Коэффициент мягкости диода в каскадах магнитоимпульсного сжатия

Коэффициент мягкости диода в каскадах магнитоимпульсного сжатия

Резюме

На этапе сжатия магнитных импульсов быстровосстанавливающийся диод блокирует обратное направление тока и подавляет переходные процессы, а накопленный им заряд определяет, какое напряжение поглощает разделительный конденсатор. Диод с жестким восстановлением отключается и подает в контур импульс 4 кВ плюс 50% колебаний. Импульс возбуждает диэлектрик выше 10 МГц, где напряжение начала частичного разряда ниже, чем при постоянном токе, и повреждения накапливаются при каждом импульсе.

1. Введение

Этап магнитной импульсной компрессии блокирует путь заряда с помощью насыщаемого переключателя, пока разделительный конденсатор заряжается, затем насыщается и передает импульс на следующий этап. Быстровосстанавливающийся диод устанавливается антипоследовательно с переключающим диодом или параллельно с разделительным конденсатором.

Этот диод предотвращает обратное направление тока, ограничивает переходные процессы напряжения и защищает конденсатор от обратного тока магнитного выключателя. Его восстановительные характеристики определяют, насколько хорошо каскад сжимает импульс.

Важны три параметра диода: время восстановления trr, накопленный заряд Qrr и коэффициент мягкости. Диод с жестким восстановлением в момент переключения вводит резкий скачок тока в конденсатор.

Пик напряжения имеет наклон более 100 В/нс и перерегулирование на 10–20% выше расчетного рабочего напряжения. Повторяясь с частотой 6 кГц, это напряжение накапливает эрозию от частичного разряда в диэлектрике и сокращает срок службы детали на порядок.

2. Основной механизм

2.1 Накопленный заряд и пиковый ток восстановления

Когда диод переходит из режима прямой проводимости в режим обратного смещения, накопленный неосновной заряд должен быть выведен до того, как переход сможет заблокироваться. Пиковый ток восстановления зависит от заряда и времени восстановления:

I_rr_peak = 2 × Qrr / trr

где I_rr_peak — пиковый обратный ток в амперах, Qrr — накопленный заряд в кулонах, а trr — время обратного восстановления в секундах.

При накопленном заряде 5 мкКл и времени восстановления 30 нс пиковое значение составляет 333 А. Оптимизированный по стоимости диод с зарядом 20 мкКл и временем восстановления 100 нс достигает тока 400 А.

Ток восстановления имеет форму треугольника, который поднимается до пика и затем снова спадает до нуля. Скорость спада, а не пиковое значение, определяет величину напряжения, развиваемого индуктивностью контура.

2.2 Скачок напряжения на конденсаторе

Ток восстановления протекает через разделительный конденсатор и контур локальной обратной связи, создавая переходное напряжение, состоящее из двух частей:

ΔV = I_rr_peak × ESR + L_loop × dI_rr/dt

где ΔV — переходное напряжение в вольтах, I_rr_peak — пиковый ток восстановления в амперах, ESR — последовательное сопротивление конденсатора в омах, L_loop — индуктивность контура в генри, и dI_rr/dt — наклон кривой тока в амперах в секунду.

Резистивная составляющая остается небольшой: 333 А через 10 мОм составляет 3.3 В. Преобладает индуктивная составляющая. Петля в 60 нГн вокруг диода и конденсатора, восстановление которой происходит за 5 нс, создает напряжение 60×10^-9 × 333 / 5×10^-9, или 4.0 кВ.

На конденсаторе с напряжением 30 кВ, удерживаемом на уровне 95% от номинального, импульс напряжения 4.0 кВ доводит напряжение диэлектрика до 32.5 кВ. Это переходный процесс, который запускает частичный разряд в цикле переключения.

2.3 Фактор мягкости и форма шипа

Коэффициент мягкости описывает, как затухает ток восстановления:

SR = trr_2 / trr_1

где SR — коэффициент мягкости, trr_1 — время от пересечения нулевой отметки текущего значения до обратного пика в секундах, а trr_2 — время от пика до нуля в секундах.

Жесткий диод с коэффициентом SR ниже 0.3 отводит свой заряд за короткий промежуток времени, поэтому контур имеет крутой наклон. Мягкий диод с коэффициентом SR выше 0.5 распределяет отвод заряда на более длительный интервал, и затухание в контуре поглощает его.

При фиксированном значении 5 мкКл и 30 нс пик соответствует соотношению ΔV = L × I_rr_peak × (1 + 1/SR) / trr. При SR 0.2 это составляет 4.0 кВ; при SR 0.5 — 2.0 кВ; при SR 1.0 — 1.33 кВ.

Резкий скачок напряжения также возбуждает резонанс в контуре между индуктивностью контура и емкостью связи. Эти колебания суммируются до 50% с первым выбросом, поэтому скачок напряжения в 4.0 кВ превращается в 6 кВ на клеммах конденсатора.

2.4 Наклон на клеммах конденсатора

Ток восстановления заряжает непосредственно емкость связи, поэтому наклон напряжения на клеммах следует за током:

dV/dt_cap = I_rr_peak / C_coupling

где dV/dt_cap — наклон на выводах конденсатора в вольтах в секунду, I_rr_peak — пиковый ток восстановления в амперах, а C_coupling — емкость связи в фарадах.

При токе 333 А на конденсаторе 3 нФ наклон кривой составляет 111 В/нс. Диод с жестким восстановлением на 400 А увеличивает его до 133 В/нс. Выше 10 МГц напряжение начала частичного разряда диэлектрика ниже, чем при постоянном токе, поскольку пространственный заряд не успевает перераспределиться между циклами.

2.5. Энергия восстановления в конденсаторе

Ток восстановления также выделяет тепло в эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR). За один треугольный импульс энергия составляет:

E_rr = I_rr_peak² × ESR × trr / 3

где E_rr — энергия на одно восстановление в джоулях, I_rr_peak — пиковый ток в амперах, ESR — последовательное сопротивление на частоте восстановления в омах, а trr — время восстановления в секундах.

При токе 400 А, времени релаксации 100 нс и эквивалентном последовательном сопротивлении 50 мОм на частоте восстановления каждый импульс выделяет 267 мкДж тепла. При частоте 6 кГц это составляет 1.6 Вт тепла внутри детали, и ни один из существующих тепловых расчетов не учитывает это значение.

2.6 Дрейф накопленного заряда в зависимости от температуры перехода

Время жизни неосновных носителей заряда увеличивается с повышением температуры, поэтому и накопленный заряд также возрастает:

Qrr(Tj) = Qrr_25 × (1 + 0.01 × ΔTj)

где Qrr(Tj) — накопленный заряд при рабочей температуре перехода в кулонах, Qrr_25 — значение при 25 °C в кулонах, а ΔTj — повышение температуры перехода выше 25 °C в кельвинах.

Повышение температуры на 40 К увеличивает накопленный заряд на 40 %, а вместе с ним и ток восстановления. Поэтому нагрузка на конденсатор при рабочей температуре оказывается больше, чем при вводе в эксплуатацию, и это изменение проявляется только через несколько месяцев эксплуатации.

Рис. 1 — Петля 60 нГн преобразует восстановительный ток 333 А в импульс 4.0 кВ при коэффициенте мягкости 0.2 и 2.0 кВ при 0.5, при предельном перенапряжении 3 кВ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Диоды выбираются исключительно на основе их характеристик.

В оптимизированных по стоимости конструкциях часто выбирают быстровосстанавливающийся диод, исходя из его номинальных значений напряжения и тока, без указания параметров trr или Qrr. Компонент с временем восстановления 100 нс и зарядом 20 мкКл выдает ток восстановления 400 А в течение 100 нс.

На выводах конденсатора наблюдается наклон кривой 133 В/нс. Деталь, рассчитанная на работу в режиме постоянного тока, выходит из строя в течение нескольких тысяч часов, и в отчете описывается случайный дефект качества.

Болевой пункт 2: Звучание петли после тяжелого периода восстановления.

Резкий восстановительный пик возбуждает резонанс между индуктивностью петли и емкостью связи. Колебания достигают 50% от начального перерегулирования.

Затем конденсатор поглощает от 15% до 25% напряжения, превышающего его расчетное рабочее напряжение, при каждом выстреле. Эти же колебания передаются в цепь запуска, где они сдвигают момент переключения каскада.

Проблемный момент 3: Накопленный заряд увеличивается с повышением температуры.

Значение Qrr возрастает с повышением температуры перехода на 20–50% по сравнению со значением при комнатной температуре на частоте 6 кГц. Следовательно, ток восстановления при рабочей температуре больше, чем значение, измеренное при вводе в эксплуатацию.

Напряжение в конденсаторе возрастает пропорционально его работе. На этапе проектирования эти изменения не учитываются, и отказ проявляется лишь через несколько месяцев эксплуатации.

Проблема 4: Рекуперативный нагрев вне теплового расчетного диапазона.

Ток восстановления протекает через эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR), и на частоте восстановления это ESR в несколько раз превышает его значение в постоянном токе. При токе 400 А и времени 100 нс на нагрузке 50 мОм энергия одного импульса составляет 267 мкДж.

При частоте 6 кГц это составляет 1.6 Вт непрерывного тепловыделения. Это никогда не учитывалось в тепловых расчетах и ​​ускоряет термическое старение диэлектрика.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Укажите trr, Qrr и коэффициент мягкости.

Выбрать быстровосстанавливающийся диод с обратным восстановлением не более 35 нс, накопленным зарядом не более 5 мкКл и коэффициентом мягкости не более 0.5. Эти три параметра позволяют удерживать ток восстановления и наклон на выходе в пределах допустимых значений для диэлектрика.

Измерьте trr и Qrr при рабочей температуре перехода. Данные в технической документации, рассчитанные при комнатной температуре, занижают значение накопленного заряда на 20–50% при температурах, достигаемых герметичным модулем.

Стратегия 2: Сглаживание переходного процесса восстановления

Добавьте 0.5 Ом к 2 Ом толстопленочный резистор Резистор последовательно с разделительным конденсатором ограничивает пиковый ток восстановления и поглощает часть его энергии. Резистор должен удерживать эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) ниже 10 нГн, иначе он увеличивает индуктивность контура, вызывая скачок напряжения.

Подтвердите затухание при полном напряжении на прототипе. Подтвердите его еще раз при рабочей температуре перехода, где накопленный заряд увеличился.

Стратегия 3: Выберите разделительный конденсатор для восстановительного стресса.

Выберите N4700 Если диэлектрик имеет коэффициент диэлектрической проницаемости (DF) ниже 0.1% и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ниже 10 мОм при постоянном токе, то снова измерьте ESR на частоте восстановления и используйте это значение в расчете потерь. Укажите частичный разряд при уровне 5 пКл или ниже, чтобы диэлектрик поглощал наклон кривой без инициирования разряда.

Поддерживайте температурный коэффициент на уровне ±30 ppm/°C. Соединительная емкость, изменяющаяся с температурой, сдвигает резонанс петли и, следовательно, амплитуду колебаний, что и является механизмом, лежащим в основе болевого синдрома 2.

Стратегия 4: Добавить демпфирующий провод параллельно диоду.

Установите низкоиндуктивный RC-демпфер параллельно диоду, чтобы поглотить энергию восстановления и ограничить крутизну на конденсаторе. Размер демпфирующего конденсатора должен быть не менее чем в 10 раз больше емкости перехода диода, а сопротивление демпфирующего резистора должно соответствовать импедансу контура.

Используйте тот же класс диэлектрика для демпфирующего конденсатора, что и для разделительного конденсатора, чтобы обе детали изнашивались по одной и той же кривой, и демпфирующий конденсатор продолжал работать по мере старения каскада.

Стратегия 5: Внести данные о восстановлении в модель волновой формы.

Введите в моделирование схемы параметры trr, Qrr и коэффициент мягкости и спрогнозируйте переходный процесс восстановления и наклон кривой на конденсаторе. Сравните прогноз с измерениями и рассматривайте разницу как неучтенную индуктивность контура плюс температурный дрейф Qrr.

Повторяйте выбор диода и конденсатора до тех пор, пока смоделированный наклон не окажется как минимум на 20% ниже номинального предела компонента. пленочный конденсатор Керамические детали редко имеют такой предел прочности, поэтому попробуйте оба варианта, прежде чем делать окончательный выбор.

Стратегия 6: Контроль температуры диода и эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора (ESR).

Отслеживайте температуру корпуса диода и эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR) как два самых ранних индикатора этого вида отказа. Повышение температуры диода означает увеличение добротности Qrr и более сильные переходные процессы восстановления; повышение ESR конденсатора означает накопление усталости от этих переходных процессов.

Установите порог срабатывания системы технического обслуживания на уровне 20% отклонения от базового значения при вводе в эксплуатацию по любому из параметров и используйте резистор с низкой индуктивностью для выборки, чтобы обеспечить воспроизводимость измерений за импульс.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Повторяющееся пиковое обратное напряжение	10 кВ VRRM	Серия 2CL, 25 °C
Средний прямой ток	0.8 A IF(AV)	прямоугольная волна, Tc при температуре 85 °C или ниже
Прямой импульсный ток	100 А при 8.3 мс	одиночный импульс, IFSM
Время обратного восстановления	ниже 1 мкс трр	мягкий восстановительный класс
Емкость перехода	25 пФ типично	VR = 4 кВ, 1 МГц
Рабочая Температура	от −55 °C до +125 °C	Tj макс
ток утечки	ниже 5 мА при VRRM	25 °C, полная мощность

5. Конденсаторы HVC N4700 для сжатия магнитных импульсов

Выбор параметров на этом узле определяется четырьмя требованиями: достаточно низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), чтобы ток восстановления выделял мало тепла; достаточно низким уровнем частичного разряда для обеспечения крутизны характеристики на выводах 111 В/нс; достаточно стабильной емкостью, чтобы резонанс петли не смещался; и достаточно низким эквивалентным внутриэлектродным сопротивлением (ESL), чтобы конденсатор не вносил вклад в петлю, вызывающую скачок напряжения. Компания HVC производит оборудование, соответствующее этим требованиям, на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение DF ниже 0.1% при ESR ниже 10 мОм на постоянном токе снижает энергию восстановления, которую диэлектрик должен отдавать за один цикл разряда, до 267 мкДж.
• Испытание на 100% частичный разряд при токе 5 пКл или ниже охватывает диапазон 111 В/нс, при котором ток 333 А на конденсаторе 3 нФ подается на клеммы.
• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C поддерживает постоянную емкость связи, а следовательно, и резонанс петли, благодаря чему амплитуда колебаний остается предсказуемой.
• ESL ниже 30 нГн от пакета HVCT8G и от дверная ручка конденсаторы ограничивает долю конденсатора в контуре 60 нГн, который преобразует ток восстановления в напряжение.
• HVRGXP Демпфирующие резисторы с ESL ниже 10 нГн поглощают переходный процесс восстановления, а быстродействующие диоды с мягким восстановлением, имеющие trr от 25 нс до 35 нс и SR выше 0.5, завершают этот этап, образуя единый, прошедший проверку комплект.
• Корпуса винтовых клемм до 40 кВ прошли квалификацию в качестве замены японских винтовых конденсаторов Murata в программах полевого ремонта источников света. Компоненты HVC соответствуют параметрам Murata, высоковольтные серии TDK и Vishay.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты компрессионных элементов — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в характеризации диодов, моделировании схем, а также в анализе конструкции демпфирующих и гасящих колебаний.

Отправьте значения Qrr и trr диода, индуктивность контура, емкость связи, рабочее напряжение и частоту повторения. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит значение ESR на частоте восстановления, значение демпфирующего резистора, рекомендации по демпфирующей схеме и комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой скачок напряжения вызывает диод с жестким восстановлением?

При SR 0.2, накопленном заряде 5 мкКл и времени восстановления 30 нс индуктивность контура создает напряжение 4.0 кВ из ΔV = I_rr_peak × ESR + L_loop × dI_rr/dt. Колебания контура добавляют еще 50%, что создает напряжение 6 кВ на конденсаторе. Мягкий диод при SR 0.5 уменьшает первый пик до 2.0 кВ.

В2: Почему фактор мягкости важнее, чем trr?

Поскольку скорость спада определяет индуктивный член. При фиксированном заряде и времени восстановления пик следует формуле L × I_rr_peak × (1 + 1/SR) / trr, поэтому SR 0.2 дает 4.0 кВ, а SR 0.5 — 2.0 кВ при прочих равных условиях. Диод с большим trr и резким скачком может все равно создавать больший пик, чем более короткий и мягкий диод.

В3: Каков размер наклона кривой на клеммах конденсатора?

dV/dt_cap = I_rr_peak / C_coupling. При токе 333 А на 3 нФ это составляет 111 В/нс, а диод с жестким восстановлением на 400 А увеличивает его до 133 В/нс. Выше 10 МГц напряжение начала частичного разряда диэлектрика ниже, чем при постоянном токе, поэтому эрозию определяет наклон кривой, а пиковое напряжение — нет.

Вопрос 4: Какое количество тепла выделяется в процессе рекуперации?

E_rr = I_rr_peak² × ESR × trr / 3. При токе 400 А, времени релаксации 100 нс и сопротивлении 50 мОм на частоте восстановления один импульс выделяет 267 мкДж, а импульсная последовательность с частотой 6 кГц — 1.6 Вт. Эта нагрузка находится за пределами теплового расчета, построенного только на основе основного импульса.

В5: Зачем измерять накопленный заряд при определенной температуре?

Поскольку время жизни неосновных носителей заряда увеличивается с температурой, Qrr(Tj) = Qrr_25 × (1 + 0.01 × ΔTj). Повышение температуры на 40 К добавляет 40% к накопленному заряду и к току восстановления. Таким образом, данные, приведенные в техническом описании при 25 °C, недооценивают нагрузку, которой подвергается конденсатор в герметичном модуле.

Вопрос 6: Какая самая дешевая защита для конденсатора?

Последовательно включенный демпфирующий резистор сопротивлением от 0.5 до 2 Ом с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн и диод с мягким восстановлением и коэффициентом SR выше 0.5. Добавление RC-демпфера параллельно диоду с конденсатором, емкость которого как минимум в 10 раз превышает емкость перехода диода, поглощает оставшуюся часть импульса. Вместе они удерживают пиковое напряжение ниже линии перенапряжения 3 кВ при номинальном напряжении 30 кВ.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., 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 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
6. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器. Источник: 中国标准出版社, 2021.
7. 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.
8. П. Морсхейс и М. Йероенсе, Пространственный заряд в изоляции высоковольтного кабеля постоянного тока, в ежегодном отчете конференции IEEE 1997 года по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям, стр. 28-31, 1997. https://doi.org/10.1109/ceidp.1997.634551.
9. Руководство по применению IGBT-транзисторов Fuji, Глава 5 — Проектирование схем защиты (REH984)Fuji Electric, REH984, https://www.fujielectric.com/device/semi/technical/application/pdf/REH984/REH984_05.pdf .
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