менее 0.5 мА. Соединение с сопротивлением 1 кОм, как, например, крепежный болт, пропускает ток 5 А.

Вопрос 4: Где следует разместить фильтрующие конденсаторы?

На пересечении, когда их обратный сигнал отделен от чувствительного опорного сигнала, фильтрующий конденсатор, обратный сигнал которого используется совместно с опорным сигналом, перемещает шум в опорный сигнал вместо того, чтобы удалять его.

В5: Как предотвратить восстановление зацикливания при монтировании?

Используйте изолирующие стойки и определите одно соединение между изолированным заземлением и управляющим заземлением. Это соединение по умолчанию пропускает синфазный ток, и в этом случае оборудование не добавляет второго пути.

В6: Что измеряет инъекционный тест?

И логическая реакция, и синфазный ток. Поместите токовый пробник вокруг расчетного обратного пути, подайте наихудший фронт сигнала 1,000 раз и потребуйте нулевых логических ошибок, если весь ток проходит по этому пути.

7. Рекомендации

1. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
2. Куффель, Э., Заенгль, В.С., и Куффель, Дж. Высоковольтная техника: основы, 2-е изд. Оксфорд: Ньюнес, 2000.
3. Н. Мохан, Т.М. Унделанд и У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен: Wiley, 2003.
4. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудованияВашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США, 1995.
5. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016 CSV, Требования безопасности к электрическому оборудованию для измерения, контроля и лабораторного использования. Часть 1. Общие требования, Изд. 3.1. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
6. МЭК 61000-4-4:2012, Электромагнитная совместимость (ЭМС) – Часть 4-4: Методы испытаний и измерений – Испытание на устойчивость к быстрым переходным процессам/импульсам, Изд. 3.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2012.
7. УЛ 810, Стандарт безопасности для конденсаторов, 6-е изд. Нортбрук: UL Standards & Engagement, 2019.
8. А.М. Гауда, А. Эль-Хаг, Т.К. Абдель-Галиль, ММА Салама и Р. Бартникас, Обнаружение и измерение сигналов частичных разрядов в режиме реального времени в условиях сильного шума.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 15, no. 4, pp. 1162-1173, 2008. https://doi.org/10.1109/tdei.2008.4591239.
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. AN2001_06 — Последовательное соединение IGBT-транзисторов, Infineon Technologies, AN2001_06, http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN2001_06_Series_connection_of_IGBTs-AN-v1.0-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b40f000d12f7 .
11. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com