Динамическое диодное сопротивление в сетях зажима плазмы при зажигании

Динамическое диодное сопротивление в сетях зажима плазмы при зажигании

Резюме

Устройство защитного отключения (УЗО), поглощающее энергию выключения зажигания, разработано на основе количества диодов, изменяющегося в зависимости от тока и температуры. В данной статье приводится арифметика инкрементального сопротивления для кремниевого диода, показывается, как изменение его значения сдвигает постоянную времени цепи в шесть раз, а также представлен выбор схемы смещения и конденсатора, ограничивающих погрешность.

1. Введение

Импульсопоглощающая сеть плазменного зажигания улавливает энергию выключения трансформатора зажигания и прерывателя. Диод направляет эту энергию в конденсатор и резистор.

Пока поступает импульс, диод проводит ток. Когда импульс заканчивается, он блокирует и изолирует ветвь поглощения от пути передачи мощности.

Проектирование обычно начинается с технических характеристик диода: прямое напряжение, время восстановления, номинальный ток. В реальном импульсе ни один из этих параметров не является постоянным, поскольку импеданс диода зависит от мгновенного тока, температуры перехода и истории импульса.

Диод при токе 1 мА имеет постепенно увеличивающееся сопротивление в десятки Ом. При токе 10 А тот же самый переход вносит вклад в миллиомы. Сеть, настроенная на одно значение, ведет себя некорректно на другом конце импульса.

2. Основной механизм

2.1 Прямая проводимость и инкрементальное сопротивление

Прямое поведение перехода подчиняется соотношению Шоккли с последовательным сопротивлением:

V_f = (nkT/q) × ln(I/I_s + 1) + I × R_s

где V_f — прямое напряжение, nkT/q — тепловое напряжение, близкое к 26 мВ при комнатной температуре, I — прямой ток, I_s — ток насыщения, а R_s — последовательное сопротивление кристалла и корпуса.

Приращенное сопротивление — это производная этого выражения:

r_d = nkT / (q × (I + I_s)) + R_s

где r_d — инкрементальное сопротивление, воспринимаемое малым сигналом поверх тока смещения I, nkT/q — тепловое напряжение, а R_s — последовательное сопротивление.

При R_s = 50 мОм значение составляет 26 Ом при 1 мА и 53 мОм при 10 А. Один декадный ток устраняет один декадный коэффициент сопротивления перехода, пока последовательный член не начнет преобладать при токе выше примерно 5 А.

2.2 Постоянная времени сети изменяется вместе с импульсом.

Диод включен последовательно с поглощающей ветвью, поэтому импеданс сети равен сумме их импедансов:

Z_net(I) = r_d(I) + Z_abs  ,  τ = (R_abs + r_d(I)) × C_abs

где Z_net — импеданс сети при токе I, r_d — инкрементальное сопротивление диода, Z_abs — импеданс поглощающей ветви, τ — постоянная времени сети, R_abs — сопротивление ветви, и C_abs — поглощающая емкость.

Ветвь с сопротивлением 5 Ом и емкостью 100 нФ обеспечивает длительность импульса 505 нс, когда его пиковое значение составляет 10 А, поскольку сопротивление r_d упало до 53 мОм. При токе холостого хода 1 мА та же ветвь работает со скоростью 3.1 мкс, что в шесть раз медленнее.

Оба числа верны и описывают разные части одного и того же события. Расчет, произведенный при одном значении тока, предназначен только для этого значения тока.

2.3 Уровень зажима и его погрешность

Напряжение ограничения на фронте импульса суммирует падение напряжения в переходе с током, протекающим через общее сопротивление:

V_clamp = V_f(I) + I × (R_abs + r_d(I))

где V_clamp — напряжение в узле с ограничением тока, V_f — прямое напряжение диода при токе I, R_abs — сопротивление ветви, а r_d — инкрементальное сопротивление диода.

При токе 10 А и сопротивлении ветви 5 Ом резистивная составляющая составляет 50.5 В, а составляющая, обусловленная контактом, добавляет 1.4 В. Схема, рассчитанная на постоянное сопротивление r_d 5 Ом вместо 53 мОм, завышает уровень на 25%.

Задержка имеет такое же значение, как и уровень. На переднем фронте ток все еще возрастает, поэтому диод находится на своем высокоимпедансном конце, и передача энергии в конденсатор отстает от импульса. В результате на переключатель приходится большее напряжение, чем рассчитана пропускная способность сети.

2.4 Температура и схема смещения

Тепловое напряжение в переходе зависит от абсолютной температуры, поэтому величина, зависящая от температуры перехода, возрастает примерно на 0.33% на каждый °C. При повышении температуры на 60 °C приращение сопротивления при фиксированном токе увеличивается на 20%.

В течение периода холостого хода ток смещения фиксирует рабочую точку:

r_d,min ≤ r_d(I_bias + I_pulse) ≤ r_d,max

где r_d,min и r_d,max ограничивают инкрементальное сопротивление, I_bias — ток холостого хода, а I_pulse — импульсный ток. Смещение 0.1–1 мА поддерживает диод в заданном диапазоне, так что импеданс сети ограничен до прихода импульса.

Поглощающий конденсатор не должен добавлять собственные вариации. Компонент N4700 поддерживает свою емкость в пределах ±30 ppm/°C и tanδ ниже 0.1%, поэтому постоянная времени зависит только от диода. Уровень его частичного разряда ниже 5 пКл обеспечивает электрическую стабильность поглощающего узла, что важно, поскольку именно этот узел несет наибольшее значение dv/dt на стадии зажигания.

Рис. 1 — При тепловом напряжении 26 мВ и последовательном сопротивлении 50 мОм сопротивление ограничительного диода составляет 26 Ом в режиме ожидания и 53 мОм при пиковом значении импульса 10 А.

3. Проблемы проектирования

Проблемная точка 1: Возвращение перерегулирования на краю.

Сеть, настроенная на статическое сопротивление r_d, слишком медленная на фронте импульса, где диод все еще находится на своем высокоимпедансном конце. В результате уровень ограничения сигнала превышает заданное значение на 20–40%.

Перерегулирование создает нагрузку на выключатель и изоляцию трансформатора при каждом импульсе. В сети ничего не вышло из строя, а неисправность представляет собой расчетный показатель, взятый из строки в техническом описании.

Болевой пункт 2: Звон в хвосте при сильном токе

На пике импульса инкрементальное сопротивление значительно ниже расчетного значения, поэтому ветвь имеет недостаточное затухание. Накопленная энергия колеблется между поглощающим конденсатором и индуктивностью контура на частотах 1–10 МГц.

Кольцо излучает электромагнитные помехи и повторно вносит шум в систему обратной связи зажигания. Оно также меняет направление тока диода, что добавляет потери на восстановление к поглощающей нагрузке.

Болевой момент 3: Температура смещает рабочую точку

Температура перехода изменяется примерно на 0.33% на °C, а также происходит самонагрев перехода во время импульсной последовательности. За 8-часовую смену эффективная постоянная времени сети изменяется.

Поведение, связанное с перерегулированием и колебаниями, меняется от часа к часу. Конструкция, проверенная на холодном оборудовании в начале смены, не будет описывать то же самое оборудование в конце смены.

Проблемный момент 4: Конденсатор усугубляет дрейф.

Абсорбционный конденсатор класса II добавляет 15% к дрейфу диода за счет изменения емкости при изменении температуры и постоянного напряжения. В результате общая погрешность становится непредсказуемой и различается в зависимости от конкретного экземпляра.

Эти две ошибки также взаимодействуют. Емкость, которая уменьшается с увеличением напряжения смещения, сокращает постоянную времени именно в тот момент, когда уменьшается и сопротивление диода.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Смоделировать диод, используя его полную характеристику сопротивления.

Определите характеристику r_d(I) в диапазоне от 1 мА до номинального импульсного тока. Для этого достаточно использовать график зависимости тока от тока, полученный с помощью спектрометра, или логарифмически-линейный график прямой характеристики, указанной в техническом описании; одного числа недостаточно.

Запишите значения тока смещения и пика импульса отдельно. Эти два числа определяют диапазон поведения, которое фактически будет наблюдаться в сети.

Стратегия 2: Проектирование в рабочей точке и проверка кромок.

Установите τ = (R_abs + r_d(I_peak)) × C_abs в качестве целевого параметра поглощения, что даст 505 нс для ветви 5 Ом / 100 нФ при 10 А. Затем проверьте передний фронт при токе 100 мА, где постоянная времени составляет 531 нс.

Отрегулируйте R_abs так, чтобы ограничить уровень тока на обоих крайних значениях. Резистор — это единственный элемент в ветви, значение которого не изменяется с изменением тока.

Стратегия 3: Добавить цепь смещения для фиксации точки холостого хода.

Ток смещения 0.1–1 мА проходит через быстровосстанавливающийся диод Сопротивление сети остается в пределах заданного диапазона. В результате импеданс сети изменяется в ограниченном диапазоне независимо от истории импульсов.

Привязывайте источник смещения к запрещенной зоне, чтобы он не дрейфовал под воздействием окружающей среды. Ток смещения невелик, и его собственная стабильность определяет ширину полосы импеданса.

Стратегия 4: Выберите абсорбционный конденсатор N4700.

Выбирайте N4700 для положения поглощения. Его коэффициент ±30 ppm/°C обеспечивает стабильность постоянной времени при изменении температуры, его tanδ ниже 0.1% делает ЭПР пренебрежимо малым, а его PD ниже 5 пКл обеспечивает бесшумную работу узла.

Если энергия импульса превышает номинальные параметры керамики, то пленочный конденсатор Основная часть конструкции несёт на себе основную нагрузку, а керамическая деталь имеет преимущество. Обе требуют одинаковой точности изготовления.

Стратегия 5: Компенсировать тепловой дрейф с помощью подобранной пары.

Установите диод и конденсатор на достаточно близком расстоянии друг от друга с точки зрения тепловых характеристик, чтобы дрейф диода и любой остаточный дрейф конденсатора происходили синхронно. В этом случае их совместное поведение будет предсказуемо на протяжении всего теплового цикла.

Проверьте пару деталей на термопластине, имитирующей монтажный зазор. Тепловой путь между двумя деталями является частью компенсации.

Стратегия 6: Проверка с помощью матрицы амплитуды импульса и температуры.

Изменяйте ток поглощения от 10% до 100% при −25 °C, 25 °C и 85 °C. Требуйте, чтобы напряжение фиксации находилось в пределах ±5%, и чтобы в каждой ячейке наблюдалось одноцикловое затухание кольцевого тока.

Проведите анализ матрицы на трех производственных единицах. Разброс между единицами ниже ±3% в каждой точке показывает, что коррекция является свойством конструкции.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Повторяющееся пиковое обратное напряжение	10 кВ VRRM	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 тип.	VR = 4 кВ, 1 МГц
Рабочая Температура	от −55 °C до +125 °C	Tj макс
ток утечки	ниже 5 мА при VRRM	25 °C, полная мощность

5. Конденсаторы HVC для узла поглощения

Выбор здесь обусловлен тремя требованиями: емкость, которая не изменяется по мере изменения характеристик диода, низкие потери при многократных импульсах и низкая плотность тока в точке с самым высоким значением dv/dt. Компания HVC производит компоненты N4700 именно для этой серии.

Шесть параметров, имеющих значение на этом узле.

• Диэлектрик класса I N4700 (T3M) с коэффициентом ±30 ppm/°C. Абсорбционный конденсатор не вносит существенного дрейфа, поэтому поведение сети соответствует поведению только диода.
• Значение tanδ ниже 0.1%. Пренебрежимо малые внутренние потери означают, что конденсатор не нагревается при повторных импульсах и не добавляет член ESR к уровню ограничения.
• Диапазон напряжений от 1 кВ до 100 кВ. Это же семейство включает в себя узлы поглощения на стадии зажигания при 25 кВ и узлы ограничения низкого напряжения при 600 В.
• Частицы экранирования имеют разряд ниже 5 пКл. Узел поглощения обеспечивает самое высокое значение dv/dt в устройстве и не создает импульсных скачков напряжения в цепях обратной связи.
• Жесткие допуски плюс опубликованные кривые импеданса. Необходимые для метода коррекции значения емкости и ЭПР задокументированы, поэтому постоянную времени можно вычислить точно.
• Проверенные в полевых условиях в наносекундных импульсных системах. Винтовые клеммные компоненты HVC 40 кВ / 441 пФ заменили конденсаторы ведущих производителей в программах обслуживания высоковольтного оборудования и используются все большим числом отечественных OEM-производителей.

Доставка и поддержка

Стандартные размеры поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные пары — в течение 6–10 недель. В эту же серию входят радиально-свинцовые диски и дверная ручка конденсаторы для основных позиций.

Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпуса. VishayДля модернизации требуются компоненты TDK и KEMET, поэтому для выполнения этой задачи необходим всего один обмен данными.

Отправьте данные r_d(I) диода, профиль импульса и целевое значение поглощения. HVC вернет скорректированные значения сети, ожидаемую огибающую ограничения и матрицу проверки.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему сопротивление диода не указывается в технической документации?

Потому что это зависит от тока. r_d = 26 мВ / I + R_s, поэтому сопротивление перехода уменьшается на одну декаду на каждую декаду тока, а последовательный член начинает преобладать при токе выше примерно 5 А. При 1 мА значение составляет 26 Ом; при 10 А — 53 мОм.

В2: Насколько фактически изменяется постоянная времени сети?

В этом примере коэффициент увеличивается в шесть раз. τ = (R_abs + r_d) × C_abs дает 3.1 мкс при холостом токе 1 мА и 505 нс при пиковом значении импульса 10 А с ветвью 5 Ом и 100 нФ. Оба значения верны для своего тока.

В3: Что вызывает перерегулирование на 20–40% на фронте импульса?

Нарастающий ток встречается с диодом с возрастающим импедансом. На краю диода его сопротивление близко к значению минимального тока, поэтому ток в ветви увеличивается медленнее, чем предполагает расчет пикового тока, и передача энергии в конденсатор происходит с задержкой. В результате на коммутирующем узле наблюдается большее напряжение, чем рассчитана пропускная способность сети.

Вопрос 4: Что можно получить с помощью сети смещения?

Ограниченная полоса импеданса. При токе холостого хода 0.1–1 мА диод никогда не возвращается в многоомное состояние между импульсами, поэтому поведение цепи воспроизводимо от импульса к импульсу, а разброс в рамках производственной партии невелик.

В5: Насколько температура изменяет приращение сопротивления?

Величина, описывающая переход, зависит от абсолютной температуры, то есть примерно от 0.33% на °C. При повышении температуры на 60 °C от холодной машины к горячей она составляет 20% при фиксированном токе. Источник смещения должен быть привязан к ширине запрещенной зоны, чтобы не добавлять собственный дрейф.

В6: Как проверяется правильность исправления?

С матрицей амплитуды импульса и температуры: ток поглощения от 10% до 100% при −25 °C, 25 °C и 85 °C, напряжение фиксации в пределах ±5%, и одноцикловое затухание кольца в каждой ячейке. Требуется три блока, поскольку один образец не может показать разброс значений от блока к блоку.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 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. 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.
6. 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 .
7. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
8. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
9. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com