Моделирование потерь в конденсаторах для многоступенчатых импульсных источников MPC.

Моделирование потерь в конденсаторах для многоступенчатых импульсных источников MPC.

Резюме

Импульсный источник мегаваттного класса передает свою энергию через три или более ступеней сжатия, и каждая ступень увеличивает общую эффективность, поэтому потери суммируются. В этой статье построена модель потерь на каждой ступени для цепи 2 Дж, 100 Гц, потери 2.0% на каждой ступени разделены на четыре составляющие, и проведено сравнение керамики N4700 с пленочными, маслобумажными и электролитическими средами на быстрой ступени.

1. Введение

В импульсном источнике энергии мощностью от мегаватт до тераватт энергия проходит через три или более ступеней сжатия, прежде чем достигнет нагрузки, и каждая ступень многократно увеличивает общую эффективность.

Три ступени с КПД 95% оставляют 0.95³, или 85.7%, от входной энергии на нагрузке, поэтому 14% каждого джоуля преобразуется в тепло внутри компрессора. Три ступени с КПД 98% обеспечивают 0.98³, или 94.1%, что более чем вдвое увеличивает количество энергии, достигающей импульсной лампы.

При пиковой мощности 10 МВт и частоте 100 Гц разница составляет десятки ватт рассеиваемой мощности, и она отличает компрессор, работающий при 55 °C, от компрессора, работающего при 75 °C, а также срок службы в 10^6 раз от срока службы в 10^5 раз.

Полезный вопрос заключается в том, где именно сосредоточены потери. В цепочке MPC потери обусловлены четырьмя механизмами: диэлектрическими потерями, сопротивлением конденсатора и контура, гистерезисом сердечника и сопротивлением цепи. Выбор компонента изменяет величину потерь, связанных с конденсатором, на порядок, что делает выбор конденсатора наиболее важным решением в компрессоре.

2. Основной механизм

2.1 Правило произведения

Общая эффективность — это произведение эффективности отдельных этапов:

η_total = η_1 × η_2 × η_3

где η_total — эффективность цепи, а η_1–η_3 — эффективность этапов. Результат составляет 85.7% при 95% на этап, 94.1% при 98% и 97.0% при 99%.

Предельная величина КПД ступени наиболее высока в верхней части, поскольку последний 1% на ступени возвращает больше энергии, чем первые 3%. Усилия по проектированию следует направлять на те составляющие, которые могут изменяться, а это — составляющие, связанные с конденсаторами.

2.2 Условия расчета убытков по этапам

Энергия, теряемая на одной стадии сжатия, представляет собой сумму четырех составляющих:

E_loss = E_dielectric + E_ESR + E_hysteresis + E_circuit

где E_loss — энергия, теряемая за импульс в каскаде, а четыре составляющие представляют собой вклад диэлектрика, сопротивления, сердечника и цепи. В виде средней мощности они выглядят следующим образом:

P_dielectric = 2π × f × C × V² × tanδ

где P_dielectric — диэлектрические потери, f — частота каскада, C — емкость каскада, V — среднеквадратичное напряжение, а tanδ — коэффициент диссипации.

P_ESR = I_rms² × ESR

где P_ESR — резистивные потери, I_rms — среднеквадратичный ток в передаточном контуре, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление.

P_hysteresis = k × f^x × B^y × V_core

где P_гистерезис — потери в сердечнике, k, x и y — коэффициенты Штейнметца материала сердечника, B — плотность магнитного потока, а V_core — объем сердечника.

P_circuit = I_rms² × R_loop

где P_circuit — потери в контуре, I_rms — среднеквадратичный ток, а R_loop — сопротивление шины и соединений.

В каскаде, передающем 1000 импульсов класса А, резистивные составляющие зависят от миллиом. Каждый миллиом эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) или сопротивления петли приводит к мгновенным потерям в 1000 Вт, поэтому 10 мОм вместо 60 мОм означает шестикратное уменьшение доминирующей резистивной составляющей.

2.3. Рабочий трехэтапный сплит.

Примите за основу 2 Дж на импульс при частоте 100 Гц, что составляет в среднем 200 Вт, на трех этапах при общей эффективности 94%. Допустимые потери составляют 6% от 2 Дж, или 120 мДж на импульс и в среднем 12 Вт.

Измеренное распределение потерь для хорошо собранной цепи составляет 2.0% на ступень. Ступень 1, медленная ступень с емкостью 4 мкФ при напряжении 1 кВ, имеет потери диэлектрической проницаемости 0.8%, эквивалентного последовательного сопротивления 0.5%, гистерезиса 0.5% и потерь в цепи 0.2%. Ступень 2, ступень с емкостью 49 нФ при напряжении 9 кВ, имеет потери 0.6%, 0.6%, 0.6% и 0.2%.

Третий каскад, быстродействующий на 5.5 нФ при напряжении 27 кВ, имеет диэлектрическую проницаемость 1.2%, эквивалентное последовательное сопротивление 0.4%, гистерезис 0.2% и потери в цепи 0.2%. Диэлектрическая проницаемость является наибольшей в этом каскаде, поскольку 2πfCV²tanδ масштабируется с V², а быстродействующий каскад работает на самой высокой частоте.

Если повысить tanδ до 0.02, как это происходит в пленочных деталях класса II или изношенных деталях, то диэлектрическая проницаемость на этапе 3 увеличивается с 1.2% до 12%. Затем цепочка оказывается около 0.98 × 0.98 × 0.88, или 84.5%.

2.4 Сравнение медиаматериалов для быстрого этапа

На том же этапе при напряжении 27 кВ среда разделяется на порядки величины. Керамика класса I N4700 имеет tanδ около 0.0002, ESR ниже 10 мОм при 100 кГц, коэффициент реверсирования выше 80% и срок службы более 10^6 импульсов.

полипропилен пленочный конденсатор Значения tanδ варьируются от 0.0005 до 0.001, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) составляет 20–60 мОм, коэффициент реверсии менее 40%, а ресурс составляет от 10^5 до 10^6 импульсов.

Маслобумага имеет тангенс угла диэлектрических потерь (tanδ) от 0.005 до 0.01, высокое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и громоздкий корпус. Электролитические компоненты достигают tanδ от 0.05 до 0.2, ESR 50–200 мОм, не имеют устойчивости к обратной полярности и срок службы 10⁴–10⁵ часов.

Только керамика одновременно обеспечивает низкие потери, низкое эквивалентное последовательное сопротивление, высокую устойчивость к реверсивному режиму и длительный срок службы в импульсном режиме, поэтому компрессор класса 94% на практике является керамическим компрессором.

Рис. 1 — На всех трех ступенях потери составляют 2.0%, поэтому эффективность цепи достигает 94.1%; диэлектрик класса II на ступени 27 кВ снижает ее до 84.5%.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Накопленные потери преобразуются в тепло.

Три ступени с КПД 95% оставляют 85.7% энергии на нагрузке, а недостающие 14% идут на нагрев компрессора. При энергии 2 Дж и частоте 100 Гц это составляет 28 Вт непрерывного нагрева.

Этот рост, в свою очередь, влияет на потери, поскольку повышение температуры увеличивает как tanδ, так и ESR, поэтому цепь, начинающаяся с 85.7%, в итоге оказывается значительно хуже.

Проблема 2: Диэлектрические потери сосредоточены на быстром участке цепи.

Член 2πfCV²tanδ масштабируется пропорционально квадрату напряжения и частоте, поэтому каскад на 27 кВ компенсирует диэлектрические потери. Деталь класса II или изношенная пленочная деталь может самостоятельно потреблять 12% энергии импульса.

Затем одна деталь в одной позиции решает, останется ли цепь в классе 94% или попадет в класс 85%.

Проблемный момент 3: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и сопротивление петли при токах класса 1000 А.

При пиковом токе 1000 А сопротивление 60 мОм эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) мгновенно снижает мощность на 60 кВт во время переключения. Компрессоры, построенные с использованием конденсаторов с высоким ESR или длинных шин, теряют 2–4% мощности на каждой ступени только из-за сопротивления.

Измеритель сопротивления постоянному току не сможет выявить проблему, поскольку потери существуют только на частоте импульсов.

Проблема 4: Гистерезис в ядре расходует резерв на покрытие убытков.

Аморфные сердечники рассеивают энергию в каждом цикле, и ни один конденсатор не позволяет полностью исключить это. Энергию необходимо распределять и уменьшать за счет конструкции сердечника: тонкая лента, материал с низкими потерями и надлежащий механизм сброса.

В программах, в которых член, учитывающий гистерезис, отсутствует в модели, он проявляется позже в виде необъяснимой потери на этапе, которую не устраняет замена компонентов.

Проблемный момент 5: превышение количества выстрелов из-за термической спирали.

Каждая потеря эффективности в конденсаторной составляющей приводит к снижению температуры сердечника на один градус. Температура сердечника сдвигает петлю BH и тангенс угла потерь, что увеличивает эффективность.

Частота отказов в компрессорах, КПД которых снизился ниже 90%, возрастает до 10⁵–10⁶ раз, поскольку тепловыделение и потери усиливают друг друга.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: На каждом этапе использовать диэлектрик с наименьшим значением tanδ.

Указывать N4700 Керамические конденсаторы класса I используются во всех компрессионных конденсаторах. На быстром каскаде 27 кВ диэлектрическая проницаемость составляет около 1%, тогда как у конденсаторов класса II она достигает 12%.

Снизьте напряжение до 60–70% от номинального, поскольку диэлектрическая проницаемость зависит от V², и каждый лишний вольт приводит к потерям. Проверьте тангенс угла диэлектрических потерь (tanδ) на частоте каскада и при температуре 85 °C, поскольку компонент, у которого tanδ удваивается при нагреве, увеличивает потери при каждом импульсе.

Стратегия 2: Сначала создайте модель, а затем прототип.

Выделите 2.0% на каждый этап расчетного разделения и присвойте каждому члену измеренное значение компонента перед компоновкой. Измерьте ESR на частоте 100 кГц и поместите сопротивление шины в член I²R.

Протестируйте модель при различных температурах, частоте импульсов и напряжении заряда, затем подтвердите разделение с помощью калориметрии на первом прототипе. резистор выборки На этапе возврата на промежуточный этап измерение текущего значения получает заданную точку отсчета.

Стратегия 3: Устранить резистивные составляющие с помощью подобранных компонентов и коротких шин.

Используйте подобранные пары из одной партии с точностью до ±2% емкости и 5% эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), чтобы ни одна параллельная группа не пропускала непропорционально большую долю тока. Керамические клеммы с винтовым выводом и низким ESL (менее 10 нГн) подходят для быстродействующих каскадов.

Чтобы сопротивление контура не превышало 2 мОм, межступенчатую шину следует делать короткой и ламинированной, а при техническом обслуживании необходимо повторно затягивать соединения, поскольку ослабленное соединение добавляет ровно тот миллиом, который модель не имеет в наличии. градуировочные резисторы Сетевое взаимодействие между последовательно соединенными элементами также обеспечивает равномерное распределение напряжения, что позволяет поддерживать потери в каждой части на запланированном уровне.

Стратегия 4: Управление тепловыделением, выделяемым при повышении эффективности.

Проследите путь от диэлектрика к корпусу, радиатору и окружающей среде с запасом менее 30 °C при максимальной частоте импульсов. Компрессор, достигающий 94%, отводит в пять-шесть раз меньше тепла, чем компрессор с КПД 85%, поэтому кулер уменьшается в размерах.

Добавьте мониторинг температуры корпуса на конденсаторах быстрого каскада, где устойчивое повышение температуры на 5 °C выше базового уровня приводит к росту ESR или tanδ до достижения значения КПД.

Стратегия 5: Измерять эффективность на каждом этапе и поддерживать заданное количество выстрелов.

Измеряйте входную и выходную энергию на каждой ступени с помощью калиброванных датчиков каждые 10^5 импульсов. Снижение эффективности ступени на 0.5% от базового уровня является самым ранним признаком деградации конденсатора или сердечника.

Используйте показатель ресурса импульса в 10^6 импульсов в качестве порогового значения для технического обслуживания и держите запасные части, соответствующие наиболее быстро изнашиваемой позиции. Повторно проводите квалификацию после любой замены носителя, поскольку замена одного из каскадов приводит к повторному открытию диэлектрического зазора.

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 повышения эффективности MPC до уровня МВт.

Выбор на этом узле определяется тремя требованиями: достаточно низкими потерями для достижения класса 94%, сопротивлением, выдерживающим 1000 передач класса А, и диэлектриком, сохраняющим свои значения при изменении температуры и количества импульсов. Компания HVC производит компоненты класса N4700 I для этого комплекта 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.

• Диэлектрик класса I N4700 с тангенсом угла диэлектрических потерь tanδ равным или ниже 0.1% и эквивалентным последовательным сопротивлением ниже 10 мОм на частоте 100 кГц снижает диэлектрическую и резистивную составляющие в 6–100 раз по сравнению с пленочными материалами и средами класса II, что делает достижение 94%-ного выхода вполне достижимым.
• Конструкция с винтовыми клеммами и низким уровнем ESL (менее 10 нГн) обеспечивает низкие потери при передаче на быстродействующем каскаде и поддерживает производительность по dV/dt на уровне класса 270 В/нс.
• Допуск на обратную зарядку выше 80% при частичном разряде ниже 5 пК означает, что эффективность достигается без снижения срока службы, поэтому одна и та же деталь обеспечивает как цепную реакцию с КПД 94%, так и 10^6 циклов зарядки/разрядки.
• Линейный коэффициент, близкий к ±30 ppm/°C, предотвращает термическую расстройку емкости каскада и коэффициента сжатия, поэтому модель остается действительной в диапазоне температур от −25 °C до +125 °C.
• Допуск ±1% в пределах одной партии выравнивает параллельные группы, обеспечивая равномерное распределение резистивных потерь, а охват диапазона напряжений от 1 кВ до 150 кВ позволяет обеспечить все три ступени из одной сертифицированной серии. дверная ручка конденсаторы Тело подходит для быстрого этапа, где петля должна оставаться короткой.
• В трехступенчатой ​​программе мощностью 10 МВт замена пленочных компрессионных конденсаторов на соответствующие керамические N4700 позволила повысить измеренную общую эффективность с 85.2% до 93.6% и снизить температуру конденсатора быстрой ступени с 88 °C до 61 °C при частоте 100 Гц.

Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам VishayКерамика KEMET и Murata, используемая в высоковольтной промышленности, позволяет проводить сопоставление «один к одному» при квалификации производственной цепочки.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты N4700 поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты согласованных ступеней — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в моделировании эффективности каждой ступени, распределении потерь, тепловом моделировании и калориметрической проверке.

Отправьте энергию импульса, частоту импульсов, напряжения и емкости каскадов, ток в контуре и геометрию шины. HVC в течение пяти рабочих дней выдаст рекомендацию по компонентам для каждого каскада с данными tanδ и ESR, целевым сопротивлением контура и комплектом для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое количество энергии фактически передает трехступенчатая цепь?

85.7% при 95% на каждой ступени, поскольку η_total = η_1 × η_2 × η_3, а 0.95³ равно 0.857. Повышение каждой ступени до 98% обеспечивает 94.1%, что более чем вдвое увеличивает количество энергии, достигающей нагрузки, и снижает нагрев внутри компрессора.

В2: Какому термину, обозначающему убытки, следует уделить первоочередное внимание?

Что касается конденсаторов. Диэлектрические потери и эквивалентное последовательное сопротивление — единственные два параметра, на которые выбор компонента влияет на порядок величины. Гистерезис сердечника и сопротивление шины должны учитываться при проектировании и компоновке сердечника, и ни один из них не реагирует на замену конденсатора.

В3: Почему на быстром этапе наблюдаются самые высокие диэлектрические потери?

Поскольку P_dielectric = 2πfCV²tanδ масштабируется пропорционально квадрату напряжения и частоте, а быстрая ступень работает как при самом высоком напряжении, так и при самой высокой частоте, в разработанном варианте диэлектрическая проницаемость составляет 1.2% по сравнению с 0.8% и 0.6% на более медленных ступенях.

Вопрос 4: Каковы потери при эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) 60 мОм и токе 1000 А?

Мгновенная потеря мощности в 60 кВт во время передачи, определяемая как I_rms² × ESR. Измеритель сопротивления постоянного тока этого не заметит, поскольку потери существуют только на частоте импульсов. Снижение сопротивления до 10 мОм уменьшает этот член в шесть раз, поэтому стоит снизить значение ESR.

В5: Что произойдет, если деталь класса II попадет в быстродействующую ступень?

При tanδ = 0.02 диэлектрическая проницаемость увеличивается с 1.2% до 12%, а эффективность цепочки падает примерно до 84.5% вместо 94%. Эта единственная замена снижает эффективность на 8–9 пунктов и повышает температуру быстрой ступени, что затем снова ухудшает оба параметра.

Вопрос 6: Как поддерживается эффективность цепочки на протяжении 10^6 циклов?

Измеряйте входную и выходную энергию на каждой ступени каждые 10^5 выстрелов, сравнивая с базовым показателем, полученным в ходе первых 1000 выстрелов. Падение на 0.5% на одной из ступеней указывает на износ конденсатора или сердечника, а использование соответствующих запасных частей предотвращает повторное возникновение дисбаланса при замене.

7. Рекомендации

1. Куффель, Э., Заенгль, В.С., и Куффель, Дж. Высоковольтная техника: основы, 2-е изд. Оксфорд: 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. МЭК 60384-17:2019, Стационарные конденсаторы для использования в электронном оборудовании - Часть 17: Спецификация по разделам - Стационарные конденсаторы переменного и импульсного тока с металлизированной полипропиленовой пленочной диэлектрической прослойкой, 3-е изд. Женева: МЭК, 2019.
6. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
7. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器. Источник: 中国标准出版社, 2021.
8. Л. Луазель и др., Влияние старения на деградацию масла и склонность к газообразованию при высокоэнергетических электрических разрядах в минеральном масле и синтетическом эфире.Высокое напряжение, том 5, № 6, стр. 731-738, 2020. https://doi.org/10.1049/hve.2019.0291
9. К. Ван, Ю. Конг, П. Фу, Дж. Ван, А. Кумар, К. Олейничак и др., Оценка частичного разряда силового модуля на основе SiC MOSFET с напряжением 3.3 кВ при давлении на высоте полета и переменном напряжении частотой 60 Гц., в сборнике трудов Конгресса и выставки IEEE по преобразованию энергии (ECCE) 2023 года, стр. 5366-5371, 2023. https://doi.org/10.1109/ecce53617.2023.10362648.
10. Заряжая энергией будущее: как высоковольтные многослойные керамические конденсаторы повышают эффективность современной электроникиМурата, https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html .
11. США 9,627,134, Керамический диэлектрический состав и многослойный керамический конденсатор, содержащий тот же самый состав. (Параэлектрическая система Ca-Sr-Zr-Ti), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., выдано в 2017 г., https://www.freepatentsonline.com/9627134.html.
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com