Задержка и время блокировки для мостов плазменного зажигания

Задержка и время блокировки для мостов плазменного зажигания

Резюме

Полномостовой преобразователь, питающий трансформатор плазменного зажигания, выходит из строя двумя способами: из-за сквозного пробоя и жесткой коммутации. В этой статье приводятся значения мертвого времени, нарастания тока короткого замыкания, последующего окна десатурации, частоты колебаний шины, а также значения параметров шины и демпфирующей цепи, которые удерживают напряжение на шине 3 кВ в допустимых пределах.

1. Введение

Четыре переключателя поочередно подают ток зажигания в первичную обмотку трансформатора с переменной полярностью. Ошибка синхронизации в этом мосте выводит из строя оборудование за микросекунды. Двумя классическими причинами отказа являются сквозной ток, при котором оба переключателя одной цепи проводят ток и замыкают шину постоянного тока, и жёсткая коммутация, при которой один переключатель включается, в то время как полный ток зажигания проходит через противоположное устройство.

Возвраты из поля несут в себе повторяющийся характерный признак. Сквозной пробой выводит из строя переключатели выводов, а часто и конденсатор шины. Повреждения происходят быстро, сопровождаются громким шумом и обходятся дорого, поскольку с выводами из строя приходит весь силовой каскад, включая стоимость ремонта.

Большинство этих ошибок связаны с тремя блокировочными зазорами. Время задержки установлено на неправильное значение задержки распространения сигнала. В логике ШИМ отсутствует проверка на сквозное прохождение сигнала. Блокировка срабатывает при помехах зажигания или остается в неведении до тех пор, пока не сработает событие, которое она должна была бы зафиксировать.

В данной статье изложены временные параметры для моста зажигания на 3 кВ, уравнение нарастания напряжения при коротком замыкании, определяющее диапазон реакции, значения параметров шин, ограничивающие перерегулирование коммутации, а также шесть этапов проектирования, позволяющих устранить эти пробелы.

2. Основной механизм

Для каждой коммутации необходима задержка между выключением одного переключателя и включением его дополнения. Четыре постоянные времени определяют характер этой фазы: задержка распространения сигнала, хвостовая часть сигнала в выключенном состоянии, время восстановления диода и окно реакции на неисправность.

2.1 Окно мертвого времени

Задержка должна покрывать наихудшее несоответствие задержки, а также хвостовую часть выключения переключателя и время восстановления диода. Одно неравенство обеспечивает безопасность цепи:

t_d > Δt_prop_max + t_tail_off + t_diode_recovery

где t_d — мертвое время в нс, Δt_prop_max — наихудшее рассогласование задержки распространения между верхним и нижним каналами в нс, t_tail_off — хвостовой ток переключателя в момент выключения в нс, а t_diode_recovery — время обратного восстановления диода подложки в нс.

Измеренная партия показывает Δt_prop_max = 120 нс, t_tail_off = 80 нс и t_diode_recovery = 60 нс. Сумма составляет 260 нс, поэтому мертвое время в 300 нс обеспечивает запас в 40 нс. Установка общего значения 1 мкс снижает амплитуду зажигания на 20%, что проявляется в нижней части диапазона напряжения резонансного контура.

2.2 Во сколько обходится импульсу зажигания избыточное время задержки

Длительное мертвое время ограничивает резонансный ток во время каждой коммутации. Потеря амплитуды зависит от мертвого времени в течение резонансного периода:

ΔV_out / V_out ≈ 2 · t_d / T_res

где ΔV_out/V_out — относительная потеря амплитуды зажигания, t_d — мертвое время в нс, а T_res — резонансный период контура в нс.

При частоте 100 кГц период колебаний контура составляет 10 мкс. Задержка в 300 нс снижает амплитуду на 6%, а задержка в 1 мкс — на 20%. Эти 20% приводят к затуханию дуги, поэтому обычно в ответ на это повышают напряжение контура, что увеличивает нагрузку на трансформатор, делитель и выпрямительный каскад.

2.3 Ток короткого замыкания и диапазон реакции

Когда проводник проходит сквозь шину, ток ограничивается только индуктивностью контура шины:

i_ST = (V_bus / L_bus) · t_ST

где i_ST — ток короткого замыкания в А, V_bus — напряжение шины постоянного тока в В, L_bus — индуктивность контура шины в нГн, а t_ST — прошедшее время в нс.

При V_bus = 3 кВ и L_bus = 150 нГн скорость нарастания напряжения составляет 20 А/нс, а предельный ток переключения в 600 А достигается за 30 нс. Диапазон, в пределах которого должна работать защита, определяется теми же двумя значениями:

t_react < t_ST_max = (i_destruct · L_bus) / V_bus

где t_react — время от обнаружения неисправности до отключения затвора в нс, i_destruct — уровень разрушительного тока переключателя в А, L_bus — индуктивность контура шины в нГн, а V_bus — напряжение на шине в В.

Те же самые числа дают t_ST_max = 30 нс, и ни один драйвер затвора не реагирует так быстро. Именно здесь конструкция меняет свою форму. Переключатель насыщается при токе, в три-четыре раза превышающем номинальный, поэтому пиковый ток выравнивается около 2.4 кА, а реальный диапазон становится равным 10 мкс — номинальному значению короткого замыкания устройства.

Разделите этот временной интервал на три части: 1.5 мкс для обнаружения десатурации, 0.5 мкс для выключения управления затвором и 8 мкс запаса на случай перегрева устройства. Любой план защиты, предполагающий время реакции в 30 нс, не обеспечит защиту моста.

2.4 Колебания, просадки и накопленная энергия шины

Индуктивность контура шины и емкость демпфирующей цепи определяют частоту колебаний, которую демпфирующая цепь должна гасить:

f_r [MHz] = 5033 / √(L[nH] · C[pF])

где f_r — частота колебаний в МГц, L — индуктивность контура шины плюс демпфирующая сила в нГн, а C — емкость демпфирующей цепи в пФ. Контур с индуктивностью 150 нГн и демпфирующей цепью емкостью 4,700 пФ колеблется на частоте 6.0 МГц, и именно эту частоту должен поглощать демпфирующий резистор.

Падение напряжения на шине в течение интервала коммутации подчиняется закону сохранения заряда:

ΔV = I · Δt / C

где ΔV — падение напряжения в кВ, I — ток шины в А, Δt — интервал коммутации в мкс, а C — емкость шины в нФ. Одна микрофарад емкости шины, потребляемый ток 40 А и интервал 5 мкс дают 0.2 кВ, что составляет 6.7% от напряжения на шине 3 кВ.

Накопленная энергия определяет, сколько энергии может передать этот рельс в зону повреждения:

E = ½ · C · V²

где E — запасённая энергия, C — ёмкость в нФ, а V — напряжение в кВ. Нанофарады и киловольты дают миллиджоули, поэтому демпфирующий конденсатор ёмкостью 4,700 пФ удерживает 21 мДж при 3 кВ, а шинный конденсатор ёмкостью 1 мкФ — 4,500 мДж. Эти 4.5 Дж — это энергия, которую пропускает через затвор элемент, прежде чем сработает блокировка затвора.

Рис. 1 — При скорости скачка тока 20 А/нс напряжение достигает 600 А за 30 нс, поэтому окно блокировки определяется номинальным временем срабатывания устройства в 10 мкс, а конденсатор шины емкостью 1 мкФ задает падение напряжения.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Сквозной шум из-за несоответствия задержки распространения сигнала.

Каналы верхнего и нижнего плеч затвора редко совпадают. Задержка в 120 нс, распределенная по всей партии, приведет к перекрытию коммутации, если мертвое время берется из типичного значения, указанного в техническом описании. Мост выходит из строя случайным образом, и отказы накапливаются в одной партии драйверов.

Проблема 2: Защитная шторка во время взрыва

Детектору неисправностей требуется задержка срабатывания, чтобы игнорировать переходные процессы зажигания. Если установить эту задержку дольше, чем окно отключения затвора, детектор пропустит реальный сквозной импульс внутри импульса. Мост выйдет из строя, хотя защита будет исправна и неиспользована.

Проблемный момент 3: Задержка импульса зажигания из-за мертвого времени.

Задержка в 1 мкс, допустимая в каждом комплекте драйверов, составляет 20% от амплитуды зажигания. При холодном запуске машина дает сбои, поэтому напряжение в контуре повышается, и трансформатор, делитель и выпрямительная схема испытывают дополнительную нагрузку.

Проблема №4: Звонки в автобусе на каждой остановке по пути следования.

Индуктивность контура шины и емкость выходного каскада переключателя колеблются на частоте 6.0 МГц вокруг демпфирующей цепи емкостью 4,700 пФ. На каждом фронте напряжения происходит перерегулирование выше 3 кВ, что создает нагрузку на переключатели и передает сигнал на плату управления через контуры управления.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Измерить и согласовать задержки распространения сигнала.

Охарактеризуйте каналы управления затвором при рабочей температуре каждой производственной партии. Установите мертвое время равным измеренному наихудшему случаю плюс 40 нс и запишите это значение вместе с партией. Измеренное значение 300 нс превосходит стандартное значение 1 мкс как по безопасности, так и по амплитуде зажигания.

Стратегия 2: Добавить аппаратную защиту от сквозного пробоя.

Измерьте ток в каждой цепи с помощью обнаружения насыщения или быстродействующего трансформатора тока. Пропустите сигнал срабатывания через проводную блокировку, которая отключает обе затворные цепи без использования встроенного программного обеспечения. Проверьте время реакции с помощью теста на наличие неисправности в холодном и горячем концах температурного диапазона.

Стратегия 3: Удерживайте холостой ход в пределах окна реакции.

Установите порог срабатывания детектора неисправностей, исходя из измеренного переходного процесса зажигания плюс запас прочности, и держите его ниже окна отключения затвора. Задокументируйте порог срабатывания и время реакции как два отдельных числа при анализе проекта, поскольку одно суммарное значение скрывает запас прочности.

Стратегия 4: Стабилизация шины постоянного тока на мосту.

Разместите низкоэмиссионный шинный конденсатор на расстоянии не более 10 мм от выводов выводов и достигните значения емкости шины 1 мкФ с помощью пленочный конденсатор стек или керамический блок. Стабильная емкость поддерживает значение просадки в 200 В в широком диапазоне температур, поэтому колебательная сеть не расстраивается между холодным запуском и переключением передач в горячем состоянии.

Стратегия 5: Настройте демпфирующий резистор RC на измеренный уровень звона.

Измерьте коммутационное выбросо с помощью широкополосного пробника, затем выберите демпфирующий резистор для подавления колебаний в кольце на частоте 6.0 МГц. Используйте толстопленочный резистор с низкой индуктивностью в демпфирующей цепи и подтвердить, что демпфирующая цепь не создает нагрузку на резонансный ток. Демпфирующая цепь емкостью 4,700 пФ при напряжении 3 кВ накапливает 21 мДж, а повторяющиеся импульсы преобразуют эту энергию в тепло в резисторе.

Стратегия 6: Проверка с помощью матрицы неисправностей.

На испытательном стенде имитируйте сквозные замыкания, короткие замыкания шины и неисправности, связанные с напряжением зажигания. Убедитесь, что блокировка отключает обе затворные группы внутри окна при каждом запуске, при этом прошивка находится в состоянии сброса. В комплект входит корпус с... быстровосстанавливающийся диод в конце срока службы, потому что медленно работающий диод увеличивает время восстановления и уменьшает запас мертвого времени.

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

В мостовой схеме зажигания для шин и демпфирующих элементов необходимы стабильная емкость, низкая индуктивность контура и бесшумность. HVC керамические дисковые конденсаторы и винтовые клеммные детали охватывают все три категории:

• Дрейф емкости в пределах ±30 ppm/°C поддерживает напряжение на шинном элементе, поэтому гасящая им колебательная сеть не расстраивается с повышением температуры.
• Компактные низкоэмиссионные корпуса поддерживают уровень сигнала в контуре шины на уровне 150 нГн или ниже, что напрямую определяет скорость нарастания тока короткого замыкания 20 А/нс.
• Корпус транзистора N4700 (T3M) пропускает пульсации тока коммутации без чрезмерного нагрева.
• Номинальные напряжения от 1 кВ до 100 кВ соответствуют напряжениям на шинах, используемых на этапе зажигания, во всей линейке продукции.
• Частичный разряд остается ниже 5 пКл, поэтому конденсатор шины не вызывает срабатывания детекторов неисправностей.
• 40 кВ дверная ручка конденсаторы работают в полномостовых высоковольтных приводах, которые подчиняются той же дисциплине предотвращения сквозного пробоя.

Доставка и поддержка покрывает Перекрестная ссылка Приложите к данным об имеющихся у вас шинах и демпфирующих элементах измеренные значения индуктивности контура для поставленной партии, образцы для стенда матрицы неисправностей, а также информацию о настройке демпфирующих элементов. Укажите напряжение шины, частоту колебательного контура, семейство переключателей и монтажный чертеж.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему невозможно достичь времени реакции в 30 нс?

При напряжении 3 кВ и индуктивности 150 нГн ток короткого замыкания возрастает со скоростью 20 А/нс, поэтому 600 А достигаются за 30 нс. Только для обнаружения десатурации требуется около 1.5 мкс. Переключатель насыщается при токе около 2.4 кА, что дает драйверу необходимое время.

В2: Как выбрать мертвое время для нового привода ворот?

Измерьте оба канала при экстремально высоких и низких температурах, возьмите наибольшее рассогласование и добавьте хвостовую часть выключения, время восстановления диода и запас в 40 нс. Для партии, описанной в этой статье, это дает 300 нс.

В3: Что произойдет, если установить слишком большую длительность гашения?

Детектор игнорирует шумы зажигания и пропускает реальный сквозной разряд внутри импульса. Держите зону подавления ниже окна отключения и записывайте оба значения отдельно, чтобы граница оставалась видимой.

Вопрос 4: Какая емкость шин необходима для моста на 3 кВ?

Размер следует выбирать исходя из допустимого падения напряжения. Один микрофарад выдерживает ток 40 А при падении напряжения до 200 В в течение 5 мкс, что составляет 6.7% от напряжения питания. Добавляйте больше напряжения только в том случае, если это повлияет на момент зажигания.

Вопрос 5: Может ли демпфирующая нагрузка создавать ток зажигания?

Это возможно. Демпфирующий контур на 4,700 пФ при напряжении 3 кВ аккумулирует 21 мДж энергии на каждом фронте, и эта энергия покидает резонансный контур в виде тепла. Перед тем как окончательно определиться с величиной, проверьте форму сигнала тока в контуре с установленным демпфирующим контуром.

Вопрос 6: Что доказывает матрица неисправностей?

Убедитесь, что блокировки работают без прошивки. Создайте сквозной ток, короткое замыкание шины и неисправность нагрузки, затем подтвердите, что оба затвора отключаются в пределах заданного диапазона при каждом запуске и при обоих крайних значениях температуры.

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. МЭК 60664-1:2020, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения — Часть 1: Принципы, требования и испытания., 3-е изд. Женева: МЭК, 2020.
7. Военно-морской стандарт RPF-49470D. Конденсатор, фиксированный, с керамическим диэлектриком, импульсный источник питания (общего назначения и термостабильный), стандартная и высокая надежность, общие технические характеристики.Вашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США, 2017.
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. 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 .
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