Защита от обратного импульсного перенапряжения с помощью высоковольтных диодов в выпрямителях плазменного зажигания

Защита от обратного импульсного перенапряжения с помощью высоковольтных диодов в выпрямителях плазменного зажигания

Резюме

Выпрямители зажигания и ограничительные диоды выходят из строя в обратном порядке, и механизм этого процесса скрывается внутри переходного процесса. В этой статье приводятся интеграл энергии лавинного пробоя, локальный нагрев перехода, следующий за ним, критерий кумулятивного повреждения, прогнозирующий срок службы в миллион событий, коэффициенты распределения для последовательных цепей и значения демпфирующих резисторов, которые удерживают пик ниже номинального значения.

1. Введение

Высоковольтные диоды расположены в трех местах в системе зажигания плазмы: в выпрямителе, заряжающем накопительный бак, в ограничителе, ограничивающем переходный процесс на выходе, и в демпфере, поглощающем энергию переключения. Каждый из них подвергается воздействию агрессивной обратной среды. Когда происходит зажигание или снимается ограничитель, переходный процесс напряжения приводит к обратному смещению диода, значительно превышающему его номинальный непрерывный режим работы.

Отказ от обратного импульсного напряжения редко происходит из-за единичного резкого перенапряжения. Он возникает из-за многократных лавинных скачков напряжения в одном дефекте перехода. Каждое такое событие выделяет небольшое количество тепла, и этот участок разрушается до тех пор, пока диод не закоротит или не обрывется через несколько месяцев после ввода машины в эксплуатацию.

Характерный признак неисправности — загадочный выход из строя диода. Деталь заменяют, машина запускается, и сбой повторяется с регулярной периодичностью. Номинальные параметры установившегося режима соблюдены, поэтому конструкция выглядит правильной, а причина кроется в событии длительностью 50 нс, которое никто не зафиксировал.

В этой статье рассматриваются энергия лавины, вызываемый ею локальный нагрев, кумулятивный ущерб, определяющий жизнеспособность организма, проблема распределения энергии в последовательных цепях и демпфирующий элемент, удерживающий пик ниже номинального значения.

2. Основной механизм

В обратносмещенном диоде ток утечки не превышает уровня лавинного пробоя V_BR. При превышении этого уровня переход проводит ток, и энергия переходного процесса передается в кремний.

2.1 Энергия лавины за одно событие

Энергия, поглощаемая одним лавинным импульсом, представляет собой интеграл произведения тока на напряжение по импульсу:

E_av = ½ · i_pk · V_av · t_p

где E_av — энергия лавины в Дж, i_pk — пиковый ток лавины в А, V_av — напряжение лавины в В, а t_p — ширина импульса в с. Множитель, равный одной второй, применяется к треугольному импульсу, который и представляет собой восстановительный пик.

Измеренный импульс на выпрямителе 10 кВ достигает 15 кВ в течение 50 нс с пиком лавинного пробоя 0.4 А. Энергия на одно событие составляет 150 мкДж. Указанное в техническом описании значение повторяемости соответствует одному событию, и в документе ничего не говорится о миллионе таких событий.

2.2 Локальный нагрев соединения

Эти 150 мкДж не нагревают весь кристалл. Они нагревают тонкую оболочку в месте лавинного пробоя, поскольку импульс длительностью 50 нс не успевает распространиться. Повышение температуры в оболочке составляет:

ΔT_j = E_av / (c_v · A_j · √(α · t_p))

где ΔT_j — локальное повышение температуры в Кельвинах, E_av — энергия лавины в Дж, c_v — объемная теплоемкость кремния, равная 1.63 Дж/(см³·К), A_j — активная площадь перехода в см², α — коэффициент теплопроводности, равный 0.9 см²/с, и t_p — ширина импульса в с.

Для перехода площадью 1 мм² глубина диффузии через 50 нс составляет 2.1 мкм. Нагретая оболочка содержит 3.5 мкДж/К, поэтому событие с энергией 150 мкДж повышает локальную температуру на 43 К. Тепло распространяется в течение микросекунды, и следующее воспламенение происходит через 10 мс.

2.3 Почему температура корпуса скрывает повреждения

Среднее повышение температуры перехода от одного и того же импульса незначительно. Оно подчиняется тепловой постоянной времени корпуса:

ΔT_avg = E_av · R_th · (1 − exp(−T_rep / τ_th))

где ΔT_avg — среднее повышение температуры в Кельвинах, E_av — энергия лавинного пробоя в Дж, R_th — тепловое сопротивление перехода к корпусу в К/Вт, T_rep — период зажигания в с, а τ_th — тепловая постоянная времени корпуса в с.

При R_th = 1.2 К/Вт, T_rep = 10 мс и τ_th = 12 мс среднее повышение температуры составляет 0.0001 К за один цикл зажигания. Термопара на корпусе показывает исправность устройства, в то время как температура в месте дефекта повышается на 43 К за каждый цикл. Таким образом, критерий повреждения отслеживает энергию, а не температуру:

E_cum = Σ_k E_av,k < E_crit

где E_cum — накопленная энергия лавины в Дж, E_av,k — энергия события k в Дж, а E_crit — энергия, которая образует расплавленный кратер в Дж. Соединение с E_crit = 150 Дж разрушается после 10⁶ событий по 150 мкДж каждое, что при 600 воспламенениях в час составляет 1,700 часов резания.

2.4 Номера цепей вокруг диода

Три параметра цепи определяют, какая часть переходного процесса достигает соединения. Потери на проводимость в цепочке определяют её базовый тепловой уровень:

P = I² · R

где P — омические потери, I — ток в амперах, а R — сопротивление контура в мОм. Амперы и миллиомы дают милливатт, поэтому средний прямой ток 0.8 А зарядного выпрямителя через цепочку проводов сопротивлением 150 мОм рассеивает 96 мВт. Интерпретация этого результата в ваттах неверна в 1,000 раз.

Постоянная времени демпфирования определяет, как долго демпфирующая сеть воздействует на пик восстановления:

τ = R · C

где τ — постоянная времени, R — сопротивление демпфирующей цепи в Ом, а C — емкость демпфирующей цепи в нФ. Ом и нанофарады дают наносекунды, поэтому демпфирующая цепь сопротивлением 100 Ом и емкостью 4.7 нФ дает 470 нс. Чтение этого результата в микросекундах приводит к погрешности в 1,000, и демпфирующая цепь длительностью 470 мкс не сможет обработать импульс длительностью 50 нс.

Частота восстановительного кольца определяется индуктивностью рассеяния и емкостью перехода:

f_r [MHz] = 5033 / √(L[nH] · C[pF])

где f_r — частота колебаний в МГц, L — индуктивность рассеяния трансформатора плюс индуктивность контура в нГн, а C — емкость перехода диода в пФ. Путь рассеяния 2,000 нГн с переходом 25 пФ колеблется на частоте 22.5 МГц, что соответствует периоду 44 нс. Пик длительностью 50 нс составляет половину цикла этого колебания, и демпфирующий контур должен гасить его в течение 470 нс.

Рис. 1 — Пиковое напряжение длительностью 50 нс при 15 кВ генерирует 150 мкДж энергии при каждом включении, поэтому повреждение перехода достигает предела в 150 Дж после миллиона событий.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: показала хорошие результаты в установившемся режиме, не сработала в переходном режиме.

Диод приобретается из-за его способности выдерживать постоянное обратное напряжение. Переходный процесс при включении затем выдает в 1.5 раза большее значение в течение 50 нс. Каждый импульс находится ниже допустимого значения для однократного импульсного напряжения, а его повторение приводит к кумулятивному повреждению в одном месте.

Болевой пункт 2: Динамическая лавина, возникающая из-за быстрого восстановления.

Быстрые фронты тока заставляют диод восстанавливаться при высоких значениях di/dt. Движущийся обедненный слой сжимает поле, и диод внутренне пробивается лавиной ниже V_BR. Компонент имеет правильные номинальные параметры, но все равно выходит из строя, потому что в техническом описании нет номера, соответствующего этому режиму.

Проблема 3: Неравномерное распределение в последовательных строках.

Десять диодов, соединенных последовательно для ограничения напряжения на 100 кВ, распределяют обратное напряжение между своими емкостями и токами утечки, значения которых различаются. Верхний диод принимает на себя 2.4 кВ при среднем напряжении 1.6 кВ на переходном процессе 15 кВ, поэтому он переносит энергию лавинного пробоя для всей цепочки.

Проблема 4: Отсутствие демпфирования переходного процесса восстановления.

Ток восстановления зарядного выпрямителя колеблется с током утечки трансформатора на частоте 22.5 МГц. Без демпфирующего элемента диод поглощает собственный пик в выключенном состоянии, который и является причиной возникновения напряжения 15 кВ.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Рассчитать параметры диода с учетом переходных процессов.

Измерьте самый сильный обратный импульс с помощью зажима и входящего в комплект восстановительного кольца. Выберите выпрямительный диод При значении, в 1.5 раза превышающем измеренное, затем сравните энергию лавины за одно событие с 150 мкДж, а накопленную суммарную энергию — с E_crit.

Стратегия 2: Контроль времени восстановления di/dt

Добавьте последовательную индуктивность или демпфирующую цепочку к выпрямителю и ограничительным диодам, чтобы ток восстановления плавно спадал. Измерьте форму сигнала восстановления и поддерживайте di/dt ниже уровня, при котором открывается динамический лавинный режим. Отправной точкой является плавное восстановление с trr менее 1 мкс.

Стратегия 3: Сбалансируйте последовательные струны с параллельными RC-цепями.

Установите на каждый диод в цепочке градуировочный резистор Для распределения постоянного тока используется конденсатор, а для распределения переходных процессов — конденсатор. Конденсаторы играют доминирующую роль в распределении переходных процессов, поэтому их стабильность определяет распределение. Резистор сопротивлением 200 МОм на каждый диод пропускает 50 мкА при 10 кВ, что в десять раз превышает ток утечки в исправном переходе.

Стратегия 4: Игнорировать кольцо восстановления

Настройте RC-демпфер параллельно каждому диоду на измеренную частоту колебаний 22.5 МГц. Резистор 100 Ом с емкостью 4.7 нФ обеспечивает постоянную времени 470 нс, что сглаживает колебания длительностью 44 нс и снижает пиковое напряжение с 15 кВ до 11 кВ. Используйте пленочный конденсатор При высокой скорости распространения фронта сигнала в демпфирующем контуре проверьте мощность резистора, поскольку демпфирующий контур поглощает энергию, которую в противном случае поглотил бы переход.

Стратегия 5: Отслеживание состояния диодов косвенным методом.

Контроллер уже измеряет время зарядки и пульсации напряжения в контуре. Неисправность выпрямителя проявляется в виде нарастания пульсаций или увеличения времени зарядки перед выходом из строя. Проанализируйте оба значения за смену и заменяйте диод при изменении любого из них на 10%.

Стратегия 6: Проверка с помощью импульсного теста с миллионом импульсов.

Проведите тестирование выпрямительного и ограничительного диодов при наихудшей частоте зажигания в течение 10⁶ событий с использованием реальной переходной формы сигнала. Требуйте, чтобы ток утечки и напряжение пробоя находились в пределах 5% от начальных показаний. Тест, останавливающийся на 10⁵ событиях, полностью игнорирует кумулятивный режим.

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

Для защиты высоковольтного диода необходимы конденсаторы, сохраняющие свое значение при перенапряжении. Компоненты HVC справляются с этой задачей:

• Динамическое распределение емкости с точностью до ±30 ppm/°C обеспечивает одинаковое переходное напряжение для каждого диода в цепочке.
• Значение tanδ, равное или меньшее 0.1%, направляет энергию восстановления в демпфирующий резистор, где ей и место.
• Номинальные напряжения от 1 кВ до 100 кВ охватывают балансировку и демпфирование для самых длинных выпрямительных цепей.
• Частичный разряд ниже 5 пКл предотвращает добавление шума в диодную среду со стороны демпфирующих и балансировочных элементов.
• Керамика класса I не стареет, поэтому балансировочные и демпфирующие контуры сохраняют свои значения на протяжении всего срока службы машины.
• 40 кВ дверная ручка конденсаторы и 4.7 нФ керамические дисковые конденсаторы Сегодня они используются в высоковольтных выпрямительных и импульсных системах с одинаковой нагрузкой по импульсным перенапряжениям.

Доставка и поддержка покрывает Перекрестная ссылка Примените данные об измеренной емкости и тангенсе угла диэлектрических потерь (tanδ) в поставляемой партии, образцы данных для стенда с миллионом импульсов, а также информацию о поддержке приложений для измерения формы сигнала восстановления. Отправьте напряжение цепочки, количество диодов, частоту восстановления и частоту зажигания.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему диод с правильными характеристиками всё равно выходит из строя?

В технической документации описаны условия непрерывного обратного напряжения и одного импульсного скачка. Переходный процесс зажигания повторяет пик напряжения 15 кВ при энергии 150 мкДж миллион раз, а суммарная энергия в одном дефекте достигает предела образования кратера в 150 Дж. Ни одно значение, полученное в стационарном режиме, этого не предсказывает.

В2: Как безопасно измерить обратный пик?

Используйте компенсированный высоковольтный пробник на выводах диода с коротким заземляющим проводом и запускайте сигнал по фронту зажигания. Запишите пиковое значение, ширину и частоту колебаний. Для события длительностью 50 нс необходима полоса пропускания пробника выше 100 МГц, чтобы показать его истинную амплитуду.

В3: Какую энергию лавины может передать один импульс?

Для треугольного импульса энергия равна половине произведения пикового тока, лавинного напряжения и длительности импульса. Пиковый ток 0.4 А при напряжении 15 кВ в течение 50 нс дает 150 мкДж. Сравните это с показателем для одиночного импульса, прежде чем рассматривать частоту повторения.

Вопрос 4: Какое значение уравновешивает цепочку из 10 диодов?

Резистор с сопротивлением 200 МОм на каждый диод пропускает 50 мкА при 10 кВ, что в десять раз превышает ток утечки в исправном переходе, поэтому распределение постоянного тока происходит за счет резисторов. Затем конденсатор емкостью 4.7 нФ на каждый диод удерживает распределение переходного тока в пределах 5% от среднего значения.

Вопрос 5: Имеет ли значение значение демпфирующего конденсатора?

Это определяет время затухания. Резистор 100 Ом с емкостью 4.7 нФ обеспечивает 470 нс, что составляет десять полупериодов кольцевого сигнала частотой 22.5 МГц и достаточно для снижения напряжения от пика 15 кВ до 11 кВ. Меньшая емкость обеспечивает меньшее время затухания кольцевого сигнала.

В6: Что выявляет тест с миллионом импульсов?

Кумулятивный режим. Ток утечки и напряжение пробоя изменяются до короткого замыкания перехода. Выполните все 10⁶ событий при наихудшей скорости зажигания и убедитесь, что оба параметра находятся в пределах 5% от начальных показаний.

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 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
6. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量. Источник: 中国标准出版社, 2018.
7. И. Чен, Х. Ли, Ф. Лин, Ф. Лю, М. Чжан, З. Ли и др. Исследование самовосстановления и характеристик срока службы металлизированного пленочного конденсатора в условиях высокого электрического поля.IEEE Transactions on Plasma Science, том 40, № 8, стр. 2014-2019, 2012. https://doi.org/10.1109/tps.2012.2200699.
8. 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.
9. Как определить напряжение пробоя конденсатора?Форум All About Circuits, https://forum.allaboutcircuits.com/threads/how-do-i-determine-breakdown-voltage-of-a-capacitor.25915/ .
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com