Где работает самовосстановление в высоковольтных конденсаторах для генераторов тока

Где работает самовосстановление в высоковольтных конденсаторах для генераторов тока

Резюме

Металлизированный пленочный конденсатор самовосстанавливается, когда локальный дефект испаряет тонкий электрод вокруг него, и деталь остается целой. Этот механизм — реальная физика, и он сопряжен с четырьмя издержками, которые возрастают с напряжением. В этой статье приводятся уравнения для энергии дуги, диэлектрической прочности и тока впрыска, сравниваются характеристики отказов каждой технологии и устанавливается правило выбора узла для высоковольтных генераторов тока.

1. Введение

В металлизированном пленочном конденсаторе электроды имеют толщину всего в несколько десятков нанометров. В месте микроотверстия или загрязнения локальный пробой испаряет электрод вокруг дефекта, оставляя изолирующий островок. Эта часть сохраняется с небольшими потерями емкости.

Этот механизм реален и повторяется. Пленочный элемент при умеренном напряжении может выдержать тысячи циклов самовосстановления за свой срок службы. Именно на этом основан рекорд, благодаря которому металлизированный полипропилен стал основной технологией для низковольтных накопителей энергии.

Принцип самовосстановления перестаёт быть универсальным решением по мере повышения напряжения. Умножитель генератора трансформатора тока работает при напряжении 80–150 кВ, а в узлах импульса наблюдается изменение напряжения dV/dt выше 50 кВ/мкс. При такой нагрузке процесс самовосстановления может опередить процесс испарения и привести к сквозному короткому замыканию.

В этой статье приводятся уравнение энергии дуги, правило диэлектрической прочности и оценка инжектируемого тока. Затем проводится сопоставление пленочных и керамических элементов с узлами генератора тока и перечисляются четыре проверки, определяющие, какая технология к какой категории относится.

2. Основной механизм

2.1 Как работает самоисцеление и чего оно стоит

В месте дефекта энергия, запасенная в области дефекта, питает дугу:

E_arc = (1/2) · C_defect · V²

где E_arc — энергия дуги в мкДж, C_defect — емкость области дефекта в пФ, а V — напряжение на этой области в кВ. Дефект емкостью 5 пФ при напряжении 1 кВ накапливает 2.5 мкДж энергии, что приводит к испарению слоя алюминия толщиной 30 нм на площади в несколько квадратных микрометров.

Каждое событие также влечет за собой четыре издержки. Емкость уменьшается по мере удаления площади электрода, а сильно нагруженная деталь теряет 1–3% своей емкости за время службы. На шину поступает быстрый скачок тока. Вероятность восстановления снижается по мере роста энергии дефекта. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) возрастает по мере уменьшения площади электрода, что ухудшает высокочастотную фильтрацию еще до появления серьезного отказа.

2.2 Керамический метод: устранение дефектов в процессе проектирования

В высоковольтных керамических конденсаторах используется диэлектрик класса I, например, N4700 (T3M), спеченный из мелкодисперсного порошка без намоточных слоев и жидкой пропитки. Выдерживаемое напряжение зависит от толщины керамического слоя:

V_bd = E_bd · d

где V_bd — напряжение пробоя в кВ, E_bd — диэлектрическая прочность при постоянном токе в кВ/мм, а d — толщина диэлектрика в мм. Высококачественная керамика класса I достигает значения E_bd выше 15 кВ/мм.

Дизайнеры поддерживают уровень занятости значительно ниже этого значения:

E_op = V_op / d

где E_op — рабочее поле в кВ/мм, V_op — рабочее напряжение в кВ, а d — толщина диэлектрика в мм. Деталь с напряжением 10 кВ и толщиной керамики 2 мм работает при напряжении 5 кВ/мм, что составляет 33% от напряженности 15 кВ/мм.

Этот запас подавляет микроразряды, которые создают дефекты, требующие восстановления пленки. Характер отказов также различается. Керамические детали, как правило, склонны к обрыву цепи или медленному дрейфу параметров, а последовательная цепь обнаруживает обрыв цепи за счет избыточности. Невосстановленное короткое замыкание пленки на одном этапе приводит к перегрузке всех остальных этапов.

2.3 Частичный разряд является определяющим фактором для обеих технологий.

Обе группы компонентов подвержены риску частичного разряда. Керамические детали HVC N4700 проходят 100% тестирование на частичный разряд ≤ 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Эта проверка удаляет пустоты и дефекты краев электродов, которые приводят к пробою.

Пленочные компоненты также могут быть сертифицированы на устойчивость к частичным разрядам (ЧР). При высоком напряжении намотка, многослойная конструкция превращает запас устойчивости к ЧР в компромисс с размером и стоимостью. На технологическом узле, критичном к ЧР, керамический компонент с низкой устойчивостью к ЧР устраняет механизм инициирования, необходимый пленочному компоненту для выживания путем самовосстановления.

2.4 Что одно мероприятие по оздоровлению добавляет в автобус

Каждое событие восстановления представляет собой микропробой, поэтому оно вводит ступенчатый ток на высоковольтную шину:

ΔI ≈ C_defect · dV/dt

где ΔI — инжектированный ток в А, C_defect — емкость дефекта в пФ, а dV/dt — скорость нарастания напряжения в кВ/мкс. Дефект емкостью 20 пФ при 100 кВ/мкс инжектирует ток 2 мА.

В блоке ввода детектора компьютерной томографии с подсчетом фотонов скачок тока в 2 мА на шине проявляется как дрейф скорости счета во время длительного сканирования. При этом не регистрируется никаких сообщений о неисправности, поскольку конденсатор выполнил свою функцию и восстановил работоспособность.

Рис. 1 — Металлизированная пленка подходит для узлов постоянного тока с напряжением ниже 1 кВ, в то время как для каскада умножения на 80 кВ требуется керамический компонент с низким частичным разрядом, поскольку одно незакрытое короткое замыкание создает чрезмерную нагрузку на всю цепь.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Деталь пленки изнашивается, а не выходит из строя.

В конструкции умножителя на 80 кВ для накопления энергии использовались металлизированные пленочные конденсаторы, исходя из предположения, что пробой будет заживать. Под воздействием импульсной нагрузки заживление приводило к эрозии металлизированных электродов. Короткого замыкания в устройстве не происходило: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) возрастало от низких миллиом до омовых значений, емкость изменялась, а пульсации на выходе увеличивались до появления артефактов изображения.

Проблема 2: Мероприятия Heal загрязняют окружающую среду в автобусе, чувствительном к шуму.

Компьютерная томография с подсчетом фотонов позволяет различать отдельные фотоны в узком энергетическом окне. Повторяющиеся импульсы восстановления передаются на вход детектора через шину и его паразитную индуктивность. Инженеры, занимающиеся поиском шума изображения, редко подозревают неисправность конденсатора, поскольку код ошибки никогда не устанавливается.

Проблемный момент 3: Край между пяткой и коротким участком сужается под воздействием напряжения и тепла.

Успех восстановления снижается по мере увеличения энергии дефекта. При 400 В запас прочности велик. При 80 кВ, при большом дефекте, тонком диэлектрике и температуре в резервуаре 70 °C, одно событие может превысить энергию испарения и привести к сквозному короткому замыканию. Влажность увеличивает потери и еще больше сужает запас прочности.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Храните пленку там, где ее способность к самовосстановлению является преимуществом.

При напряжении ниже 1 кВ звено постоянного тока и узлы передачи энергии работают с большим запасом по напряжению и значительной емкостью. пленочный конденсатор Это именно та деталь, которая нужна, и её постепенный характер отказа подходит для программы профилактического обслуживания. Керамика не может обеспечить такую ​​же плотность пленочной емкости при таких напряжениях.

Стратегия 2: Использовать керамику с низким уровнем PD на высоковольтных узлах.

Для каскадов умножения напряжения 80–150 кВ, узлов импульсной зарядки и фильтров с высоким значением dV/dt следует выбирать керамику класса I с заводской гарантией от частичных разрядов и широким запасом по напряжению. Цель проектирования — предотвратить образование дефекта, а не устранить его впоследствии.

Серия HVC N4700 охватывает диапазон напряжений 2–30 кВ, включая винтовые клеммы, рассчитанные на напряжение до 150 кВ, с диэлектрической прочностью постоянного тока выше 15 кВ/мм и коэффициентом диэлектрической проницаемости менее 0.3% в диапазоне частот 10–100 кГц.

Стратегия 3: Установите по одному балансировочному резистору на каждый последовательный каскад.

В каждой последовательной цепи умножителя необходим резистор, подключенный параллельно конденсатору для разделения напряжения. Размер резистора следует выбирать исходя из импеданса каскада:

R_b ≈ (10 to 20) / (2π · f · C)

где R_b — сопротивление балансировки в Ом, f — частота переключения в Гц, а C — емкость каскада в Ф. При частоте 50 кГц и C = 4700 пФ импеданс каскада составляет 677 Ом, поэтому R_b находится в диапазоне от 6.8 кОм до 13.5 кОм.

Используйте HVRGXP резисторы со стеклянным покрытием, достигающие напряжения 35 кВ и охватывающие диапазон сопротивления от 200 Ом до 2 ГОм с температурным коэффициентом сопротивления ±80 ppm/°C, или резисторы выравнивания HVR-BSP для более плотных узлов.

Стратегия 4: Проверка характера отказа в условиях эксплуатации.

Проведите четыре проверки любого потенциального элемента, пленочного или керамического. Проверьте фотодиод при напряжении, в 1.5 раза превышающем рабочее. Соберите данные о потерях на частоте переключения, а не на 1 кГц. Подтвердите обрыв или короткое замыкание в условиях реального импульсного профиля. Получите данные о старении в условиях повышенной влажности для места установки.

Деталь, прошедшая эти четыре проверки, превосходит деталь, выбранную из технического описания. Этот этап наиболее важен на узлах множителя, где последствия короткого замыкания отличаются от последствий обрыва цепи.

Стратегия 5: Совместный отбор всей цепочки

Высоковольтный конденсатор работает в цепи, поэтому выберите его вместе с остальными элементами цепи. Сочетайте выбранную технологию с... быстровосстанавливающийся диод Время обратного восстановления выпрямительного каскада менее 50 нс, плюс резисторы выборки и разрядные резисторы. Источники питания HVC. Конденсаторы дверной ручки HVCT8Gсемейства резисторов и диодные сборки, поэтому вся цепочка считается единой системой.

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	ниже 50 мОм	25 ° C
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 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	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для высоковольтных узлов

Компания HVC производит керамические конденсаторы N4700 для тех узлов, где целью проектирования является предотвращение дефекта, а не его устранение. Эти компоненты изготавливаются на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Диэлектрическая прочность и запас. Керамика класса I N4700 (T3M) достигает напряженности постоянного тока выше 15 кВ/мм при напряжении 2–30 кВ, а семейства винтовых клемм достигают 150 кВ, при этом рабочее поле поддерживается на уровне 30–40% от этого значения.
• Низкий уровень частичного разряда. 100%-ное тестирование на частичные разряды при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, позволяет проверить компоненты на 5 пКл, что устраняет пустоты и краевые дефекты, вызывающие пробой.
• Стабильные потери на высоких частотах. Коэффициент диэлектрической проницаемости остается в пределах 0.1–0.3% в диапазоне 10–100 кГц, что ограничивает нагрев диэлектрика при импульсном режиме работы трансформатора тока.
• Долгосрочная стабильность параметров. Диэлектрик класса I Обладает емкостью в пределах ±30 ppm/°C в диапазоне температур от −40 °C до +125 °C, без электролита и без повреждений, подверженных старению.
• Сравните с продукцией ведущих производителей. Детали HVC соответствуют форме, размерам и функциональности. Murata Используются свинцовосодержащие аккумуляторы серий DHS и DHR, Vishay HVCC и TDK, которые применяются в высоковольтных модулях у производителей медицинского оборудования из списка Fortune 500.
• Один поставщик для всей цепочки. Конденсаторы N4700, резисторы HVRGXP и HVRGFP с покрытием из стекловолокна, трубчатые резисторы HVR-BSP и диодные сборки поставляются из одного источника, поэтому вся высоковольтная цепочка проходит совместную квалификацию на основе одной спецификации компонентов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в выборе компонентов для каждого узла, подготовке отчетов о тестировании ПД, таблиц перекрестных ссылок и проверке режимов отказов.

Отправьте напряжение узла, профиль импульса, емкость и годовой объем. HVC в течение пяти рабочих дней вернет вам лист выбора с номерами компонентов, данными о частичных разрядах и комплектом для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Бывает ли самовосстанавливающийся пленочный конденсатор короткого замыкания?

Да. Успех восстановления снижается по мере увеличения энергии дефекта. При высоком напряжении, большом дефекте, тонком диэлектрике и горячей ванне одно событие может превысить энергию испарения электрода и привести к сквозному короткому замыканию. Этот риск возрастает при напряжении выше 1 кВ и увеличивается с каждым последующим киловольтом.

В2: Какую емкость теряет часть пленки при восстановлении повреждений?

В сильно нагруженном устройстве потери за срок службы составляют 1–3%, а интенсивность импульсов может еще больше увеличить эти потери. ЭПР также возрастает по мере уменьшения площади электрода. Оба изменения ухудшают высокочастотную фильтрацию еще до наступления серьезного отказа.

Вопрос 3: Могут ли керамические конденсаторы самовосстанавливаться?

Нет. Керамический пробой не восстанавливает диэлектрик. Правильный подход к проектированию работает в обратном направлении: поддерживать поле на уровне 30–40% от диэлектрической прочности, использовать плотный корпус класса I и экранировать каждую деталь от частичных разрядов, чтобы дефект никогда не возникал.

Вопрос 4: Какая технология должна входить в состав умножителя напряжения 80 кВ?

Керамический элемент класса I с низким уровнем частичных разрядов. Каждый каскад пропускает полный ток цепи в коротком импульсе, и незалеченное короткое замыкание в одном каскаде приводит к перегрузке остальных. Выберите элемент с заводским ограничением частичных разрядов на уровне 1.5-кратного напряжения каскада и поддерживайте напряжение ниже 40% от его максимальной напряженности.

Вопрос 5: Какого размера должен быть балансировочный резистор?

Установите значение R_b в диапазоне от 10 до 20 раз больше импеданса каскада 1/(2πfC). Для конденсатора 4700 пФ на частоте 50 кГц этот импеданс составляет 677 Ом, поэтому R_b находится в диапазоне от 6.8 кОм до 13.5 кОм. Проверьте номинальное напряжение резистора, сравнив его с напряжением каскада, а не с напряжением цепи.

В6: Что событие восстановления вносит в контур управления?

Токовый скачок C_defect · dV/dt. Дефект емкостью 20 пФ при 100 кВ/мкс приводит к инжекции 2 мА на шину. В схеме с детектором подсчета фотонов этот скачок проявляется как дрейф скорости счета, и код ошибки никогда не устанавливается.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Л. Чжэн, Л. Чжу, Дж. Лю, З. Ди и С. Цзи, Самовосстанавливающиеся характеристики металлизированного пленочного конденсатора при постоянном и переменном напряжении с гармониками., в сборнике трудов конференции IEEE по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям (CEIDP), стр. 175-178, 2022. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286
8. Схемы защиты от дугового разряда и внешние последовательные ограничивающие резисторыSpellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-13, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-13 .
9. 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.
10. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com