Быстровосстанавливающаяся защита от импульсных перенапряжений диодов в сетях УФ-зажигания

Быстровосстанавливающаяся защита от импульсных перенапряжений диодов в сетях УФ-зажигания

Резюме

Схема зажигания УФ-лампы высвобождает накопленную энергию за микросекунды, а ограничительный диод поглощает эти импульсы и создает свой собственный. В этой статье приводятся арифметические вычисления заряда восстановления, импульсного напряжения, энергии лавинного пробоя и рассеиваемой энергии для триггера на 20 кВ, срабатывающего повторно с частотой 1 кГц, четырех режимов отказа поля, правил выбора диода и демпфирующей цепи, а также схемы подключения зонда для проверки контура.

1. Введение

Схема зажигания УФ-лампы включает в себя коммутирующее устройство, его ограничительный диод, пусковой трансформатор и демпфирующий контур. Каждая попытка зажигания высвобождает накопленную энергию за несколько микросекунд, и возникающие скачки напряжения превышают номинальный ток в установившемся режиме для каждого элемента в цепи.

Быстровосстанавливающийся диод выступает в роли защитника этой сети. Он ограничивает напряжение обратного хода, сбрасывает сердечник трансформатора и отводит энергию импульсного перенапряжения от выключателя.

Диод также страдает от скачков напряжения, которые он подавляет. Его восстановительное поведение определяет, защищает ли он контур или добавляет собственный импульс, а разница между этими двумя результатами определяется величиной t_rr и индуктивностью контура.

В этой статье приводятся арифметические расчеты заряда восстановления, значения пикового и лавинного тока, четыре режима отказа в полевых условиях, выбор класса диода и демпфирующего элемента, а также измерение, завершающее проектирование.

2. Основной механизм

2.1 Ток обратного восстановления

Когда диод вынужден блокировать напряжение, которое меняет направление за десятки наносекунд, накопленный заряд в переходе вытекает в виде обратного тока.

i_rrm = Q_rr / t_rr

где i_rrm — пиковый ток обратного восстановления, Q_rr — заряд обратного восстановления, а t_rr — время восстановления. Диод с зарядом восстановления 2 мкКл и временем восстановления 50 нс подает в контур обратный ток 40 А, что соответствует порядку величины прямого импульса, который он ограничивал.

2.2 Всплеск восстановления на индуктивности контура

Этот ток схлопывается через индуктивность контура, и индуктивность преобразует ступенчатый ток в ступенчатое напряжение.

ΔV = L_loop · di/dt

где ΔV — пиковое напряжение, L_loop — индуктивность контура, а di/dt — скорость, с которой спадает восстановительный ток. Восстановительный ток 40 А, спадающий за 50 нс, дает 800 А/мкс, а ток утечки трансформатора 2 мкГн преобразует его в 1.6 кВ.

2.3 Потери при восстановлении и средняя мощность

Каждое событие восстановления рассеивает заряд, протекающий в то время, когда напряжение уже изменено на противоположное.

E_sw = 0.5 · V_clamp · Q_rr

где E_sw — энергия на одно событие восстановления, V_clamp — напряжение фиксации, а Q_rr — заряд восстановления. При 1.1 кВ и 2 мкКл событие обходится в 1.1 мДж. При частоте зажигания 10 Гц среднее значение составляет 11 мВт, а при частоте повторных зажиганий импульсно-модулированной лампы 1 кГц — 1.1 Вт в детали с переходом размером меньше рисового зерна.

2.4 Энергия лавины и скорость поворота демпфера

Когда напряжение в контуре превышает напряжение пробоя диода, происходит лавинный сдвиг перехода, и он поглощает все накопленное в индуктивности вещество.

E_av = 0.5 · L_loop · i_rrm²

где E_av — энергия лавинного пробоя за одно событие, L_loop — индуктивность контура, а i_rrm — ток восстановления. При 2 мкГн и 40 А переход поглощает 1.6 мДж за один лавинный пробой, поэтому диод без повторяющегося лавинного режима выходит из строя за микросекунды. Демпфирующий конденсатор ограничивает частоту таких событий, поскольку он задает скорость нарастания тока на диоде.

dV/dt = I_surge / C_s

где dV/dt — скорость нарастания напряжения на диоде, I_surge — импульсный ток, заряжающий демпфер, а C_s — емкость демпфера. Демпфер емкостью 2.2 нФ поддерживает скорость нарастания напряжения на уровне 18 кВ/мкс при импульсном токе 40 А, что находится в пределах допустимой нагрузки 50 кВ/мкс для компонентов класса I.

Рис. 1 — Схема подключения с демпфирующим резистором класса I емкостью 2.2 нФ, где заряд восстановления 2 мкКл за 50 нс превращается в импульс 1.6 кВ и 1.1 мДж на одно событие.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Резкий скачок восстановления сводит на нет действие зажима.

Стандартный выпрямитель с временем восстановления 500 нс, используемый в качестве ограничителя в триггерной сети с частотой 200 кГц, генерирует восстановительный импульс в киловольтах или более на индуктивности контура. Этот импульс передается на управляющий каскад и плату управления, и машина отключается при нестабильном зажигании.

Болевой пункт 2: Лавинная усталость и внезапная поломка

Диод поглощает многократные лавинные пробоины энергией 1.6 мДж каждая без видимого нагрева, поскольку каждая из них длится микросекунды. Переход накапливает повреждения в течение тысяч включений, а затем выходит из строя из-за короткого замыкания, что приводит к передаче полного импульсного напряжения на коммутирующее устройство при следующей попытке.

Проблема 3: Индуктивность демпфирующей петли расположена не в том месте.

Демпфирующий проводник с выводами добавляет 10–20 нГн, что вносит вклад всего в 8–16 В при 800 А/мкс. Киловольтная составляющая — это 2 мкГн тока утечки трансформатора, поэтому укорачивание провода не решает проблему предельной устойчивости, и реальным решением является класс диода. Расположение выводов по-прежнему определяет, где появляется остаточное напряжение.

Проблема 4: Тепловой разгон при высокой частоте повторных ударов

В импульсно-модулированном режиме работы лампа загорается повторно с частотой до 1 кГц, поэтому потери при восстановлении достигают 1.1 Вт в малом переходе. Ток утечки возрастает с повышением температуры перехода, что еще больше увеличивает потери, и контур заканчивается тепловым отказом, если не снизить номинальную мощность перехода.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите класс диода для контура.

Для положений зажима и демпфера укажите следующее: быстровосстанавливающийся диод с t_rr ниже 50 нс и явно заданным режимом повторяющегося лавинного пробоя. Проверьте пиковый ток восстановления по сравнению с данными из технической документации при di/dt схемы, который отличается от условий тестирования, указанных в технической документации.

Стратегия 2: Установить потолок потерь при восстановлении.

Вычислите E_sw = 0.5 × V_clamp × Q_rr при наихудшей скорости зажигания и умножьте на эту скорость. Снизьте номинальную мощность перехода до 80% от T_jmax, и если предел превышен, либо подключите два диода параллельно, либо выберите диод с меньшим значением Q_rr.

Стратегия 3: Используйте демпфер класса I с низким уровнем помех для изучающих английский как второй язык.

Место N4700 Конденсаторы класса I (T3M) с tanδ равным или ниже 0.1% и PD ниже 5 пКл подключаются непосредственно к диоду по кратчайшему возможному контуру. Значение 2.2 нФ поддерживает скорость нарастания на уровне 18 кВ/мкс и предотвращает остаточный пик ниже 1.2 × V_clamp.

Стратегия 4: Добавить ферритовый шарик, соединенный последовательно.

Бусинка в зажимной петле рассеивает высокочастотную часть энергии восстановления в виде тепла и демпфирует кольцо восстановления. Это одновременно снижает нагрузку на диод и конденсатор и занимает всего несколько миллиметров места на печатной плате.

Стратегия 5: Проверка с помощью широкополосного зонда.

Измерьте напряжение на диоде во время зажигания с помощью дифференциального пробника с частотой 500 МГц. Принимайте конструкцию к рассмотрению только в том случае, если пиковое значение остается ниже порога лавинного пробоя, а восстановительное кольцо затухает в течение одного цикла переключения.

Стратегия 6: Испытайте всю сеть на прочность в реальных условиях.

Проведите 100 000 циклов зажигания при наихудшей частоте, регистрируя температуру корпуса диода. Растущая тенденция указывает на отказ, и этот тест выявляет взаимодействие между диодом, демпфирующей обмоткой и конденсатором, недоступное для тестирования на уровне компонентов. пленочный конденсатор Демпфирующий контур — это альтернативный вариант, при котором контур может выдерживать больший диаметр корпуса.

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 в течение 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. Высоковольтные конденсаторы для демпфирующего контура.

Выбор демпфирующего резистора на этом узле определяется тремя требованиями: низкими потерями при поглощении 1.1 мДж на одно событие, корпусом с низкой индуктивностью, обеспечивающим малые размеры контура ограничения, и экраном частичного разряда, выдерживающим миллионы включений. Компания HVC производит компоненты N4700 для этого комплекта.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Титанат стронция N4700 (T3M) с тангенсом угла диэлектрических потерь tanδ равным или ниже 0.1% поглощает энергию восстановления с минимальными потерями, поэтому демпфирующий элемент остается холодным при частоте повторного срабатывания 1 кГц.
• Дисковый и 441-го типа дверная ручка конденсаторы Благодаря коротким внутренним электродным путям индуктивность петли зажима остается низкой.
• Номинальные напряжения от 1 кВ до 100 кВ охватывают небольшие драйверы светодиодов и ртутные триггеры на 20 кВ из одной сертифицированной линейки.
• Частичное разрежение ниже 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, защищает демпфирующий элемент от эрозии при многократных импульсных перенапряжениях, возникающих при включении зажигания.
• Погрешность ±30 ppm/°C обеспечивает постоянство емкости демпфирующего элемента, поэтому снижение скорости нарастания одинаково как холодным утром, так и после восьми часов работы.
• Проверка в полевых условиях: винтовой конденсатор HVC 40 кВ / 441 заменил компонент первоклассного производителя в программах обслуживания высоковольтного оборудования, и его конструкция соответствует электрическим параметрам. Vishay Диапазоны HVCC и KEMET с радиальными выводами.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC проводят анализ пускового трансформатора, коммутационного устройства и частоты повторных срабатываний для шлейфа.

Отправьте параметры трансформатора, номинальную мощность выключателя, форму импульсного сигнала и частоту повторных срабатываний. HVC вернет класс диода, значение C_s с анализом индуктивности контура и образец демпфирующей цепи класса I с защитой от частичных разрядов в течение двух недель.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему медленный диод делает петлю более шумной?

Потому что восстановительный заряд выходит из перехода после того, как напряжение изменило направление. Заряд в 2 мкКл за время восстановления 500 нс равен обратному току 4 А, который схлопывается в пик, а тот же заряд за 50 нс равен 40 А, который индуктивность контура преобразует в 1.6 кВ.

В2: Какова фактическая величина индуктивности, вызывающая этот скачок?

Утечка из трансформатора. При 800 А/мкс 2 мкГн дают 1.6 кВ, тогда как индуктивность выводов 10 нГн дает 8 В. Расположение выводов определяет, где появляется остаточная индуктивность, а величина индуктивности в мкГн определяет ее величину.

В3: Что изменяется при изменении значения демпфирующего конденсатора?

Скорость нарастания напряжения на диоде определяется формулой dV/dt = I_surge/C_s. Диод емкостью 2.2 нФ выдерживает импульсный ток 18 кВ/мкс при токе 40 А; уменьшение этого значения вдвое удваивает скорость нарастания и приближает диод к лавинному пробою.

Вопрос 4: Когда происходит лавинный пробой диода?

Когда напряжение в контуре превышает уровень пробоя, переход поглощает 0.5 × L_loop × i_rrm², что составляет 1.6 мДж при 2 мкГн и 40 А. Диод без номинальной емкости для повторяющихся лавинных пробоев выдерживает несколько тысяч таких событий, а затем выходит из строя из-за короткого замыкания.

В5: Как снизить номинальные характеристики диода при частоте повторных срабатываний 1 кГц?

Умножьте 1.1 мДж на событие на скорость, чтобы получить 1.1 Вт, сравните это с тепловым сопротивлением перехода и удерживайте температуру перехода ниже 80% от T_jmax. Параллельное использование диодов или диодов с более низким Q_rr — два способа оставаться в пределах этого значения.

В6: Какой щуп мне нужен для прототипа?

Дифференциальный пробник с частотой 500 МГц подключен к диоду. Убедитесь, что пиковое значение остается ниже порога лавинного пробоя, что восстановительное кольцо затухает в течение одного цикла переключения и что остаточный пик остается ниже 1.2-кратного напряжения ограничения.

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 60384-1:2018, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики.
5. AND9800/D — Выбор демпфирующего конденсатора для применения в системах управления двигателями (таблица 15, данные испытаний), onsemi, AND9800-D, https://m.onsemi.jp/pub/Collateral/AND9800-D.PDF .
6. Запрос рекомендаций по схеме демпфирования для защиты Infineon FF300R17KE4PСообщество разработчиков Infineon, https://community.infineon.com/t5/IGBT/Request-for-Snubber-Circuit-Recommendation-for-Protecting-Infineon-FF300R17KE4P/td-p/1241451 .
7. Л. Чжэн, Л. Чжу, Дж. Лю, З. Ди и С. Цзи, Самовосстанавливающиеся характеристики металлизированного пленочного конденсатора при постоянном и переменном напряжении с гармониками., в сборнике трудов конференции IEEE по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям (CEIDP), 2022 г., стр. 175-178, 2022 г. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286.
8. ГОСТ IEC 61071-2014, Конденсаторы силовые электронные (Конденсаторы для силовой электроники). Москва: Стандартинформ, 2014.
9. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com