Пути распространения синфазных помех в высоковольтных цепях лазерной резки

Пути распространения синфазных помех в высоковольтных цепях лазерной резки

Резюме

Высоковольтный лазерный блок преобразует постоянное напряжение 400 В в напряжение от 3 кВ до 20 кВ с частотой от 20 кГц до 200 кГц, при этом каждый фронт переключения достигает 25 кВ/мкс. В этой статье описываются паразитные емкости, которые преобразуют эти фронты в синфазный ток, приводятся уравнения инжекции, импеданса и отвода, а также показано, как Y-конденсатор емкостью 4.7 нФ уменьшает ток заземления на 94% без превышения допустимого тока утечки.

1. Введение

Станок лазерной резки преобразует постоянное напряжение 400 В в напряжение от 3 до 20 кВ при частоте переключения от 20 до 200 кГц, а затем посылает импульсы на головку по длинному кабелю. Каждое переключение инвертора, трансформатора и умножителя напряжения приводит к значениям dV/dt от 5 до 50 В/нс.

Каждый из этих контактов через паразитную емкость взаимодействует с рамой, заготовкой, защитным заземлением и экраном каждого кабеля. В результате возникает синфазный ток: ток, протекающий за пределами заданного дифференциального контура.

В высоковольтном лазерном аппарате путь распространения шума представляет собой геометрическую проблему. Паразитная емкость от первичной обмотки трансформатора до вторичной составляет от 10 до 30 пФ, путь от высоковольтной шины до шкафа — от 50 до 200 пФ, а путь от кабеля головки до портала — от 200 до 500 пФ.

Вопросы регулирования имеют конкретное значение. Промышленные лазерные станки, продаваемые в ЕС, должны соответствовать предельным значениям CISPR 11 группы 1, часто относящимся к классу B. Один из задокументированных случаев использования волоконного лазерного резака мощностью 6 кВт не соответствовал классу B, не выдержав на 18 дБ в диапазоне частот от 150 кГц до 30 МГц, причем 80% превышения было обусловлено двумя путями связи.

2. Основной механизм

2.1 Ввод синфазного тока

Каждый узел с быстрым фронтом связан с землей через свою паразитную емкость:

I_cm = C_stray × dV/dt

где I_cm — инжектированный синфазный ток, C_stray — паразитная емкость между узлом и землей, а dV/dt — частота нарастания фронта сигнала в этом узле.

Трансформатор представляет собой наихудший отдельный узел. При C_stray = 20 пФ и dV/dt = 25 кВ/мкс инжектируемый ток составляет 0.5 А. Этот ток течет от вторичной обмотки через землю и обратно к первичной, и он излучается пропорционально площади этого контура.

2.2 Схема траектории лазерного высоковольтного блока

На карте распределения тока доминируют три емкости. Межвитковый путь емкостью 20 пФ пропускает 0.5 А. Путь от шины к корпусу емкостью 100 пФ пропускает 2.5 А. Путь головного кабеля емкостью 300 пФ пропускает 7.5 А, поэтому подвижный кабель является крупнейшим отдельным источником тока в машине.

Ранжирование путей по I_cm помещает фильтр на первое место в этом списке. При использовании фронтальной фильтрации все три пути уже объединены, поэтому обычный фильтр вносит так мало изменений.

2.3 Обратный путь и излучение

Синфазный ток — это ток в контуре, и его излучение возрастает с увеличением площади контура:

E_rad ∝ A × dI_cm/dt

где E_рад — излучаемое поле, A — площадь петли, ограниченной обратным путем, а dI_см/dt — скорость изменения синфазного тока. Рама, соединяющая каждую панель, поддерживает A малым; обратный путь, проходящий через конструктивные элементы и заготовку, делает его большим.

Сам кабель резонирует на своей электрической длине:

f_res = c / (2 × l)

где f_res — полуволновой резонанс, c — скорость света, а l — длина кабеля. Кабель-повторитель длиной 5 м резонирует на частоте 30 МГц, что находится в пределах измерительного диапазона от 150 кГц до 30 МГц.

2.4 Фильтрация с помощью Y-конденсатора

A Y-конденсатор Соединение высоковольтной шины с землей дает синфазному току короткий локальный возврат. Его импеданс на частоте шума определяется следующим образом:

Z_CY = 1 / (2π × f × C_Y)

где Z_CY — импеданс конденсатора, f — частота шума, а C_Y — емкость Y. Сопротивление конденсатора 4.7 нФ составляет 34 Ом на частоте 1 МГц, в то время как сопротивление типичного заземляющего контура составляет 500 Ом.

Сила тока, распределяющаяся между двумя путями, обратно пропорциональна их импедансу:

I_CY = I_cm × Z_E / (Z_E + Z_CY)

где I_CY — ток, рециркулирующий локально, I_cm — вводимый ток, Z_E — сопротивление земли, а Z_CY — сопротивление конденсатора. При токе инжекции 0.5 А, сопротивлении земли 500 Ом и сопротивлении конденсатора 34 Ом, 0.47 А возвращается локально, а 32 мА остается на пути тока земли, что составляет 94% от общего тока.

Рис. 1 — Паразитная емкость от 20 до 300 пФ создает синфазный ток от 0.5 до 7.5 А при напряжении 25 кВ/мкс; емкость Y, равная 4.7 нФ, отводит его до того, как он достигнет заземления.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Межвитковая емкость делает дифференциальные фильтры неэффективными.

Дифференциальный LC-фильтр не может ослабить синфазный ток, проходящий мимо него через межобмоточную емкость трансформатора. В описанном случае с мощностью 6 кВт 64% избыточных излучений сверх предела класса B были связаны именно с этим единственным путем, который фильтр на входе никогда не видит.

Проблемный момент 2: Кабель подвижной головы излучает шум.

Кабель длиной от 3 до 10 метров передает высоковольтный импульс к головке и излучает на своей электрической длине. На частоте 30 МГц кабель длиной 5 метров составляет половину длины волны, поэтому он излучает эффективно. Для экранирования необходима оплетка с передаточным сопротивлением выше 40 дБ, чего большинство стандартных кабелей не обеспечивают.

Проблема 3: размещение Y-конденсатора приводит к компромиссу между безопасностью и фильтрацией.

Y-конденсаторы улучшают фильтрацию и увеличивают ток утечки. В высоковольтных лазерных установках допуски очень ограничены, часто они составляют менее 3.5 мА для защиты оператора, поэтому простое добавление емкости недопустимо. Минимальную емкость необходимо разместить в узле, где синфазный ток максимален.

Проблема №4: Резонанс корпуса усиливает определенные частоты.

Рама машины и кабельные жгуты образуют резонансные структуры в диапазоне от 20 МГц до 200 МГц. Измерения излучения показывают пики от 10 до 20 дБ на этих резонансах, и ни один фильтр на источнике их не устраняет. Решение заключается в подавлении структуры или разрыве контура.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Постройте карту маршрутов общего режима до выбора фильтров.

Измерьте или смоделируйте паразитную емкость каждого узла с быстрым изменением dV/dt: трансформатора, умножителя, высоковольтной шины и головного кабеля. Ранжируйте пути по формуле I_cm = C × dV/dt и отфильтруйте два лучших. Фильтрация на входе обрабатывает каждый путь после их слияния. Собственная емкость умножителя. быстровосстанавливающийся диод Этот стек заслуживает места в этом списке, поскольку он расположен непосредственно на узле с частотой 25 кВ/мкс.

Стратегия 2: Экранирование обмоток трансформатора.

Вставьте экран Фарадея с межвитковым соединением, подключенный к первичной обмотке заземления. Это перенаправит путь инжекции 20 пФ в локальную петлю и уменьшит синфазный ток, возникающий в трансформаторе, на 80–90%, что снизит нагрузку на входной фильтр в тот же коэффициент.

Стратегия 3: Использование высоковольтных Y-конденсаторов с жестким контролем частичных разрядов.

Установите конденсатор емкостью от 470 пФ до 4.7 нФ между высоковольтной выходной шиной и землей, рассчитанный на полное выходное напряжение с частичным разрядом ниже 5 пКл. N4700 Компонент класса I выдерживает погрешность ±30 ppm/°C и имеет коэффициент рассеяния 0.1% или ниже, поэтому обратное сопротивление не изменяется при переходе от холодного запуска к работе на полной мощности.

Стратегия 4: Экранируйте кабель головного устройства оплеткой с высоким передаточным сопротивлением.

Выберите кабель с двойной оплеткой и передаточным сопротивлением ниже 5 мОм/м на частоте 30 МГц и соедините экран с обоих концов короткими перемычками. Излучающая антенна становится экранированной линией передачи, а уровень излучаемых помех снижается на 15–25 дБ.

Стратегия 5: Устранить резонанс кабеля с помощью RC-цепи.

Добавьте последовательное RC-согласование, например, 100 Ом с конденсатором 1 нФ. пленочный конденсаторна конце кабеля для подавления полуволнового резонанса. Это устраняет пики в диапазоне от 20 МГц до 200 МГц, которые не может охватить ни один фильтр источника, а последовательный элемент представляет собой градуировочные резисторы Полоска, которая также удерживает уровень постоянного тока в головке.

Стратегия 6: Заземление шкафа управления и прокладка жгутов проводов.

Соедините панели шкафа в нескольких точках широкими лентами и проложите высоковольтные и сигнальные жгуты под прямым углом, используя кратчайший возможный параллельный путь. Вместе с картой трассировки это позволит уменьшить остаточную синфазную петлю и снизить уровень излучения ниже допустимого предела.

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. Высоковольтные конденсаторы для подавления синфазных помех

Конденсатор AY располагается по всей высоковольтной шине до земли, поэтому он должен выдерживать напряжение, оставаться стабильным и сохранять постоянное сопротивление. Компания HVC производит эти компоненты на основе диэлектрика класса I N4700 (T3M) из титаната стронция, для диапазонов напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, имеющих значение на этом узле.

• Возможность использования высоковольтных Y-конденсаторов. Керамические высоковольтные конденсаторы Y-типа и общего назначения с напряжением от 1 кВ до 100 кВ позволяют размещать синфазный обратный ток непосредственно на высоковольтной шине, где он наиболее эффективен.
• Стабильное сопротивление фильтрации. Температурный коэффициент ±30 ppm/°C и коэффициент рассеяния 0.1% или ниже обеспечивают минимальные потери на входе при работе от холодного шкафа на полной мощности.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при номинальном напряжении, экранирование на заводе, поэтому фильтрующий элемент не вносит собственного шума в очищаемый контур.
• Низкий эквивалентный последовательный индуктивный коэффициент (ESL). Корпуса с радиальными выводами обеспечивают эквивалентную последовательную индуктивность ниже 30 нГн, что позволяет удерживать импеданс обратного пути на уровне 100 МГц, где наблюдаются резонансы корпуса.
• Данные по снижению номинальных характеристик. Инженеры-технологи предоставляют кривые снижения номинальных характеристик, позволяющие Y-конденсатору работать при 70% от номинального напряжения с полным сроком службы при непрерывном воздействии высоких значений dV/dt.
• Запись о замене. Винтовой конденсатор серии 441 (40 кВ) был сертифицирован как прямая замена японским винтовым конденсаторам Murata в рамках программы ремонта источников света литографических машин ASML.

В узле "шина-земля" проходит всё напряжение шины, поэтому HVCT8G Его конструкция с клеммным кабелем длиной 40 мм и узлом утечки длиной 10 мм покрывает его, а индуктивность петли 8 нГн обеспечивает короткий обратный путь.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные фильтрующие узлы — в течение 6–10 недель. HVC поддерживает анализ схемы пути, выбор Y-конденсатора с учетом допустимого тока утечки, пакет данных для тестирования частичных разрядов, а также пользовательские комбинации напряжения и емкости.

Отправьте паразитную емкость каждого узла, скорость переключения на фронте сигнала, допустимую утечку и предел эмиссии, который необходимо соблюсти. HVC вернет проект фильтра с прогнозируемым током заземления, данными о частичных разрядах и образцами для предварительного сканирования на соответствие требованиям. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и размерам корпуса. Vishay и другие высоковольтные диапазоны первого уровня.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой синфазный ток подает трансформатор?

I_cm = C_stray × dV/dt. При межвитковой емкости 20 пФ и частоте фронта 25 кВ/мкс инжектируемый ток составляет 0.5 А. В цепи головной обмотки с емкостью 300 пФ инжектируется 7.5 А, поэтому перед фильтрацией необходимо ранжировать цепи.

В2: Почему фильтр на стороне клиента не решает эту проблему?

Поскольку пути синфазных помех сливаются перед входным каскадом, ток 0.5 А, проходящий через межобмоточную емкость трансформатора, никогда не попадает в дифференциальный фильтр, поэтому 64% избыточных помех в случае мощности 6 кВт приходилось именно на этот путь.

В3: Какую величину емкости Y я могу добавить?

Максимально допустимая утечка, часто составляющая менее 3.5 мА общего тока заземления в лазерном устройстве. Начните с 470 пФ на самом большом участке цепи и постепенно увеличивайте до 4.7 нФ, что соответствует 34 Ом при 1 МГц.

Вопрос 4: Какой ток отводит Y-конденсатор?

I_CY = I_cm × Z_E / (Z_E + Z_CY). При сопротивлении земли 500 Ом и сопротивлении конденсатора 34 Ом 0.47 А из 0.5 А рециркулирует локально, а 32 мА остается в цепи заземления.

В5: Почему головной кабель излучает на частоте 30 МГц?

f_res = c / (2 l). Кабель длиной 5 м имеет длину половины длины волны на частоте 30 МГц, поэтому он хорошо излучает в пределах измерительного диапазона от 150 кГц до 30 МГц. Оплетка с передаточным сопротивлением ниже 5 мОм/м на частоте 30 МГц преобразует его в экранированную линию.

В6: Что вызывает пики в диапазоне от 20 МГц до 200 МГц?

Резонанс в корпусе машины и кабельных жгутах. Ни один фильтр источника не устраняет эти пики, поэтому их следует гасить с помощью RC-согласования на головке, например, 100 Ом с конденсатором 1 нФ.

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 60384-14:2023, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 14: Спецификация по разделам — Неподвижные конденсаторы для подавления электромагнитных помех и подключения к сети электропитания, 5-е изд. Женева: МЭК, 2023.
5. МЭК 62477-1:2022, Требования безопасности для силовых электронных преобразовательных систем и оборудования — Часть 1: Общие положения, 2-е изд. Женева: МЭК, 2022.
6. ГБ/Т 7247.1-2024, 激光产品的安全 第1部分:设备分类和要求. Источник: 中国标准出版社, 2024.
7. Х. Лю и др., Влияние электромагнитного поля на поведение частичного разряда в пленочных конденсаторах из БОПП-пленкиIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 30, no. 6, pp. 2617-2624, 2023. https://doi.org/10.1109/tdei.2023.3304600
8. 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 .
9. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
10. Металлизированные пленочные импульсные конденсаторы MKP — основные характеристики продуктаKEMET Electronics, https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com