Правила учета утечки тока и зазоров для печатных плат модуляторов при напряжении 50 кВ

Правила учета утечки тока и зазоров для печатных плат модуляторов при напряжении 50 кВ

Резюме

Для модулятора на 50 кВ требуется зазор 400 мм и расстояние утечки 389 мм при пиковом напряжении 50 кВ и среднеквадратичном напряжении 35.4 кВ. Плоская плата не может обеспечить такой путь утечки, поэтому при проектировании приходится использовать высоту вместо площади. В этой статье приводятся стандартные формулы для расчета расстояния, четыре множителя, схема расположения элементов, правила заделки пазов и процесс заливки, позволяющие разместить изоляцию в корпусе размером 350 × 300 × 200 мм.

1. Введение

Рабочее напряжение 50 кВ в пике на печатной плате создает сразу три проблемы изоляции. Длина поверхностного пути составляет сотни миллиметров, воздушный зазор также достигает сотен миллиметров, а поле на каждом краю проводника возрастает достаточно быстро, чтобы вызвать разряд.

Стандартный материал печатной платы устанавливает предельные значения. FR-4 выдерживает диэлектрическую прочность от 20 кВ/мм до 30 кВ/мм и не имеет номинальных значений для непрерывной работы при напряжении 50 кВ. Полиимид выдерживает от 50 кВ/мм до 100 кВ/мм в тонких листах, поэтому для 50 кВ по-прежнему требуется 1 мм твердой изоляции плюс вся поверхностная изоляция.

Плоские схемы неэффективны уже только из-за занимаемой площади. Для усиленного пути 50 кВ требуется от 600 до 800 мм дифракции, что соответствует плате размером от 500 до 700 мм с каждой стороны. Эта плата не помещается в корпус модулятора, а увеличение толщины ламината в 5-20 раз повышает стоимость.

В этой статье представлены формулы для расчета расстояний, четыре множителя, схема расположения элементов в стопке, правила размещения пазов, процесс заливки компаундом, а также подробное исследование случая работы при напряжении 50 кВ с результатами измерений.

2. Основной механизм

2.1 Зазор между воздухом и базовым значением

Высота воздушного зазора зависит от пикового напряжения и высоты объекта над уровнем моря.

d_clearance = d_base × k_altitude × k_pollution

где d_clearance — требуемый воздушный зазор, d_base — базовое значение в мм на пиковое напряжение в кВ, k_altitude — множитель высоты, а k_pollution — множитель загрязнения. При 8 мм/кВ и 50 кВ базовое значение составляет 400 мм. На высоте более 3,000 м этот показатель увеличивается еще в 1.3 раза.

2.2 Поверхностная утечка от рабочего напряжения

Поверхностная ползучесть зависит от среднеквадратичного напряжения, группы материалов и рабочей температуры.

d_creepage = d_base × k_CTI × k_temp × k_pollution

где d_creepage — требуемая длина пути по поверхности, d_base — базовое значение в мм на кВ среднеквадратичного значения, k_CTI — множитель группы материалов, k_temp — множитель теплопередачи, а k_pollution — множитель загрязнения. При 10 мм/кВ, 35.4 кВ среднеквадратичного значения и температуре в точке перегрева 50 °C длина пути составляет 389 мм.

Группа материалов имеет наибольший единичный множитель. Значение CTI выше 600 поддерживает k_CTI на уровне 1.0. Значение CTI от 100 до 175 увеличивает его до 1.6 и добавляет 60% к пути.

2.3 Расстояние между слоями в компоновке с расположением слоев друг над другом

При многослойной компоновке высота используется вместо площади доски. Каждый слой, следовательно, нуждается в собственном воздушном зазоре и собственном контакте с верхними и нижними слоями.

d_layer = 15 × V_layer

где d_layer — минимальное расстояние утечки между двумя слоями в мм, а V_layer — напряжение между ними в кВ. Таким образом, для шага в 1 кВ между слоями требуется 15 мм пути по поверхности, и в конструкции добавляется запас в 1.5 раза.

2.4 Прорезка и эффективный путь

Прорезь заставляет траекторию движения поверхности следовать вдоль стенки выреза, поэтому тот же контур проходит более длинный путь без увеличения площади.

d_eff = d_straight + 2 × n × h_slot

где d_eff — эффективное расстояние проникновения, d_straight — расстояние по плоской поверхности, n — количество пазов, а h_slot — глубина паза. Три паза глубиной 3 мм превращают поверхность шириной 50 мм в путь длиной 68 мм, что на 36% больше по той же длине контура.

Рис. 1 — Послойное соединение трех слоев при напряжении 15 мм/кВ и вакуумная заливка компаундом сокращают путь утечки через печатную плату с 800 мм до 300 мм.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Требуемый путь выходит за пределы доски.

Для усиленной конструкции на 50 кВ требуется расстояние утечки от 600 до 800 мм. Одна плата такого размера не помещается в шкаф, а четыре точки крепления не могут обеспечить жесткость панели при транспортировке с перегрузкой в ​​10 g. В этом случае конструкторы либо увеличивают размеры корпуса, либо отказываются от печатной платы в пользу точечной проводки.

Проблема 2: Воздушные зазоры определяют предел пробоя

Воздух обладает диэлектрической прочностью всего около 3 кВ/мм. Воздушный зазор толщиной 1 мм внутри поля 50 кВ разрушается и вызывает разряд на краю проводника. Заливка этого зазора твердым диэлектриком, обладающим прочностью от 15 до 20 кВ/мм, позволяет передавать на то же расстояние в пять раз большее напряжение.

Проблемный момент 3: Напряжение поля на краю проводника.

Острый угол концентрирует электрическое поле, и локальное напряжение достигает значения, в два-три раза превышающего среднее значение по всему зазору. Разряд начинается в этом углу при напряжении от 20 до 30 кВ, что значительно ниже рабочего уровня 50 кВ. Закругленные площадки и плавный профиль поля смещают начало разряда вверх.

Проблема 4: Трещины в грунте вновь открывают щель.

Эпоксидная смола сжимается при отверждении, и внутреннее напряжение внутри толстого блока может достигать от 20 до 40 МПа. Трещина, образовавшаяся после 500 термических циклов, пропускает воздух обратно в зазор, и уровень разряда затем падает до значения, характерного для непокрытой печатной платы. Минимальная длина поверхностного пути разряда в 100 мм на плате обеспечивает запас прочности против такого разрушения.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Создайте макет в три слоя, расположенных друг над другом.

Разместите переключатели и шины на верхнем слое, накопительные конденсаторы и импульсный трансформатор — посередине, а управляющую электронику — на нижнем. Слои разделены полиимидными стержнями высотой от 20 до 50 мм. Каждый слой имеет собственное заземление, а вертикальное расположение слоев уменьшает ток в контуре высокого напряжения с 80–100 нГн до 20–30 нГн.

Стратегия 2: Вырезать пазы в керамическом корпусе.

U-образные или V-образные пазы станка глубиной от 2 до 5 мм в корпусе. дверная ручка конденсаторыСтенки паза увеличивают эффективную ползучесть на 30–50% без изменения контура детали. Для сохранения исходного поверхностного сопротивления покройте стенки паза глазурью.

Стратегия 3: Поместить стопку в вакуум.

Дегазировать компаунд при давлении 100 Па в течение 30 мин, залить со скоростью от 50 г/мин до 100 г/мин и отверждать при 60 °C в течение 4 ч. Заливка устраняет внутренние воздушные зазоры и уменьшает требуемое расстояние ползучести с 800 мм до 300 мм. Наполненная эпоксидная смола с теплопроводностью 1.5 Вт/м·К также рассеивает тепло от локальных зон перегрева.

Стратегия 4: Выберите материал доски и отделку поверхности.

Используйте высокотемпературный ламинат с температурой стеклования выше 150 °C, с медью толщиной от 2 до 3 унций для шин. Выберите паяльную маску с индексом ползучести (CTI) выше 600, поскольку стандартная эпоксидная маска с CTI от 200 до 400 добавляет множитель утечки в 1.4 раза. Что касается поверхностного покрытия, то ENIG и OSP хорошо подходят; HASL способствует росту оловянных нитевидных кристаллов под напряжением.

Стратегия 5: Добавить защитную пластину между высоковольтным и управляющим слоями.

Приклейте алюминиевую пластину толщиной 1 мм к заземлению шасси между двумя зонами. Размер каждого паза в пластине должен быть меньше 5 мм (λ/20 на частоте 1 ГГц), чтобы пластина продолжала блокировать излучаемое поле. Подавайте управляющие сигналы через пластину только в одной точке.

Стратегия 6: Проверка с помощью испытания на прочность и сканирования разряда.

Проведите испытание на выдерживание напряжения 75 кВ в течение 60 секунд и сканирование разряда при рабочем напряжении. Измеренный уровень разряда ниже половины предельного значения допускает разброс результатов в разных производственных образцах. В случае с напряжением 50 кВ сканирование показало 1.5 пКл при предельном значении 3 пКл.

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	-
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. Высоковольтные конденсаторы для изоляционного узла 50 кВ

Изоляционный проводник расположен на деталях, поскольку каждый миллиметр корпуса и каждый поверхностный проводник на детали пропускают напряжение. Компания HVC производит детали для модуляторов на 50 кВ на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ. Одиночный N4700 Диск закрывает узел хранения и демпфирующий узел, поэтому в стеке используется одно семейство диэлектриков.
• Уровень разряда ниже 5 пКл при 1.5-кратном превышении номинального значения. Измеренный уровень 1.5 пКл в герметичном блоке обеспечивает трехкратный запас по сравнению с пределом в 3 пКл.
• Индекс CTI выше 600. Керамическое тело соответствует требованиям группы материалов I, поэтому коэффициент ползучести остается равным 1.0, и длина пути не увеличивается на 40%.
• ESL ниже 8 нГн в корпусе E40. Низкая индуктивность петли удерживает фронт импульса и предотвращает колебания между слоями.
• Специальная упаковка. Удлинённые выводы от 30 до 50 мм, керамические пазы и полиимидная обмотка толщиной от 25 до 50 мкм повышают поверхностное сопротивление выше 10¹⁴ Ом/кв на той же детали.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. TDK Запчасти HVCT и Murata HV поставляются в комплекте. градуировочные резисторы и выпрямительные диоды для того же стека.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4-8 недель, а детали с прорезями и защитной пленкой, изготовленные на заказ, — в течение 6-10 недель, в то время как для импортных брендов этот срок обычно составляет 20-30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете расстояний, проектировании многослойной структуры, геометрии прорезей и процессе заливки компаундом.

Отправьте пиковое напряжение, высоту объекта над уровнем моря, степень загрязнения, размеры корпуса и чертеж. Компания HVC в течение пяти рабочих дней предоставит схему расположения с указанием расстояний, номеров деталей, данных о разрядах и комплект из двух образцов для оценки.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое расстояние утечки необходимо для платы на 50 кВ?

389 мм при пиковом напряжении 50 кВ и среднеквадратичном напряжении 35.4 кВ с температурой в точке перегрева 50 °C. Эта величина начинается с 10 мм/кВ, сохраняет группу материалов на уровне 1.0 и добавляет множитель тепловыделения 1.1×. Добавьте запас 1.3× для переходных процессов переключения, которые достигают 70–75 кВ в импульсной сети.

Вопрос 2: Почему плоская плата выходит из строя при напряжении 50 кВ?

Для создания усиленного канала требуется поверхностный зазор в 600–800 мм, что соответствует длине платы от 500 до 700 мм с каждой стороны. Такая плата не помещается в корпус модулятора, а увеличение толщины ламината обходится в 5–20 раз дороже, чем у FR-4. Многослойная компоновка позволяет восстановить необходимый зазор в вертикальном направлении.

В3: Насколько пересадка растений уменьшает длину дорожки?

При уменьшении ширины с 800 мм до 300 мм происходит снижение на 62%, поскольку заливка компаундом устраняет внутренние воздушные зазоры. Воздух удерживает напряжение около 3 кВ/мм, а компаунд — от 15 до 20 кВ/мм. Необходимо обеспечить не менее 100 мм поверхностного пути на самой плате, чтобы трещина в компаунде не снизила уровень напряжения до значения, характерного для незалитой платы.

Вопрос 4: Какова должна быть глубина паза в керамической пластине?

От 2 до 5 мм. Каждый паз увеличивает глубину обработки вдвое, поэтому три паза по 3 мм добавляют 18 мм к поверхности размером 50 мм. Для удобства обработки и предотвращения капиллярной конденсации ширину паза следует поддерживать выше 1 мм, а стенки паза следует покрывать глазурью для повышения сопротивления поверхности.

В5: Какой материал для печатной платы мне следует использовать?

Высокотемпературный термоэлектрический материал FR-4 (Tg выше 150 °C) или полиимидная подложка. Стандартный FR-4 с температурой стеклования Tg 130 °C не имеет рейтинга для непрерывной работы при напряжении 50 кВ. Используйте его в паре с паяльной маской с индексом теплового сопротивления (CTI) выше 600, поскольку стандартная маска с CTI от 200 до 400 добавляет множитель утечки в 1.4 раза.

В6: Как проверить правильность сборки?

Проведите испытание на выдерживание напряжения 75 кВ в течение 60 секунд, затем сканирование разряда при рабочем напряжении. В ходе исследования при напряжении 50 кВ были измерены следующие параметры: 55 мм при зазоре 50 мм, 100 мм при пороговом значении ползучести 80 мм и 1.5 пКл при предельном значении 3 пКл. Также проведите 500 термических циклов для проверки на образование сложных трещин.

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 60601-2-1, Медицинское электрооборудование — Часть 2-1: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам электронных ускорителейЖенева: МЭК, 2014.
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. IPC-2221B, Общий стандарт проектирования печатных платБаннокберн, Иллинойс: IPC, 2012.
6. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
7. Р. Герсон и Т.К. Маршалл, Пробивка диэлектрика пористой керамикиЖурнал прикладной физики, том 30, № 11, стр. 1650-1653, 1959. https://doi.org/10.1063/1.1735030
8. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
9. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量 (Методы испытаний высоким напряжением. Измерения частичных разрядов). Пекин: 中国标准出版社, 2018.
10. Арора, Р., и Мош, В., Высоковольтная техника и электрическая изоляцияХобокен, Нью-Джерси: Wiley-IEEE Press, 2011.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com