Испытания на обратный дрейф и импульсные перенапряжения для диодов плазменного зажигания

Испытания на обратный дрейф и импульсные перенапряжения для диодов плазменного зажигания

Резюме

Высоковольтные диоды зажигания выходят из строя медленно, и первым измеримым признаком является дрейф в обратных характеристиках. В этой статье приводятся уравнения для дрейфа пробоя, роста тока утечки, масштабирования импульсных перенапряжений и нагрева перехода, повторяющаяся усталость, которая сокращает срок службы с 10⁶ циклов до 6.2×10⁴ при удвоении импульсных перенапряжений, а также протокол квалификации, позволяющий выявлять оба режима до отгрузки оборудования.

1. Введение

Высоковольтные диоды в системе зажигания плазмы работают в сложных условиях. Резонаторный выпрямитель, ограничительные диоды и демпфирующие диоды подвергаются воздействию высокого обратного напряжения и повторяющихся скачков тока, и именно это сочетание приводит к их выходу из строя.

Выход из строя редко бывает внезапным. Он начинается с медленного изменения характеристик в обратном направлении: напряжение пробоя падает, ток утечки возрастает, и в один прекрасный день диод больше не может блокировать обратный импульс цепи. С этого дня он начинает возникать лавинообразно при каждом включении зажигания, пока не произойдет короткое замыкание.

В большинстве схем зажигания диоды оцениваются исключительно по характеристикам, указанным в технической документации. В технической документации приводятся начальное напряжение пробоя и начальный ток утечки, но ничего не говорится о том, как эти значения изменяются под воздействием напряжения зажигания. Дрейф, предшествующий отказу в полевой обмотке, никогда не измеряется.

В данной статье изложены физические принципы деградации, уравнения испытаний, протокол, позволяющий одновременно измерять дрейф и скачки напряжения, а также элементы стенда, обеспечивающие достоверность измерений.

2. Основной механизм

Деградация обусловлена ​​двумя характеристиками. Характеристика обратного блокирования изменяется с накоплением напряжения, а способность к прямому импульсному перенапряжению определяет, какой ток может быть выдан за одно событие и за миллион событий.

2.1 Обратный пробой дрейфа

Длительное обратное напряжение с импульсными скачками тока ухудшает распределение поля в переходе за счет миграции поверхностного заряда, инжекции горячих носителей и роста дефектов. Напряжение пробоя изменяется:

V_BR(t) = V_BR0 · (1 + d_v · ln(1 + t/t_0))

где V_BR(t) — напряжение пробоя после воздействия напряжения t, V_BR0 — начальное напряжение пробоя в кВ, d_v — коэффициент дрейфа, а t_0 — опорное время в тех же единицах, что и t. Снижение напряжения под действием поля делает d_v отрицательным.

Диод на 10 кВ с t_0 = 1,000 ч и d_v = −0.02 выдерживает 9.52 кВ после 10 000 ч ускоренного воздействия. Аналогичный диод с d_v = −0.04 выдерживает 9.04 кВ. Для цепи, измеренный обратный импульс которой составляет 6 кВ, допустимый предел составляет 1.5× этого импульса, или 9.0 кВ. Первая партия проходит проверку с запасом в 490 В. Вторая партия превышает допустимый предел через 11 200 ч, и в технической документации нет информации об их отличии.

2.2 Рост утечек

Ток утечки при рабочем обратном напряжении экспоненциально возрастает со временем воздействия:

I_R(t) = I_R0 · exp(k_I · t)

где I_R(t) — ток утечки в момент времени t, I_R0 — начальный ток утечки в мкА, k_I — коэффициент роста в час, а t — время воздействия в часах. Партия с I_R0 = 5 мкА и k_I = 3.5×10⁻⁴ в час достигает 166 мкА после 10 000 часов и пересекает предельный ток экрана в 500 мкА примерно через 13 000 часов.

Утечка также сильно зависит от температуры и примерно удваивается каждые 8 ​​К. Именно из-за этой чувствительности в ходе теста поддерживается погрешность ±1 °C: контрольное окно удерживает температурный вклад в пределах ±9%, в то время как дрейф старения в ходе того же теста изменяется в 33 раза.

2.3 Масштабирование импульсного тока

Устойчивость к импульсным перенапряжениям зависит от длительности импульса в соответствии со стандартным соотношением, используемым в кремниевых микросхемах:

I_FSM = K · t_pulse^(−0.5)

где I_FSM — пиковый импульсный ток в А, K — константа, подобранная на основе номинальных параметров, указанных в техническом описании, а t_pulse — ширина импульса в с. Значение, указанное в техническом описании, равное 100 А при 8.3 мс, дает K = 9.11, что соответствует 1,290 А для импульса длительностью 50 мкс. Разряд резонансного контура 6 кВ в петлю 17.9 Ом достигает пикового значения около 335 А примерно за 2 мкс, поэтому случай однократного события находится далеко за пределами номинальных параметров.

Нагрев перехода от повторяющихся импульсных перенапряжений является ограничивающим фактором для данной детали:

ΔT_j = (I_surge² · R_on · t_pulse) / C_th_j

где ΔT_j — изменение температуры перехода в Кельвинах, I_surge — импульсный ток в А, R_on — динамическое сопротивление пакета в Ом, t_pulse — ширина импульса в с, а C_th_j — теплоемкость нагреваемого объема в Дж/К. Восстановительный импульсный ток 20 А через 0.5 Ом в течение 50 мкс на нагреваемом объеме 2.5 мДж/К дает изменение на 8 К при каждом включении.

2.4 Повторяющаяся усталость

При каждом включении зажигания происходит один температурный цикл на контакте и паяных соединениях. Срок службы циклов подчиняется степенному закону в зависимости от колебаний температуры:

N_f = C_CM · ΔT^(−m)

где N_f — количество циклов до отказа, C_CM — константа, подобранная для соединения, а m — показатель Коффина-Мэнсона, близкий к четырем для усталости припоя. Размах в 8 К, откалиброванный на 10⁶ циклов, означает, что размах в 16 К, вызванный удвоенным импульсным током, приведет к отказу после 62 000 циклов. При 10 зажиганиях в секунду это составляет 1.7 часа времени работы дуги, поэтому показатель одиночного импульса так мало говорит о сроке службы.

2.5. Номера петель, которые должен воспроизвести стенд.

Проверка на импульсный перенапряжение имеет смысл только тогда, когда она включает в себя собственное сопротивление цепи:

Z_0 = 31.6 · √(L[nH] / C[pF])

где Z_0 — характеристическое сопротивление контура в Ом, L — индуктивность контура в нГн, а C — емкость контура в пФ. Коэффициент 31.6 получается при преобразовании единиц измерения, поэтому контур с индуктивностью 15 000 нГн и емкостью 47 000 пФ дает 17.9 Ом. Ступенчатый резистор с паразитной индуктивностью 40 000 нГн дает 29.2 Ом и более слабый импульсный перепад, чем тот, который создает устройство.

Еще два числа завершают расчеты. Падение уровня заряда в баке при резком увеличении соответствует принципу сохранения заряда:

ΔV = I · Δt / C

где ΔV — падение напряжения в кВ, I — ток в А, Δt — интервал в мкс, а C — емкость в нФ. Амперы, микросекунды и нанофарады дают киловольты, поэтому ток 30 А, потребляемый в течение 3 мкс от узла емкостью 100 нФ, вызывает падение напряжения на 0.9 кВ. Потери проводимости в том же контуре составляют:

P = I² · R

где P — потери, I — ток в амперах, а R — сопротивление в мОм. Амперы и миллиомы дают милливатт, поэтому 1.2 А через цепь сопротивлением 80 мОм рассеивает 115 мВт. Чтение этого значения в ваттах неверно на 1,000 единиц.

Рис. 1 — Два набора диодов на 10 кВ начинают работу с одинаковым напряжением пробоя, а коэффициент дрейфа определяет, какой из них попадет в зону пропускания 9.0 кВ до 12 кХ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Технические характеристики не позволяют прогнозировать дрейф.

В технической документации указаны начальное напряжение пробоя и начальный ток утечки. Коэффициенты дрейфа не указаны, поэтому два семейства с идентичными таблицами могут вести себя совершенно по-разному после 10 000 часов воздействия напряжения зажигания. Различить их можно только с помощью долговременных испытаний.

Проблема 2: Показатели пиковых нагрузок указаны для одного события.

Показатель импульсного напряжения описывает одиночный импульс. Рабочий цикл зажигания составляет тысячи импульсов в день, и именно усталость от многократных колебаний напряжения на переходе до 8 К приводит к выходу диода из строя. При единичном импульсе этот механизм никогда не проявляется.

Проблемный момент 3: Испытательные стенды, искажающие скачок напряжения.

Испытательный стенд с паразитной индуктивностью 40 000 нГн выдает сопротивление 29.2 Ом вместо 17.9 Ом, характерных для оборудования, поэтому диод выдерживает более мягкий и длительный импульсный сигнал, чем тот, который выдает схема. Он проходит испытание на стенде, но выходит из строя в полевых условиях.

Проблема №4: дрейф показаний датчика не компенсируется температурой.

Утечка удваивается каждые 8 ​​К, поэтому неконтролируемый стенд измеряет параметры помещения так же тщательно, как и параметры перехода. Дрейф старения и температурная чувствительность смешиваются, и вывод о прохождении испытания или непрохождении зависит от стенда, а не от диода.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Проведение теста на дрейф при контролируемой температуре.

Удерживайте корпус диода при температуре ±1 °C, примените ускоренное обратное напряжение и измеряйте V_BR и I_R каждые 500 часов. Подгоните коэффициенты дрейфа по двум кривым и сравните рассматриваемые семейства и партии на одних и тех же осях. Диапазон ±1 °C позволяет удерживать температурный член в пределах ±9%, в то время как член старения изменяется в 33 раза.

Стратегия 2: Воспроизвести реальную форму волны скачка напряжения.

Создайте стенд для измерения импульсных перенапряжений, используя в качестве исходных данных сам контур зажигания, с той же емкостью контура, той же индуктивностью контура и тем же переключателем. Затем измерьте уровень импульсного перенапряжения и подсчитайте количество импульсов до отказа. Стенд, который не может воспроизвести сопротивление контура, не сможет воспроизвести и отказ.

Стратегия 3: Установите критерии прохождения трассы.

Измерьте обратный импульс цепи, установите предел в 1.5 раза больше этого значения и потребуйте, чтобы напряжение пробоя в наихудшем случае оставалось выше него. Добавьте повторяющееся требование: 10⁶ событий при частоте зажигания машины, при этом утечка должна оставаться в пределах допустимого значения.

Стратегия 4: Проверка поступающих партий с помощью экспресс-теста на дрейф.

Проведите кратковременное ускоренное замачивание образцов из каждой партии и отбракуйте партии, дрейф которых превышает контрольные пределы. Это позволяет выявить вариации от партии к партии, которые не отражены в технических характеристиках, и обходится всего в несколько дней на партию, а не в случае поломки оборудования в полевых условиях.

Стратегия 5: Завершить создание сети защиты.

Ограничьте обратный импульс и импульсный ток с помощью демпфирующих и ограничительных элементов и выберите... выпрямительный диод при 1.5-кратном увеличении измеренного пика. Настройте демпфирующий элемент на кольцевую петлю и проверьте собственную постоянную времени демпфирующего элемента относительно ширины пика, прежде чем фиксировать значения.

Стратегия 6: Отслеживание состояния диодов в процессе эксплуатации.

Контролируйте время зарядки и пульсации в контуре управления, подавайте сигнал тревоги при выходе за пределы допустимых значений модели и регистрируйте оба значения в соответствии с партией диодов. Время зарядки измеряется на... градуировочный резистор В выпрямительном каскаде происходят сдвиги за несколько недель до выхода из строя диода.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Повторяющееся пиковое обратное напряжение	10 кВ V_RRM	Серия 2CL, 25 °C
Средний прямой ток	0.8 A I_F(AV)	прямоугольная волна, Tc ≤ 85 °C
Прямой импульсный ток	100 А при 8.3 мс	одиночный импульс, I_FSM
Время обратного восстановления	< 1 мкс трр	мягкий восстановительный класс
Емкость перехода	25 пФ тип.	V_R = 4 кВ, 1 МГц
Рабочая Температура	от −55 °C до +125 °C	Tj макс
ток утечки	< 5 мкА при V_RRM	25 °C, полная мощность

5. Конденсаторы HVC для этого узла

Сертификация диодов имеет смысл только тогда, когда защитная цепь сохраняет свои значения на протяжении всего испытания. Компоненты HVC выполняют эту роль:

• Дрейф в пределах ±30 ppm/°C обеспечивает правильную настройку демпфирующего контура, благодаря чему параметры импульсных перенапряжений и восстановления диода остаются в пределах, соответствующих требованиям квалификации.
• Значение tanδ, равное или меньшее 0.1%, направляет поглощенную энергию импульсного перенапряжения в демпфирующий резистор, что предотвращает повышение температуры перехода.
• Элементы защиты для самых длинных выпрямительных цепей рассчитаны на напряжение от 1 кВ до 100 кВ.
• Частичный разряд ниже 5 пКл означает, что защитные элементы сами по себе не создают разрядной нагрузки на диод.
• Диэлектрик класса I не стареет, поэтому вклад сети в нагрузку на диод остается постоянным на протяжении всего срока службы устройства.
• 4.7 нФ керамические дисковые конденсаторы и 40 кВ дверная ручка конденсаторы эксплуатация в высоковольтных системах с большим количеством диодов, где проверка на дрейф и импульсные перенапряжения являются обычным делом.

Доставка и поддержка покрывает Перекрестная ссылка Приложите данные об импедансе и потерях в поставленной партии, образцы для дрейфового стенда, а также информацию о применении демпфирующих и зажимных элементов, измеренные значения импеданса и потерь, а также поддержку по подгонке дрейфовых кривых. Отправьте уровень обратного импульса, форму импульсного сигнала, скорость зажигания и температуру корпуса во время испытания.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Сколько времени занимает тест на дрейф?

Для того чтобы отличить партию с показателем −0.02 от партии с показателем −0.04, необходимо провести 10 000 часов ускоренного воздействия. Каждые 500 часов вы получаете новую точку данных, поэтому две кривые заметно расходятся примерно после 4,000 часов.

В2: Почему проходной балл в 1.5 раза превышает пиковый уровень?

Этот фактор одновременно учитывает дрейф, температуру и разброс параметров партии. При импульсе 6 кВ предел составляет 9.0 кВ, и устройство с дрейфом все равно должно его блокировать. Предел, установленный только на уровне импульса, не оставляет запаса на следующие 10 000 часов.

В3: Что означает номинальный импульсный ток 100 А при задержке 50 мкс?

Устойчивость к импульсным перенапряжениям определяется обратным квадратным корнем из ширины импульса, поэтому номинальная длительность 8.3 мс соответствует току 1,290 А при 50 мкс. Импульс зажигания значительно меньше, поэтому срок службы определяется частотой повторения импульсов, а амплитуда — нет.

Вопрос 4: Какой уровень нагрева перехода вызывает повторяющийся импульсный перенапряжение?

Импульсный импульс тока 20 А, проходящий через сопротивление 0.5 Ом в течение 50 мкс в нагретом объеме с энергией 2.5 мДж/К, приводит к повышению температуры на 8 К за одно событие. Удвоение импульсного тока приводит к повышению температуры на 16 К, а срок службы сокращается в 16 раз.

В5: Зачем так строго контролировать температуру внутри корпуса?

Утечка удваивается каждые 8 ​​К, поэтому неконтролируемый стенд приводит к смешиванию температурной зависимости с измерением старения. Диапазон ±1 °C позволяет удерживать температурный параметр в пределах ±9%, в то время как параметр старения изменяется в 33 раза за тот же период.

Вопрос 6: Что еще должен воспроизводить этот стенд?

Импеданс петли. Петля с индуктивностью 15 000 нГн и емкостью 47 000 пФ имеет сопротивление 17.9 Ом, а лабораторный стенд с паразитной индуктивностью 40 000 нГн имеет сопротивление 29.2 Ом и импульсный перепад напряжения, который прибор никогда не создаст.

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. МЭК 60270:2025, Методы высоковольтных испытаний - Измерение частичных разрядов на основе заряда., 4-е изд. Женева: МЭК, 2025.
6. Стандарт IEEE 4-2013, Стандарт IEEE для методов высоковольтных испытанийНью-Йорк: Институт инженеров по электротехнике и электронике, 2013.
7. MIL-PRF-55681H, Конденсатор, чип, многослойный, фиксированный, с керамическим диэлектриком, с установленной и неустановленной надежностью, общие технические характеристики.Вашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США, 2025.
8. 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.
9. Пленочные конденсаторы Типы многофункциональных устройств для сложных задачTDK Electronics (EPCOS), https://www.tdk-electronics.tdk.com/download/1211170/0a03733d8613c569c5a68ff1318e7c46/pdf-en.pdf .
10. Использование низких напряжений для проверки высоковольтных конденсаторов (ток утечки).Форум сообщества EEVblog по электронике, https://www.eevblog.com/forum/testgear/using-low-voltage-levels-to-test-hv-capacitors-leakage-current/ .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com