Расчет размеров диодных демпфирующих резисторов обратного восстановления для плазменных прерывателей

Расчет размеров диодных демпфирующих резисторов обратного восстановления для плазменных прерывателей

Резюме

Плазменный прерыватель заставляет каждый диод проходить через переход обратного восстановления десятки тысяч раз в секунду. В этой статье приводятся арифметические вычисления накопленного заряда для каскада 50 кГц, 600 В, коммутационная индуктивность, распределяющая обратное переключение, значения демпфирующих резисторов, поглощающих остаточную энергию, а также тепловые и спектральные испытания, подтверждающие выполнение задачи.

1. Введение

Силовой каскад аппарата плазменной резки преобразует постоянный ток с частотой 20–100 кГц для формирования дугового тока. Каждый цикл приводит в действие каждый диод посредством обратного восстановления.

Когда ток через диод, находящийся в прямом смещении, меняет направление на противоположное на фронте переключения, диод не блокируется сразу. Сначала необходимо удалить накопленный заряд в переходе, и в течение этого интервала диод проводит импульс обратного тока.

Этот импульс возбуждает паразитную индуктивность коммутационной петли. При частоте 50 кГц и токе свободного хода 30 А потери на восстановление превышают 10 Вт на каждый диод, а импульс достигает сотен вольт.

Использование диодов Шоттки на основе карбида кремния (SiC) решило бы эту проблему, но они недоступны при напряжениях и токах, используемых в высоковольтном пути зажигания. Задача состоит в управлении энергией: выбрать мягкие диоды, замедлить реверсирование и обеспечить контролируемый путь для остаточной энергии.

2. Основной механизм

2.1 Накопленный заряд и ток восстановления

Процесс восстановления описывается накопленным зарядом Qrr и временем восстановления t_rr. Заряд обратного восстановления — это площадь под кривой тока восстановления:

Qrr = 0.5 × I_rrm × t_rr

где Qrr — накопленный заряд, удаляемый в процессе восстановления, I_rrm — пиковый ток обратного восстановления, а t_rr — общее время восстановления.

Пиковый ток определяется накопленным зарядом и скоростью реверсирования:

I_rrm = √(2 × Qrr × di/dt_r)

где I_rrm — пиковый обратный ток, Qrr — накопленный заряд, а di/dt_r — скорость изменения направления прямого тока в амперах в секунду.

При Qrr = 1 мкКл и di/dt_r = 150 А/мкс пиковое значение составляет 17.3 А. Это более половины прямого тока в 30 А, поэтому этот скачок не является незначительной поправкой к поведению контура.

2.2 Энергия, теряемая в диоде

Каждое событие восстановления отдает энергию в переход диода. Для формы сигнала восстановления с короткой фазой накопления и длинным хвостом потери на одно событие составляют:

E_rr = 0.25 × Qrr × V_R  ,  P_rr = E_rr × f_sw

где E_rr — энергия за одно событие восстановления, Qrr — накопленный заряд, V_R — блокирующее напряжение, которое должен удерживать диод, P_rr — средние потери, а f_sw — частота модуляции.

При Qrr = 1 мкКл и V_R = 600 В каждое событие обходится в 0.15 мДж. При частоте 50 кГц это составляет 7.5 Вт на один компонент, и температура перехода повышается до тех пор, пока радиатор не отводит её.

Потери приводят к самовозврату. Накопленный заряд увеличивается с температурой перехода примерно на 0.5–1% на °C для кремниевых быстровосстанавливающихся компонентов, поэтому горячий диод восстанавливается с большей интенсивностью и работает при более высокой температуре. При 85 °C заряд примерно на 50% выше значения при 25 °C, что приводит к потерям в 11.3 Вт.

2.3 Пиковое напряжение и коммутационная индуктивность

Когда ток восстановления прекращается, индуктивность контура преобразует ступенчатый ток в скачок напряжения:

V_spike = L_loop × dI_rrm / dt

где V_spike — импульс, добавляемый к напряжению узла, L_loop — индуктивность коммутационной петли, а dI_rrm/dt — скорость, с которой обратный ток падает до нуля.

При I_rrm = 17.3 А и индуктивности контура 300 нГн, быстродействующий диод, прерывающий ток за 20 нс, выдает 259 В. Тот же ток, распределенный на протяжении 200 нс, выдает 26 В.

Сама скорость изменения направления тока определяется контуром. Добавление последовательной индуктивности замедляет этот процесс:

di/dt_r = V_R / L_com

где di/dt_r — коэффициент реверсирования, V_R — блокирующее напряжение, а L_com — коммутационная индуктивность, включенная последовательно с диодом.

Для тока 150 А/мкс при напряжении 600 В требуемая индуктивность составляет 4 мкГн. Это значение находится в пределах полезного диапазона и не влияет на скорость переключения, а лишь незначительно.

2.4 Поглощение остаточной энергии

RC-демпфер, подключенный параллельно диоду, поглощает часть энергии восстановления, которая остается после работы диода и индуктора:

E_absorb = 0.5 × C_s × ΔV_snub²  ,  R_s = √(L_loop / C_s)

где E_absorb — энергия, запасенная демпфирующей цепью, C_s — емкость демпфирующей цепи, ΔV_snub — повышение напряжения на ней, R_s — сопротивление демпфирования, а L_loop — индуктивность контура.

Для поддержания напряжения на уровне 100 В при поглощении 0.15 мДж емкость конденсатора должна составлять не менее 30 нФ. Конденсатор емкостью 33 нФ обеспечивает запас прочности, а его демпфирующее сопротивление составляет 3.0 Ом.

Собственное эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR) добавляет выброс: V_ov = I_rrm × ESR. При токе 17.3 А и сопротивлении 50 мОм дополнительный выброс составляет 0.87 В, что пренебрежимо мало. ESR имеет значение, поскольку оно не должно увеличиваться с температурой, а это определяется диэлектриком.

Рис. 1 — Расширение области отсечки восстановления 17.3 А с 20 нс до 200 нс позволяет снизить пик выключения при 300 нГн с 259 В до 26 В.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Быстродействующие диоды преобразуют накопленный заряд в импульсы.

Быстродействующий участок с резким восстановлением обрывает сигнал I_rrm за несколько наносекунд. При индуктивности 300 нГн в контуре это сотни вольт на узле, рассчитанном на 600 В.

Этот скачок напряжения создает нагрузку на переключатель и излучает широкополосные электромагнитные помехи от коммутационной петли. Оба эффекта зависят от частоты среза, а не только от накопленного заряда.

Проблема 2: Потери концентрируются в теле диода.

При частоте 50–100 кГц потери на одно событие, составляющие 0.15–0.5 мДж, в одном корпусе достигают десятков ватт. Температура перехода повышается, накопленный заряд растет с повышением температуры, и потери увеличиваются по спирали.

Неисправность проявляется в виде короткого замыкания диода при исправном на вид паяном соединении и отсутствии признаков производственного дефекта. Причиной является тепловой контур, который замыкается значительно выше температуры окружающей среды, используемой на испытательном стенде.

Проблема №3: ​​Амортизационные кольца вместо поглощения удара.

Если демпфирующий конденсатор содержит слишком большую эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) или демпфирующий резистор настроен неправильно, петля демпфирования резонирует на частоте 1–10 МГц. В этом случае переходный процесс восстановления превращается в устойчивые колебания.

Предполагалось, что поглощение энергии положит конец явлению. Однако вместо этого колебания каждый цикл вновь вводят энергию в диод.

Проблемный момент 4: Демпфирующие конденсаторы класса II выпадают из раствора.

Демпфирующий резистор X7R теряет около 15% своей емкости при постоянном напряжении и повышении температуры. Поглощающая способность уменьшается, а демпфирующая характеристика смещается.

Изменения происходят медленно, и частота отказов диодов возрастает через несколько месяцев после ввода в эксплуатацию. Тестирование на стенде при температуре 25 °C этого не подтверждает.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диоды с мягким восстановлением и проверьте коэффициент хвостовой характеристики.

Сравните формы волн восстановления кандидатов. быстровосстанавливающиеся диоды при реальном прямом токе и скорости реверсирования. Требуется коэффициент мягкости, отношение времени хвоста к времени хранения, равный 0.8 или более.

В гибком участке напряжение среза 17.3 А распределяется на 200 нс и удерживает пик вблизи 26 В. Такое же ограничение тока за 20 нс дает 259 В.

Стратегия 2: Контроль скорости переключения с помощью коммутационной индуктивности.

Добавьте 1–5 мкГн последовательно с током, протекающим через диод. Убедитесь, что измеренное значение di/dt соответствует V_R / L_com, которое составляет 4 мкГн для 150 А/мкс при 600 В.

Убедитесь, что добавленная индуктивность не резонирует с конфигурацией на частоте модуляции. Компонент с индуктивностью 4 мкГн и паразитной емкостью 2 нФ резонирует на частоте 1.8 МГц, что значительно ниже 50 кГц, поэтому риск невелик.

Стратегия 3: Размер демпфирующего элемента определяется на основе измеренных потерь.

Измерьте E_rr с помощью токового датчика в наихудшей рабочей точке, затем выберите C_s из баланса энергии с запасом в 50%. Событие с энергией 0.15 мДж дает 30 нФ, поэтому установите 33 нФ.

Установите сопротивление R_s близким к √(L_loop / C_s), что равно 3.0 Ом, и проверьте форму сигнала демпфирующей цепи с однократным затуханием. Биения означают, что резистор находится в неправильном диапазоне.

Стратегия 4: Использование керамических демпфирующих конденсаторов класса I.

Выбрать N4700 их коэффициент ±30 ppm/°C и tanδ ниже 0.1% обеспечивают стабильность поглощающей способности и демпфирующего угла в зависимости от температуры.

Низкие потери позволяют конденсатору оставаться холодным на частоте 50–100 кГц. Его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), определяющее величину перерегулирования I_rrm × ESR, не увеличивается с температурой.

Стратегия 5: Добавить локальный керамический слой на выходе моста.

Поместите слой керамики N4700 емкостью от 100 нФ до 1 мкФ непосредственно на выход моста. Этот слой локально подает высокочастотную составляющую тока восстановления, благодаря чему контур, генерирующий импульс, становится меньше.

Соедините его с пленочный конденсатор где объемная энергия превышает предельные значения для керамики. В этом случае керамический слой обрабатывает край, а пленочная часть — заряд.

Стратегия 6: Проверка с помощью тепловых и спектральных тестов.

Измерьте температуру корпуса диода и спектр в диапазоне 1–30 МГц до и после установки демпфирующего элемента. Требуется снижение температуры корпуса не менее чем на 20 °C и снижение спектральной частоты на 20 дБ.

Повторите оба эксперимента после 500 термических циклов. Демпфер, запас прочности которого исчезает после циклов, был подобран под лабораторную температуру, а не под температуру оборудования.

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 восстановления-поглощения

Выбор здесь обусловлен тремя требованиями: емкость, сохраняющая свое значение при нагреве диода, низкие потери в точке с самым высоким значением dv/dt в устройстве, и корпус, остающийся бесшумным рядом с управляющим элементом затвора. Компания HVC производит компоненты N4700 именно для этой цели.

Шесть параметров, имеющих значение на этом узле.

• Диэлектрик класса I N4700 (T3M) с коэффициентом ±30 ppm/°C. Энергия поглощения и угол затухания остаются на заданных конструктивных значениях.
• Значение tanδ ниже 0.1%. Демпфирующий элемент поглощает переходный процесс восстановления с незначительными внутренними потерями, поэтому он остается холодным на частотах 50–100 кГц.
• Диапазон напряжений от 1 кВ до 100 кВ. Одна группа включает в себя демпфирующие цепи на 600 В и демпфирующие цепи для стадии зажигания на 25 кВ.
• Частицы экранированного слоя имеют частичный разряд менее 5 пКл. Абсорбционная сеть не излучает широкополосные импульсы в цепи затвора и считывания.
• Низкое, стабильное ЭПР с опубликованными кривыми импеданса. Проверка перерегулирования V_ov = I_rrm × ESR_s становится вычислением, а R_s можно настроить на бумаге.
• Проверенные в полевых условиях высокочастотные импульсные системы. 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 детали отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты – в течение 6–10 недель. В эту же серию входят радиально-свинцовые диски и дверная ручка конденсаторы для узлов с более высоким током.

Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпуса. TDKДетали KEMET и Murata, поэтому для перекрестной проверки достаточно одного обмена данными.

В местах, где два демпфирующих конденсатора соединены последовательно для достижения напряжения на узле, установите градуировочные резисторы по каждой части, чтобы стек равномерно распределял переходный процесс.

Отправьте частоту модуляции, данные о восстановлении диода и геометрию контура. HVC вернет значения демпфирующих резисторов, ожидаемую огибающую импульса и план проверки.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему 1 мкКл накопленного заряда создает обратный ток силой 17.3 А?

Поскольку I_rrm = √(2 × Qrr × di/dt_r). При 1 мкКл и 150 А/мкс произведение внутри корня равно 300, а корень равен 17.3 А. Пиковый ток масштабируется пропорционально квадратному корню из скорости реверсирования, поэтому уменьшение di/dt вдвое снижает пиковое значение всего на 29%.

Вопрос 2: Сколько энергии на самом деле расходуется впустую при обратном восстановлении?

E_rr = 0.25 × Qrr × V_R, что составляет 0.15 мДж на событие при 1 мкКл и 600 В. При 50 кГц это 7.5 Вт на одном диоде. Поскольку накопленный заряд увеличивается примерно на 0.5–1% на °C, значение при 85 °C на 50% выше, и потери при этом составляют 11.3 Вт.

В3: Какая величина коммутационной индуктивности необходима?

Достаточно для поддержания реверса на заданной частоте. di/dt_r = V_R / L_com, поэтому 600 В на 4 мкГн дают 150 А/мкс. Значения от 1 до 5 мкГн охватывают большинство ступеней прерывания, и компонент не должен звенеть вместе с компоновкой на частоте прерывания.

Вопрос 4: Каков размер демпфирующего конденсатора?

Исходя из необходимой энергии, E_absorb = 0.5 × C_s × ΔV_snub². Для поглощения 0.15 мДж при увеличении напряжения на 100 В требуется 30 нФ, поэтому практическое значение составляет 33 нФ, а сопротивление демпфирующего резистора равно √(300 нГн / 33 нФ), или 3.0 Ом.

В5: Почему диэлектрик демпфирующего конденсатора имеет такое большое значение?

Поскольку эффективность демпфирующего элемента определяется величиной емкости, умноженной на температуру. Деталь, теряющая 15% своего значения под воздействием напряжения и тепла, уменьшает поглощающую способность и смещает демпфирующий угол. Деталь из сплава N4700 смещается на 0.3% в диапазоне температур 100 °C, поэтому демпфирующий элемент при 85 °C работает так же, как и тот, что был протестирован на стенде.

В6: Что доказывает, что энергия восстановления была поглощена?

Три измерения: температура корпуса диода, температура поверхности демпфирующего резистора в течение 8 часов работы и спектр излучения в диапазоне 1–30 МГц. Целевые значения: температура корпуса на уровне 80% от номинального значения или ниже, стабильная температура резистора и падение спектральной мощности на 20 дБ при установленном демпфирующем резисторе.

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. 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.
6. AND9800/D — Выбор демпфирующего конденсатора для применения в системах управления двигателями (таблица 15, данные испытаний), onsemi, AND9800-D, https://m.onsemi.jp/pub/Collateral/AND9800-D.PDF .
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. Металлизированные пленочные импульсные конденсаторы MKP — основные характеристики продуктаKEMET Electronics, https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors .
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