Выбор быстровосстанавливающегося диода для защиты от перенапряжения в драйвере насоса

Выбор быстровосстанавливающегося диода для защиты от перенапряжения в драйвере насоса

Резюме

Повреждения от обратного импульсного напряжения составляют от 20% до 30% отказов диодов накачки и проявляются в виде медленной потери мощности в течение тысяч часов. В этой статье выводятся параметры обратного переходного процесса, напряжения ограничения, энергии восстановления, защитного зазора и требований к демпфирующей цепи, перечисляются четыре проблемных момента в полевых условиях и предлагаются шесть стратегий выбора драйвера на 50 А.

1. Введение

Массивы волоконных лазеров накачки работают с током от 10 до 60 А при напряжении от 1.8 до 4.5 В на каждый переход, на длинах волн 915 нм или 976 нм в зависимости от конструкции. Стоимость одного модуля составляет от 2,000 до 15,000 долларов США, а замена подразумевает перекалибровку лазерной головки.

Основная угроза заключается в обратном переходном процессе, возникающем во время переключения. Когда переключатель выключается, спад тока через индуктивность стока приводит к изменению направления напряжения на массиве.

Полупроводниковые лазерные диоды пробиваются при обратном напряжении от 5 до 15 В. Переходный процесс выше этого уровня, даже в течение нескольких наносекунд, вызывает лавинный ток через переход.

Лавина нагревает покрытие грани и создает дефекты в виде темных линий, которые распространяются вдоль кристаллической решетки. Выходная мощность падает в течение последующих 2,000–5,000 часов, спустя долгое время после события, вызвавшего это падение.

Согласно данным сервисной службы, обратные импульсы являются причиной 20-30% отказов диодов насоса. В этой статье выводятся уравнения защиты, перечисляются четыре проблемные точки в полевых условиях и предлагаются шесть стратегий для пары диод-конденсатор, позволяющих удерживать мощность массива ниже порогового значения.

2. Основной механизм

2.1 Обратное напряжение от индуктивности стока

Переключатель сопротивляется изменению тока за счет индуктивности в цепи стока:

V_reverse = −L_parasitic × di/dt = −L_parasitic × I_peak / t_fall

где V_reverse — переходный процесс на переключателе, L_parasitic — индуктивность контура стока, I_peak — импульсный ток, а t_fall — время спада тока.

Изменение тока на 50 А за 10 нс на величину 10 нГн приводит к возникновению напряжения 50 В. Часть этого переходного процесса передается через емкость цепи к массиву, где она поступает в виде обратного смещения, не имеющего собственного пути для протекания тока.

2.2 Ограничивающее действие быстровосстанавливающегося диода

Диод, расположенный параллельно массиву, проводит ток при изменении направления переходного процесса и удерживает напряжение на уровне его прямого падения:

V_clamp = V_f_diode + R_on_diode × I_reverse

где V_clamp — напряжение в замкнутом состоянии, V_f_diode — падение напряжения в прямом направлении при пиковом обратном токе, R_on_diode — динамическое сопротивление в открытом состоянии, а I_reverse — обратный ток.

Кремниевый элемент с прямым падением напряжения 0.8 В и сопротивлением в открытом состоянии 10 мОм ограничивает ток 50 А при напряжении 1.3 В, что обеспечивает большой запас по сравнению с пороговым значением 5 В. Диод достигает этого состояния только после истечения времени восстановления.

2.3 Энергия обратного восстановления

Накопленный заряд перехода должен покинуть диод до того, как он заблокируется, что приводит к затратам энергии на каждом цикле:

E_rr = ½ × Q_rr × V_R

P_rr = E_rr × f_sw

где E_rr — энергия восстановления за одно событие, Q_rr — заряд обратного восстановления, V_R — обратное напряжение диодных блоков, P_rr — средние потери при восстановлении, а f_sw — частота переключения.

Диод с восстановительным зарядом 50 нКл при напряжении 100 В накапливает 2.5 мкДж на одно событие, что составляет 1.25 Вт при частоте 500 кГц. Это тепло отводится через корпус, а предельная температура перехода от 150 °C до 175 °C определяет способ монтажа корпуса.

2.4 Защитный зазор и требования к демпфирующей балке

В течение периода восстановления диод проводит ток в обратном направлении и не может ограничивать ток. В течение этого интервала массив остается открытым:

t_gap = t_rr + t_junction_charge

где t_gap — защитный зазор, t_rr — время обратного восстановления диода, а t_junction_charge — время, необходимое заряду перехода для ухода.

Демпфирующий конденсатор пропускает ток через этот зазор, и колебания его напряжения следуют за поглощенным им зарядом:

ΔV_snubber = I_peak × t_gap / C_snubber

где ΔV_snubber — амплитуда колебаний демпфирующего резистора, а C_snubber — его емкость. При зазоре 30 нс, токе 50 А и емкости 1 мкФ амплитуда колебаний составляет 1.5 В.

Индуктивность контура также повышает напряжение на конденсаторе на переднем фронте:

V_cap_clamp = I_peak × √(L_parasitic / C_snubber)

где V_cap_clamp — пиковое напряжение, достигаемое конденсатором. При индуктивности 10 нГн и емкости 1 мкФ пиковое значение составляет 5 В, а компонент емкостью 100 нФ достигнет 15.8 В, что выше порогового значения большинства диодов накачки.

Рис. 1 — Без демпфирующего элемента массив подвергается полному переходному процессу с напряжением 50 В; блок N4700 емкостью 1 мкФ поддерживает напряжение на уровне 5 В, пока диод не восстановится за 30 нс.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Время восстановления превышает период действия защиты.

Диод с обратным восстановлением от 50 до 100 нс подходит для низкочастотных драйверов, где период составляет десятки микросекунд. На частоте 500 кГц период составляет 2 мкс, а 50 нс — 2.5% от него.

Разница также масштабируется с частотой по-другому: заряд демпфирующего элемента на одно событие остается неизменным, но средние потери растут с f_sw, а тепло, выделяемое при восстановлении, попадает внутрь корпуса.

Проблемный момент 2: Падение вперед, увеличивающее нагрузку на массив.

В понижающем преобразователе ток нагрузки протекает по цепи свободного хода на протяжении всего интервала выключения. Падение напряжения на 1.2 В при токе 50 А и коэффициенте заполнения 50% означает средний ток диода 25 А и потери проводимости 20 Вт.

Это же падение напряжения также определяет напряжение питания, которое массив получает в выключенном состоянии, что уменьшает запас между рабочей точкой и порогом повреждения.

Проблемный момент 3: Резонанс емкости перехода с петлей.

Емкость перехода силового диода составляет от 100 пФ до 1 нФ и колеблется в зависимости от индуктивности стока:

f_resonant = 1 / (2π × √(L_parasitic × C_junction))

где f_resonant — частота кольца, L_parasitic — индуктивность петли, а C_junction — емкость перехода диода. При индуктивности 10 нГн и емкости 500 пФ частота кольца составляет 71 МГц, а период — 14 нс.

Если диоду требуется более одного периода для проведения тока, кольцо нарастает до того, как сработает ограничитель, и пиковое значение превышает заданный уровень ограничения.

Проблемный момент 4: Накопительные потери при восстановлении приводят к повышению температуры в месте соединения.

Потери на восстановление возрастают с увеличением частоты переключения. Диод с емкостью 100 нКл при напряжении 100 В и частоте 500 кГц рассеивает 2.5 Вт потерь на восстановление в дополнение к потерям проводимости.

При теплопроводности 20 Вт в том же корпусе, общая мощность достигает 22.5 Вт. При 5 °C/Вт это на 112 °C выше температуры платы, что приводит к превышению предельной температуры перехода на нагретой плоскости.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Поддерживайте время восстановления ниже 30 нс.

Укажите быстровосстанавливающийся диод с обратным восстановлением 30 нс или менее для драйверов с частотой выше 200 кГц. Это ограничивает зазор защиты и заряд, который должен переносить демпфирующий резистор.

При 30 нс и 50 А заряд в зазоре составляет 1.5 мкКл, тогда как для участка длительностью 100 нс он равен 5 мкКл. На демпфирующем конденсаторе емкостью 1 мкФ размах напряжения составляет 1.5 В против 5 В, что является разницей между безопасным и открытым массивом.

Стратегия 2: Снизить падение напряжения в прямом направлении ниже 0.8 В.

При напряжении шины ниже 100 В диод Шоттки на основе карбида кремния полностью устраняет восстановительный заряд при прямом падении напряжения от 1.2 до 1.5 В. Большее падение напряжения приводит к потерям проводимости в цепи свободного хода и полностью устраняет защитный зазор.

При напряжении выше 100 В используйте кремниевый быстровосстанавливающийся элемент с оптимизированным профилем легирования, который удерживает падение напряжения в прямом направлении ниже 0.8 В при номинальном токе, и смиритесь с временем восстановления от 25 до 30 нс при наличии демпфирующего контура, подключенного к массиву.

Стратегия 3: Преодоление разрыва за счет емкости класса I.

Поместите 1 мкФ N4700 Емкость (T3M) непосредственно между клеммами массива с петлей менее 2 нГн. При 50 А и 10 нГн пиковое значение удерживается на уровне 5 В, что находится внутри порога повреждения диода накачки.

Температурный коэффициент ±30 ppm/°C и диэлектрическое поглощение ниже 0.05% обеспечивают стабильную работу зажима от холодного запуска до установившегося состояния. В местах с более высоким давлением в шине... пленочный конденсатор выполняет ту же функцию.

Стратегия 4: Добавить TVS-диод в качестве второго слоя.

Подключите параллельно с ограничительным диодом ограничитель переходных напряжений напряжение от 6 до 8 В к массиву. Время срабатывания ограничителя переходных напряжений составляет менее наносекунды, и массив удерживается ниже порогового значения для переходных процессов, превышающих возможности ограничителя.

Два слоя охватывают разные временные масштабы: конденсатор и TVS улавливают первые наносекунды, а быстровосстанавливающийся диод переносит энергию оставшейся части события.

Стратегия 5: Усиление контура защиты

Проложите ограничительный диод, демпфирующий контур и массив проводников в виде одного плотного контура, используя не менее двух параллельных переходных отверстий на каждое соединение, и разместите все компоненты на одном слое. Защитный контур с индуктивностью менее 5 нГн обеспечивает соответствие характеристик заданным параметрами компонентов.

Соедините петлю с резистор выборки и HVCT8G Демпфирующий вывод, поддерживающий своё импеданс на переходных частотах.

Стратегия 6: Разработайте схему теплоотвода зажимного устройства.

Установите диод на специальную медную площадку с теплоотводящими переходными отверстиями во внутреннюю плоскость и установите целевое сопротивление корпуса на уровне 1 °C/Вт. В этом случае мощность 22.5 Вт, характерная для «проблемной точки 4», повысит температуру перехода на 22.5 °C вместо 112 °C.

В тех случаях, когда преобладают потери проводимости, синхронное выпрямление устраняет падение мощности в свободном ходе и оставляет только 2.5 Вт потерь на восстановление, которые не требуют специального охлаждения.

Высоковольтный выпрямительный резистор, используемый в этом же драйвере, соответствует параметрам, указанным ниже.

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 ≤ 85 °C
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 тип.	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. Компоненты HVC для защиты от обратного перенапряжения

На этом этапе выбор определяется тремя требованиями: диод, начинающий проводить ток внутри зазора, конденсатор, удерживающий напряжение массива ниже порогового значения в этом зазоре, и компоненты, сохраняющие оба свойства на протяжении всего срока службы. Компания HVC производит конденсаторы класса I N4700 (T3M) на основе SrTiO3 и быстровосстанавливающиеся кремниевые диоды с платиновым примесью на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, с номинальным напряжением диодов от 1 кВ до 100 кВ и от 100 В до 600 В.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Обратное восстановление с 25 нс до 30 нс за счет легирования платиной уменьшает заряд в зазоре до 1.5 мкКл по сравнению с 5 мкКл для участка длительностью 100 нс.
• Падение напряжения в прямом направлении составляет от 0.7 В до 0.9 В при номинальном токе, что снижает потери проводимости на 20–30% по сравнению со стандартным быстровосстанавливающимся элементом.
• Емкость демпфирующего контура N4700 с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) ниже 30 мОм на частоте 100 МГц и коэффициентом ±30 ppm/°C обеспечивает устойчивость при напряжении 5 В во всем диапазоне температур.
• Диэлектрическое поглощение ниже 0.05%, что позволяет сохранять память об остаточном напряжении близкой к нулю и обеспечивать стабильность фиксации напряжения от импульса к импульсу.
• Емкость остается в пределах 2% после 50 000 часов при 85 °C, а дрейф в прямом направлении составляет менее 5% после 10 000 часов, поэтому обе составляющие защиты сохраняют свои значения.
• Подходит для установки в устройства ведущих производителей. Винтовой компонент 40 кВ/441 соответствует электрическим параметрам и габаритам корпуса. Murata Винтовые конденсаторы в программе полевого ремонта источников света для литографии.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в моделировании обратного напряжения, расчете размеров демпфирующих элементов и тепловом анализе диодов для каскада накачки.

Отправьте данные о напряжении шины, пиковом токе, времени спада, индуктивности контура, пороге повреждения и частоте переключения. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит список компонентов с данными по восстановлению и зажимам, а также комплект для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какова величина обратного переходного процесса, генерируемого драйвером?

Это соответствует соотношению L × I/t. При индуктивности стока 10 нГн, токе 50 А и времени спада 10 нс переходный процесс достигает 50 В, что значительно превышает допустимый ток пробоя диода накачки от 5 до 15 В.

В2: Почему быстровосстанавливающийся диод не может обеспечить защиту самостоятельно?

Потому что ему нужно время на восстановление, прежде чем он заблокируется. Устройство с временем отклика 30 нс оставляет 30-нс паузу, в течение которой массив наблюдает переходный процесс. Демпфирующий конденсатор пропускает ток через эту паузу.

В3: Какова необходимая емкость демпфирующего контура для зазора?

Действуют два условия. Заряд в зазоре определяет ΔV = I × t_gap/C, а индуктивность контура определяет V = I√(L/C). При токе 50 А, времени задержки 30 нс и индуктивности 10 нГн, 1 мкФ дает 1.5 В от заряда и 5 В от индуктивности. Компонент емкостью 100 нФ достигнет 15.8 В.

Вопрос 4: Во сколько обходится обратная рекуперация тепла?

E_rr = ½ Q_rr V_R. Диод 50 нКл, блокирующий 100 В, накапливает 2.5 мкДж на одно событие, что составляет 1.25 Вт при 500 кГц. Компонент с чувствительностью 100 нКл удваивает это значение до 2.5 Вт, и корпус должен это выдерживать.

В5: Каковы потери проводимости в диоде свободного хода?

В течение периода простоя он пропускает ток нагрузки. При токе 50 А и коэффициенте заполнения 50% это составляет 25 А среднего тока, что соответствует мощности 20 Вт при падении напряжения 0.8 В. Синхронное выпрямление исключает этот член и оставляет только потери на восстановление.

В6: Куда устанавливается TVS-диод?

Параллельно с ограничительным диодом, рассчитанным на напряжение от 6 до 8 В, с временем отклика менее наносекунды. Он охватывает первые наносекунды, в течение которых конденсатор и ограничительный диод еще не взяли на себя управление, и удерживает массив ниже порогового значения для сильных переходных процессов.

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. М. Сяо и др., Исследование характеристик частичного разряда и самовосстановления металлизированной пленки конденсаторов., в 2024 IEEE 5th International Conference on Dielectrics (ICD), стр. 1-4, 2024. https://doi.org/10.1109/icd59037.2024.10613348
6. AN2001_06 — Последовательное соединение IGBT-транзисторов, Infineon Technologies, AN2001_06, http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN2001_06_Series_connection_of_IGBTs-AN-v1.0-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b40f000d12f7 .
7. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
8. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
9. Эй Джей Моулсон и Дж. М. Герберт, Электрокерамика: материалы, свойства, области применения., 2-е изд. Чичестер: Wiley, 2003.
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com