Герметизация высоковольтных конденсаторов и предотвращение утечки тока для источников питания CO2-лазеров

Герметизация высоковольтных конденсаторов и предотвращение утечки тока для источников питания CO2-лазеров

Резюме

Источники питания CO2-лазеров работают при напряжении от 10 до 50 кВ во влажных, пыльных условиях, где модуль, прошедший испытание на сухом стенде, выходит из строя в течение нескольких месяцев. Причины отказов три: пробой основной части, поверхностный пробой и частичный разряд. Только первый соответствует номинальному напряжению. В этой статье приводятся правила учета утечки и зазоров для каждой степени загрязнения, уравнения для поля и срока службы, четыре причины отказов в поле, а также данные по конденсаторам, подтверждающие результат.

1. Введение

Источник питания CO2-лазера работает при напряжении от 10 до 50 кВ, а его высоковольтный блок содержит трансформатор, умножитель и конденсаторную батарею в одном герметичном корпусе. Блок проходит все стендовые испытания в сухой лаборатории при температуре 22 °C. Шесть месяцев спустя та же конструкция выходит из строя на заводе или на предприятии, расположенном на побережье.

В большинстве проектов первым делом пытаются устранить проблему, повышая номинальное напряжение. Это изменение сдвигает предел пробоя в основной цепи, оставляя поверхностный путь нетронутым. Результаты полевых испытаний показывают, что повреждение находится на поверхности, в углу или внутри пустоты, поэтому повышение номинального напряжения не устраняет его.

Прорыв изоляции происходит по трем различным механизмам. Объемный пробой пробивает диэлектрик и образует сквозной канал. Пробивной пробой пересекает поверхность, не проникая в объем. Частичный разряд (ЧР) прожигает одну небольшую пустоту или один острый край, импульс за импульсом, пока не образуется древовидный канал, пересекающий стенку.

В этой статье изложены правила утечки тока для каждой степени загрязнения, четыре типа отказов, наблюдаемых в источниках питания лазеров, этапы проектирования, позволяющие их предотвратить, и данные испытаний, подтверждающие результат.

2. Основной механизм

2.1 Зазор и проскальзывание — это два разных пути.

Зазор — это кратчайшее расстояние по прямой в воздухе между двумя проводниками. Он определяет напряжение пробоя в воздушном зазоре. В сухом воздухе при температуре 20 °C и давлении 101.3 кПа напряжение пробоя составляет около 3 кВ/мм, и это значение снижается с увеличением высоты и влажности.

Просачивание — это кратчайший путь вдоль поверхности изоляции. Оно определяет напряжение пробоя и ток поверхностной утечки. Просачивание зависит от геометрии, а также от пыли, влаги и удельного сопротивления поверхности.

L_creep = k_p · k_a · U

где L_creep — минимальное расстояние утечки в мм, k_p — коэффициент степени загрязнения в мм/кВ, k_a — поправочный коэффициент высоты, а U — рабочее напряжение в кВ.

Для шины 20 кВ на запыленном предприятии k_p составляет 20 мм/кВ, а k_a равно 1.15 на расстоянии 1,500 м. В этом случае длина трассы должна достигать 460 мм. Схема, нарисованная на расстоянии 300 мм, не соответствует правилу до проведения каких-либо испытаний.

2.2 Частичный сброс и древовидный канал

Внутри эпоксидной смолы находится пустота, удерживающая газ с более низкой диэлектрической проницаемостью, чем окружающая смола. Поле внутри пустоты превышает среднее поле в объеме материала, поэтому газ пробивается первым.

E_void = E_bulk · 3 · ε_r / (2 · ε_r + 1)

где E_void — поле внутри сферической полости, E_bulk — среднее поле в эпоксидной смоле, а ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость смолы, составляющая около 3.5 для наполненного материала. При E_bulk = 8 кВ/мм E_void достигает 10.5 кВ/мм, что превышает пробивное поле воздуха при данном давлении.

Каждое событие частичного разряда (ЧР) переносит несколько пикокулонов, поэтому защита не срабатывает. Повреждения носят кумулятивный характер. При частоте переключения 100 кГц и напряжении 20 кВ модуль подвергается 200 000 циклов в секунду, и пустота размером 0.1 мм после 10⁸–10⁹ событий разрастается в древовидный канал.

t_life = N_0 · (V_rated / V_applied)^n

где t_life — время до пробоя в часах, N_0 — эталонный срок службы при номинальном напряжении в часах, V_rated — номинальное напряжение в кВ, V_applied — приложенное напряжение в кВ, а n — показатель износостойкости по напряжению, от 9 до 12 для эпоксидного слоя. Перенапряжение 20 % при n = 10 сокращает срок службы в 6 раз.

2.3 Концентрация поля в углах и на границах раздела

Острый угол сжимает эквипотенциальные линии. Локальное поле достигает величины, в 5-10 раз превышающей среднее поле на том же проводнике.

E_max = β · E_avg

где E_max — пиковое поле в углу, β — коэффициент усиления поля, а E_avg — среднее поле по зазору. Для квадратного края штифта β = 8, тогда как для того же края, закругленного до радиуса 2 мм, β = 1.6.

При напряжении 20 кВ в зазоре 4 мм среднее поле составляет 5 кВ/мм. На квадратном кромке напряжение достигает 40 кВ/мм, пробой воздуха происходит при напряжении около 3 кВ/мм, а пробой наполненной эпоксидной смолы — при напряжении около 20 кВ/мм. Оба предела преодолены в этом углу.

2.4 Влага и пыль воздействуют на одну и ту же поверхность.

Сухая эпоксидная поверхность имеет поверхностное сопротивление от 10¹³ Ом до 10¹⁴ Ом. При относительной влажности 85 % это значение падает до 10¹⁰ Ом, а проводящая пылевая пленка снижает его до 10⁸ Ом.

I_surface = U / R_s

где I_surface — поверхностный ток утечки в мкА, U — рабочее напряжение в кВ, а R_s — поверхностное сопротивление в ГОм. При напряжении 20 кВ на сопротивлении 0.1 ГОм поверхностный ток достигает 200 мкА, что приводит к нагреву пленки и образованию углеродной дорожки.

Рис. 1 — Три механизма изоляции на одном модуле 20 кВ: только объемный пробой происходит по номинальному напряжению, в то время как пробой и частичный разряд происходят по поверхностному пути.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Переломный момент через шесть месяцев после пилотного запуска.

Модули, прошедшие испытание на сухом стенде, начинают перегреваться через шесть месяцев эксплуатации на предприятии с относительной влажностью 85%. Поверхность впитывает воду, поверхностное сопротивление падает с 10¹³ Ом до 10¹⁰ Ом, а ток утечки на краю контакта превышает уровень, при котором начинает образовываться угольная дорожка.

Первый пробой ничего не повреждает, поэтому производство продолжается. Каждый последующий пробой прожигает дорожку глубже, и сопротивление цепи падает вместе с ним. После 10-20 пробоев поверхность прожигается при половине рабочего напряжения.

Проблема 2: Пыль перекрывает эффективный путь утечки.

В цехе резки на поверхности резервуара оседает металлический порошок и углеродная пыль. Пленка толщиной от 0.5 до 2 мм перекрывает ребра и канавки, а эффективная длина пути утечки уменьшается на 50–80%.

Конструкция, длина проводника которой в чистой комнате составляла 300 мм, через год ведет себя как конструкция длиной от 60 до 150 мм. В этом случае, согласно правилу 20 мм/кВ, длина проводника должна составлять 400 мм, поэтому модуль работает на расстоянии менее половины требуемой длины проводника.

Проблемный момент 3: При попадании содержимого в полость рта начинаются частичные выделения.

Слабая дегазация оставляет внутри блока пустоты размером от 0.1 до 1 мм. Каждая пустота запускает частичный разряд при своем напряжении начала разряда, и эпоксидная смола вокруг нее разрушается со скоростью от 0.01 до 0.1 мм на каждые 10⁸ событий.

Неисправность хорошо скрыта. Уровень частичных разрядов 3 пКл проходит стандартное испытание на выдерживаемое напряжение, а сопротивление изоляции остается выше 10¹² Ом до тех пор, пока не разомкнется древовидный канал. Затем устройство не проходит испытание на высоковольтное напряжение, при этом видимых повреждений на поверхности не обнаружено.

Проблема №4: Качественные компоненты, некачественная компоновка.

Конденсатор на 10 кВ и диод на 10 кВ прошли собственные типовые испытания. Расположенные на плате на расстоянии 3 мм друг от друга, они образуют путь утечки длиной 3 мм, что позволяет пропускать менее 1 кВ при степени загрязнения 3.

Эта неисправность чаще всего возникает, когда модуль на 20 кВ собран из компонентов на 5 кВ. Каждый компонент имеет свои номинальные характеристики, и вся сборка обеспечивает 15 % от системной нагрузки.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Определить размер пути утечки, исходя из степени загрязнения.

Используйте степень загрязнения конечного объекта. Степень 1 соответствует чистому помещению при напряжении от 5 до 8 мм/кВ. Степень 2 соответствует офису или обычному предприятию при напряжении от 10 до 16 мм/кВ. Степень 3 соответствует проводящей пыли и высокой влажности при напряжении от 20 до 32 мм/кВ. Степень 4 соответствует постоянному загрязнению при напряжении от 40 до 50 мм/кВ.

На расстоянии более 1,000 м добавляйте от 10% до 15% на каждые последующие 1,000 м. Для шины 20 кВ при уровне загрязнения 3 и на расстоянии 2,000 м требуется от 460 до 530 мм пути по поверхности. Измерьте этот путь по поверхности на 3D-модели, а не на плоском чертеже.

Стратегия 2: Закруглить каждый угол и обработать каждый стык.

Закруглите все края высоковольтных медных проводников до радиуса 2 мм или более. Закройте каждое паяное соединение вывода с контактной площадкой полусферическим закруглением. Проводите параллельные или дугообразные переходы между высоковольтной дорожкой и дорожкой заземления, избегая точечных зазоров.

Округление снижает β с 5-10 до 1.5-2. На модуле с напряжением 20 кВ это единственное изменение повышает напряжение пробоя с 25 кВ до 60 кВ.

Стратегия 3: Дегазация эпоксидной смолы перед заливкой.

Перед заливкой дегазируйте смешанную смолу при давлении ниже 10 мбар в течение 15-30 минут. Залейте большой блок в 2-3 слоя, дегазируя его после каждого слоя, чтобы нижние пустоты не были запечатаны свежей смолой.

Для снижения вязкости предварительно нагрейте форму до 40–50 °C и наклоните ее на 15–30°, чтобы смола затекала с одной стороны. При количестве пустот более 1 на см³ в блоке 20 кВ уровень частичных разрядов превышает 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное.

Стратегия 4: Подберите эпоксидную смолу в соответствии с термическим циклом.

Стандартная бисфенол-А смола выдерживает напряжение от 18 до 22 кВ/мм и обладает умеренной влагостойкостью. Модифицированная циклоалифатическая смола выдерживает напряжение от 22 до 28 кВ/мм и обладает превосходной влагостойкостью. Нанонаполненная смола выдерживает напряжение от 25 до 35 кВ/мм и устойчива как к влаге, так и к термическим циклам.

Коэффициент теплового расширения смолы составляет около 30 ppm/°C, а коэффициент теплового расширения медного штифта — около 17 ppm/°C. Эта разница в 13 ppm/°C определяет касательное напряжение на границе раздела. Смола с температурой стеклования выше 150 °C поддерживает низкое напряжение в диапазоне от −40 °C до +125 °C.

Стратегия 5: Добавить ребра и защитное покрытие.

Добавьте ребра высотой 2 мм или более по направлению утечки, между высоковольтной и низковольтной зонами. Ребра заставляют поверхностный путь отклоняться от курса и увеличивают эффективное расстояние на 50–100%.

Нанесите на высоковольтную область конформное покрытие из полиуретана или силикона толщиной 25 мкм или более. Покрытие повышает поверхностное сопротивление на 2–3 порядка, так что сопротивление поверхности, равное 10¹⁰ Ом, возвращается к 10¹² Ом.

Установите барьер из FR4 или керамики в каждом критическом зазоре. На этапе умножения установите блокировку постоянного тока. пленочный конденсатор так чтобы его корпус перекрывал барьер, и чтобы поле вдоль поверхности барьера изменялось с помощью резисторной цепочки.

Стратегия 6: Подтвердите правильность конструкции с помощью четырех измерений.

Измерьте путь утечки вдоль поверхности на 3D-модели. Проведите испытание на частичные разряды при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, и поддерживайте уровень ниже 5 пКл. Проведите испытание на воздействие влажного тепла при температуре 85 °C и относительной влажности 85 % в течение 1,000 часов, затем повторите испытание на частичные разряды.

Выполните 1,000 термических циклов от −40 °C до +125 °C и снова проверьте уровень ПД. Повышение выше 2 пКл после циклирования указывает на расслоение на границе раздела.

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 в эпоксидной смоле для высоковольтного бака.

Компания HVC производит герметизированные компоненты класса I для высоковольтного бака источников питания CO2-лазеров. Серийные поставки осуществляются производителям промышленного и медицинского лазерного оборудования с собственного завода площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Многослойная вакуумная заливка не оставляет видимых пустот в блоке, поэтому древовидный канал не может начинаться с внутреннего газового кармана.
• Объемное удельное сопротивление выше 10¹⁴ Ом·см. Основной путь проводимости остается выше поверхностного, поэтому предел отказа определяется структурой утечки, а диэлектрик — нет.
• Диэлектрическая прочность выше 20 кВ/мм. Деталь с диэлектрической прочностью 20 кВ сохраняет свои номинальные характеристики внутри залитого компаундом блока, поэтому компаунду не нужно самостоятельно выдерживать всю напряженность поля.
• Изменение частичных разрядов ниже 2 пКл после 1,000 циклов от −40 °C до +125 °C. Интерфейс выдерживает термические циклы, поэтому напряжение срабатывания сохраняется в течение 10–20 лет эксплуатации.
• Результаты испытаний на воздействие влажного тепла показали снижение теплоизоляции менее чем на 10 % при температуре 85 °C и относительной влажности 85 % в течение 1,000 часов. N4700 В тропических условиях, где в противном случае преобладала бы утечка через поверхность, детали сохраняют свое изоляционное сопротивление.
• Координированные компоненты. HVCT8G и компоненты HVCT9G сочетаются с HVR-BSP градуировочные резисторы, резисторы выборки HVRGXP и быстровосстанавливающийся диод для умножителя и выпрямительного каскада.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4-8 недель, а компоненты нестандартной емкости, шага выводов или формы заливки — в течение 6-10 недель. Для заказов лазерных компонентов предоставляется отчет о частичных разрядах при 5 пКл, запись о высоковольтных испытаниях при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, и Перекрестная ссылка таблица результатов в сериях Vishay HVCC, TDK UHV и Murata DHS.

Укажите рабочее напряжение, степень загрязнения, высоту объекта над уровнем моря, чертеж корпуса и диапазон влажности. HVC предоставит вам лист распределения утечки, номера деталей для каждой позиции и образцы устройств для повторного испытания на воздействие влаги и тепла.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Предотвращает ли более высокое номинальное напряжение пробой?

Нет. Пробой в объеме материала происходит по номинальному напряжению, а пробой через поверхность — по поверхностному пути. Деталь на 20 кВ с номинальным напряжением 40 кВ все равно пробьется при 25 кВ, если путь утечки составляет 100 мм, а углы прямые. Сначала исправьте геометрию, а затем проверьте номинальное напряжение.

В2: Какое расстояние утечки необходимо для шины 20 кВ?

При уровне загрязнения 3 и на уровне моря — 400 мм. На высоте 2,000 м добавьте от 20% до 30%, что даст от 460 до 530 мм. Для чистого помещения при уровне загрязнения 1 для того же автобуса требуется от 100 до 160 мм. Измеряйте расстояние вдоль поверхности, а не поперек зазора.

В3: Почему устройство с чувствительностью 3 пКл всё ещё выходит из строя в полевых условиях?

Поскольку повреждения от частичных разрядов носят кумулятивный характер. При частоте 100 кГц и напряжении 20 кВ модуль подвергается 200 000 циклов в секунду, и пустота разрушает смолу со скоростью от 0.01 до 0.1 мм на каждые 10⁸ событий. Пустота размером 0.1 мм открывает древовидный канал после 10⁸–10⁹ событий, что соответствует часам работы, а не годам.

Вопрос 4: Как удалить пустоты в грунте?

Дегазация при давлении ниже 10 мбар в течение 15–30 минут, заливка в 2 или 3 слоя, дегазация после каждого слоя, предварительный нагрев формы до 40–50 °C и наклон ее на 15–30°. Количество пустот более 1 на см³ повышает уровень ПДК выше 5 пКл и приводит к непрохождению 1.5-кратного скрининга.

В5: Какую эпоксидную смолу следует использовать в качестве основы для лазерного оборудования?

Модифицированный циклоалифатический сплав с порогом отрыва от 22 кВ/мм до 28 кВ/мм предназначен для обычных промышленных установок, а нанонаполненный сплав — с порогом отрыва от 25 кВ/мм до 35 кВ/мм для наружной эксплуатации и работы в условиях высокой надежности. Оба сплава лучше удерживают влагу, чем стандартный бисфенол-А, порог отрыва от которого составляет всего 18 кВ/мм–22 кВ/мм.

В6: Какая последовательность испытаний подтверждает правильность конструкции теплоизоляции?

Четыре эксперимента: измерение ползучести вдоль поверхности на 3D-модели, тест на частичные разряды при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, с пределом 5 пКл, эксперимент в условиях влажного тепла при температуре 85 °C и относительной влажности 85 % в течение 1,000 ч с повторением теста на частичные разряды, и 1,000 термических циклов от −40 °C до +125 °C с пределом дрейфа 2 пКл.

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 60664-1:2020, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения — Часть 1: Принципы, требования и испытанияЖенева: МЭК, 2020.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, 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. А. Будиаф, С. Буазабиа, Н. Харид и М.Л. Амрани, Аналитический расчет порога частичного разряда в газовой полости внутри изоляции высоковольтного кабеля.Электротехника, том 104, № 2, стр. 555-565, 2021. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01310-9
8. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влагиНадежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008
9. Технические заметки по проектированию и надежности конденсаторов (указатель, включая информацию о периоде возникновения дуги, коронном разряде и влиянии компоновки печатной платы на отказы при высоком напряжении), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
10. Рекомендации по измерению частичных разрядов в соответствии со стандартом IEC 60270П. Мраз, С. Абдул Мадхар, П. Трейер и У. Хаммер (Haefely AG), Репозиторий TU Delft, https://repository.tudelft.nl/record/uuid:81049202-9bf5-4b75-87aa-2b16842fd956 .
11. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com