Высоковольтные конденсаторы для твердотельных источников неразрушающего контроля Маркса с регулируемым краем

Высоковольтные конденсаторы для твердотельных источников неразрушающего контроля Маркса с регулируемым краем

Резюме

Один импульсный режим предназначен для обработки одного материала и одной толщины стенки. Твердотельный преобразователь Маркса с регулируемым фронтом импульса обрабатывает алюминий, сталь и композитные ламинаты за один цикл, поскольку SiC MOSFET замыкают каждый каскад в заданный момент времени. В этом случае накопительный конденсатор должен поддерживать крутой фронт импульса, плоскую вершину и точное напряжение предварительного заряда. В этой статье рассматриваются физические принципы работы фронта импульса, дрейфовые члены и правила согласования, которые разделяют два энергетических канала.

1. Введение

Традиционные методы неразрушающего контроля используют один набор параметров импульса. Эти настройки подходят для одного класса материалов и одного диапазона толщин и не работают за их пределами. Современный инспекционный цех позволяет охватить весь спектр параметров за одну смену.

Для легких алюминиевых сплавов необходим узкий импульс при низкой мощности, чтобы избежать чрезмерного проникновения. Для стальных профилей необходим широкий импульс при высокой мощности для обеспечения контраста. Композитным ламинатам необходимы два уровня энергии, чтобы сигнатура материала отличалась от сигнатуры дефекта.

Рао и др. (High Voltage, 2023, стр. 878–888) создали твердотельный генератор Маркса с регулируемыми фронтами импульсов. SiC MOSFET-транзисторы заменяют искровой разрядник, а цифровой контроллер устанавливает момент замыкания каждой ступени.

Теперь накопительный конденсатор выполняет три функции в одном приборе: обеспечивает крутой фронт сигнала, плоскую вершину и напряжение заряда, соответствующее заданному значению. В этой статье приводятся числовые значения, лежащие в основе каждой из этих функций.

2. Основной механизм

2.1 Управление краевыми эффектами в твердотельном устройстве Маркса

Скорость переключения каскада определяет время нарастания выходного импульса:

t_r ≈ (π/2) · √(L_loop · C_stage / n)

где t_r — время нарастания в нс, L_loop — индуктивность контура в нГн, C_stage — емкость каскада в нФ, а n — количество каскадов.

В искровом разряднике момент пробоя разносится на десятки наносекунд, и никакая команда не может уменьшить этот разброс. Твердотельный стек замыкает каждый каскад по команде, поэтому составной край принимает форму, заданную контроллером. Снижение индуктивности L_loop с 50 нГн до 15 нГн увеличивает крутизну края в 1.8 раза, а конденсатор на 50% большего размера при той же индуктивности сдвигает его в 1.2 раза.

2.2 Три режима нагружают один и тот же конденсатор

Плоская пластина должна удерживать напряжение в течение всего импульса:

ΔV / V ≈ τ / (R_load · C)

где ΔV — падение напряжения на импульсе в В, V — напряжение на пике импульса в В, τ — ширина импульса в мкс, R_load — сопротивление нагрузки в Ом, а C — емкость каскада в нФ.

Для импульса шириной 100 нс и напряжением 50 кВ на каскаде 10 нФ требуется сопротивление R_load · C, равное 10 мкс, для падения напряжения на 1%, поэтому сопротивление нагрузки должно превышать 1 кОм. Режим предварительной зарядки добавляет третье требование: заданное напряжение должно появиться на всем каскаде, что требует низкого температурного коэффициента и низкого диэлектрического поглощения.

2.3 Диэлектрическое поглощение удерживает остаточный заряд

Конденсатор, подвергающийся быстрому разряду, паузе и перезарядке, демонстрирует остаточное напряжение, возникающее вследствие замедленной релаксации диполя:

V_residual = DA · V_applied

где V_residual — остаточное напряжение в В, DA — диэлектрическое поглощение, а V_applied — приложенное напряжение в В.

Деталь класса I N4700 поддерживает уровень DA ниже 0.01%, а деталь класса II — от 1% до 3%. В приборе, переключающем профили между снимками, остаточное напряжение в 3% сдвигает эффективное напряжение заряда и размывает энергетическую калибровку цепочки формирования изображения.

2.4 Согласование энергии между фазами

Последовательность с несколькими источниками энергии активирует две или более батарей с разными уровнями заряда. Каждая батарея хранит:

E = ½ · n · C · V₀²

где E — запасенная энергия в Дж, n — количество ступеней, C — емкость ступени в Ф, а V₀ — напряжение заряда в В.

Согласование емкостей на ±1% обеспечивает соотношение двух энергетических каналов, ожидаемое при реконструкции. Более широкий разброс смещает расстояние между каналами, и разложение материала становится ненадежным.

Рис. 1 — Диэлектрическое поглощение класса II оставляет остаточный заряд после быстрого разряда, и это смещение сдвигает энергию одного канала при двухэнергетическом сканировании.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: пиковые значения включения SiC достигают номинальных параметров устройства.

SiC MOSFET включается менее чем за 20 нс, и индуктивность контура изменяется синхронно с емкостью каскада. Перерегулирование увеличивает напряжение на шине и разрушает переключатель. Контур должен спасть, прежде чем вообще можно будет сформировать фронт сигнала.

Уровень электростатической индуктивности (ESL) ниже 15 нГн в сочетании с RC-демпфированием на каждом переключателе удерживает пик напряжения в пределах допустимого диапазона снижения мощности устройства.

Проблема 2: Сбои в фазовой синхронизации между кадрами.

Двухэнергетическое сканирование запускает два профиля с высокой скоростью. Если емкость или эквивалентное последовательное сопротивление двух блоков различаются, синтезированные энергетические каналы смещаются, и реконструкция считывает изменение материала, которого нет в данной детали.

Согласование емкости с точностью до ±1% и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) с погрешностью в 5% обеспечивает электрическую идентичность каждой фазы.

Болевой момент 3: Изменение температуры влияет на профиль пульса.

Жаркий полдень и холодный цех изменяют значение емкости конденсатора в зависимости от его температурного коэффициента. Время разряда смещается, плоская верхняя поверхность меняет форму, а качество изображения изменяется между калибровкой и получением данных.

Диапазон температурной зависимости (TCC) ±30 ppm/°C позволяет поддерживать профиль в пределах от −30 °C до +85 °C без повторной калибровки между сменами.

Болевой момент 4: Провисание верхней части стопы ограничивает длительность пульса.

В режиме широких импульсов падение напряжения происходит по закону ΔV / V ≈ τ / (R_load · C). При самых длинных импульсах к этому падению напряжения добавляется эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), возрастающее с температурой, или коэффициент деполяризации (DF) в процентном диапазоне.

Повышение температуры на 20 °C в блоке класса II приводит к изменению эффективной энергии нижнего канала более чем на 3% за один цикл, и на изображении это изменение никак не отображается.

Проблемный момент 5: Повторяющийся нагрев в приборе с циклическим режимом работы.

Наиболее сильный нагрев происходит в точке с самой высокой средней мощностью, которая обычно соответствует режиму широкого импульса обработки стали. Без деталей с низкими потерями повышение температуры приводит к смещению емкости между импульсами, и регулируемые кромки становятся нестабильными.

Термостатическую проверку необходимо проводить при наихудшем варианте параметров. Расчет при средней нагрузке занижает повышение температуры в два раза и более.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Укажите диэлектрик класса I для контура формирования импульса.

Установите DF ниже 0.1% и DA ниже 0.01%, чтобы режимы быстрого фронта и плоской вершины оставались точными. Проверьте остаточное напряжение V_residual = DA · V_applied на соответствие допуску калибровки энергетического канала.

An Диэлектрик класса I N4700 Обе величины соответствуют обоим показателям, с температурным коэффициентом теплового расширения ±30 ppm/°C. Не допускайте попадания компонентов класса II в любые ступени, участвующие в переключении энергии.

Стратегия 2: Согласовать фазы с точностью до ±1%.

Упорядочите подобранные пары с допуском ±1% по емкости, чтобы каждая фаза последовательности разряжалась одинаково. Подтвердите, что эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) не превышает 5% по всему комплекту, что обеспечит одинаковое падение напряжения на пике между каналами.

Запишите измеренные значения C и ESR для каждой фазы. Цепь реконструкции нуждается в этих значениях для обеспечения прослеживаемости при возникновении вопросов к изображению.

Стратегия 3: Защитите SiC-переключатель с помощью демпфирующего контура и плотной петли.

Установите внутренний RC-демпфер параллельно каждому выключателю, чтобы уменьшить выброс dV/dt при включении. Используйте ламинированную шину с выводами менее 5 мм и поддерживайте ESL ниже 15 нГн.

Подберите размер амортизатора с помощью HVR-BSP демпфирующие резисторы Рассчитано на заданное значение энергии восстановления. Убедитесь, что напряжение устройства остается ниже 80% от номинального значения в наихудших условиях контура.

Стратегия 4: Контроль повышения температуры с помощью сегментированного охлаждения

Используйте сегментированное воздушное охлаждение, чтобы повышение температуры конденсатора оставалось ниже 20 °C при максимальной средней мощности. Проверьте P_ESR = I_rms² · ESR и P_DF = 2π · f · C · V² · DF при наихудшем коэффициенте заполнения.

Коэффициент ±30 ppm/°C позволяет поддерживать профиль импульса без активной обратной связи по температуре конденсатора.

Стратегия 5: Проверьте весь конверт на соответствие требованиям.

Перед запуском протестируйте аккумуляторную батарею по всей длине, ширине и энергетическому диапазону. Проверьте точность предварительной зарядки после последовательности разряда, выдержки и перезарядки, которая создает нагрузку на диэлектрическое поглощение.

Запишите измеренное время нарастания и просадку на плоской вершине для каждого профиля. Затем специалисты по устранению неполадок на месте смогут сравнить неисправность с базовым состоянием, фактическим состоянием объекта.

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. Конденсаторы HVC N4700 для блоков Маркса с регулируемым фронтом.

Одна батарея должна одновременно выполнять три задачи: обеспечивать крутой край, плоскую вершину и точное напряжение заряда. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для всех трех задач на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Показатель DF ниже 0.1%, а показатель DA ниже 0.01%. Режимы быстрого края и плоской вершины сохраняют точность, а калибровка энергии остается стабильной после резкой смены профиля.
• Изменение ЭПР составляет менее 5% в диапазоне переключения. Падение и форма фронта сигнала остаются одинаковыми между фазами на частоте 100 кГц и выше.
• Уровень эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) ниже 15 нГн в корпусах с винтовыми клеммами и многослойными шинами. Конденсаторы дверной ручки HVCT8G Удерживать SiC-импульс в пределах допустимых параметров устройства и поддерживать синтез наносекундного края.
• Диапазон температурной зависимости (TCC) составляет ±30 ppm/°C в пределах от −30 °C до +85 °C. Профиль остается в пределах допустимых значений в течение смены без повторной калибровки.
• Межфазное согласование ±1%. Каналы передачи энергии сохраняют свою разобщенность по всей матрице контроля.
• Скоординированные части для одного и того же цикла: быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды на этапе зарядки и резисторы выборки HVRGXP для монитора тока разряда.

Доставка и поддержка

Подобранные пары поставляются в течение 4 недель вместе с протоколами испытаний. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в формировании кромок, расчете размеров демпфирующих элементов, вычислении просадки и согласовании фаз для многоэнергетических последовательностей.

Отправьте количество ступеней, матрицу профиля, номинальные характеристики SiC-устройства и диапазон нагрузки. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам сопроводительный лист с указанием емкости (C) и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) для каждой фазы, данными о фотодиодах при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, и комплект из двух образцов. Перекрестная ссылка В листе представлены номера деталей Murata DHS, TDK UHV и Vishay HVCC.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему время нарастания зависит от конденсатора больше, чем от переключателя?

Поскольку t_r ≈ (π/2) · √(L_loop · C_stage / n), индуктивность контура оказывается меньше квадратного корня, а контур содержит корпус конденсатора. Сокращение L_loop с 50 нГн до 15 нГн дает в 1.8 раза более крутой пик, а конденсатор на 50% большего размера при той же индуктивности дает лишь в 1.2 раза больший пик.

В2: Какое диэлектрическое поглощение может выдерживать многоэнергетический неразрушающий контроль?

Остаточное напряжение составляет менее 0.01%. V_residual = DA · V_applied, поэтому поглощение 3% заряда 15 кВ оставляет смещение в 450 В, которое сдвигает эффективную энергию канала. Компонент класса I N4700 поддерживает DA ниже 0.01%, что позволяет снизить смещение ниже допуска калибровки.

В3: Насколько точным должно быть согласование фаз?

Погрешность измерения емкости составляет ±1%, при этом эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) совпадает с точностью до 5% по всему набору данных. Более широкий разброс смещает синтезированные энергетические каналы, и при реконструкции с использованием двух энергий разложение материала интерпретирует это смещение как изменение в компоненте.

Вопрос 4: Как выбрать размер плоской головки для импульса длительностью 100 нс и напряжением 50 кВ?

Из ΔV / V ≈ τ / (R_load · C). Для просадки в 1% на импульсе длительностью 100 нс требуется R_load · C, равное 10 мкс, поэтому для каскада с конденсатором 10 нФ требуется нагрузка выше 1 кОм. Необходимо поддерживать эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора значительно ниже 10 мОм, чтобы компонент сам не расходовал запас по просадке.

В5: Какие неисправности предотвращает демпфирующая нить в многослойной структуре SiC?

Пиковое напряжение включения. Устройство замыкается менее чем за 20 нс, и контур замыкается с емкостью каскада, поэтому перерегулирование добавляется к напряжению шины. RC-демпфер с резисторами класса 100 мОм и эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 15 нГн удерживает устройство ниже 80% от его номинального значения.

В6: Зачем оценивать всю матрицу профилей?

Поскольку деталь, прошедшая самый быстрый участок, может не пройти самый длинный плоский участок, и наоборот, время подъема и провисание имеют разные параметры, поэтому испытание на отрыв должно охватывать кромку, ширину и энергетическую матрицу, и регистрировать оба показателя для каждого профиля.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроникиЖенева: МЭК, 2017.
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. У. Б. Рэй, Дж. А. Шрок, К. Лоусон и С. Б. Бейн, Модульный генератор Маркса для тестирования силовых полупроводниковых приборов по зависимости dV/dt., в сборнике трудов Международной конференции IEEE по модуляции мощности и высоковольтным системам (IPMHVC), 2014 г., стр. 691-693, 2014 г. https://doi.org/10.1109/ipmhvc.2014.7287371
8. США 3,721,871, Монолитный керамический конденсатор высокого напряженияДж. Херон, патент выдан в 1973 г., https://www.freepatentsonline.com/3721871.html.
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. Куффель, Э., Заенгль, В.С., и Куффель, Дж. Высоковольтная техника: основы, 2-е изд. Оксфорд: Ньюнес, 2000.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com