Уменьшение объема накопителя энергии PFN в плазменных воспламенителях

Уменьшение объема накопителя энергии PFN в плазменных воспламенителях

Резюме

Импульсная формирующая сеть удерживает заряд зажигания и высвобождает его с необходимой для горелки формой волны, занимая при этом объем, недоступный для портативных резаков и горелок, устанавливаемых на роботов. В этой статье приводятся уравнения плотности энергии, сравнение диэлектрических свойств, позволяющее уменьшить активный объем на 56 %, ограничения по индуктивности и времени нарастания, четыре ловушки миниатюризации, шесть этапов проектирования и тепловые расчеты.

1. Введение

Каждый воспламенитель плазменной резки оснащен импульсной системой формирования импульса: блоком хранения и формирования энергии, который удерживает заряд для импульса зажигания и высвобождает его с той формой волны, которая необходима горелке.

В традиционных схемах используются пленочные конденсаторы с обмотками, громоздкие индукторы и большие расстояния между элементами цепи. Вместе они занимают значительную часть корпуса, и рынок движется в сторону компактных устройств, в которых горелка крепится непосредственно на роботизированную руку.

Инженерное противоречие реально. Энергия импульса подчиняется закону E = ½CV², поэтому для уменьшения размеров конденсатора при постоянной энергии требуется либо более высокое напряжение, что усложняет изоляцию и ползучесть, либо более высокая плотность энергии в диэлектрике.

В этой статье рассматриваются арифметические вычисления плотности энергии, сравнение диэлектриков, ограничение индуктивности, определяющее форму импульса, тепловой предел, определяющий максимальные размеры детали, а также шесть этапов, обеспечивающих точность импульса при уменьшенном объеме.

2. Основной механизм

2.1 Энергия в диэлектрике

Сеть накапливает энергию воспламенения в виде энергии электростатического поля, причем энергия поля зависит от диэлектрика и занимаемого им объема.

E = ½ ε₀ ε_r E_max² V_diel

где E — запасенная энергия в джоулях, ε₀ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, 8.854 × 10⁻¹² Ф/м, ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость, E_max — пиковое электрическое поле в вольтах на метр, а V_diel — активный объем диэлектрика в кубических метрах. Далее следуют два рычага: повышение диэлектрической проницаемости или повышение допустимого поля диэлектрика.

2.2 Плотность энергии и сравнение диэлектрических свойств

Деление на объем дает число, определяющее, сколько места требуется для передачи заданной импульсной энергии.

w = E / V_diel = ½ ε₀ ε_r E_max²

где w — объемная плотность энергии в джоулях на кубический метр. Диэлектрик SrTiO3 класса I при ε_r = 2000 и 10 МВ/м достигает 0.885 Дж/см³, а пленка BOPP при ε_r = 2.2 и 200 МВ/м достигает 0.390 Дж/см³. Для энергии 235 мДж, которую удерживает резервуар емкостью 4.7 нФ при 10 кВ, керамике требуется 0.27 см³ активного диэлектрика, а пленке — 0.60 см³, поэтому керамика удаляет 56 % активного объема.

Сравнение справедливо только при номинальном напряжении. Высокодиэлектрическая керамика класса II разрушается под действием постоянного напряжения, теряя 30–70 % своей номинальной емкости при номинальном напряжении, что нивелирует преимущество в объеме и одновременно искажает огибающую импульса.

2.3 Форма импульса и нижний предел индуктивности

Точность передачи импульса зависит от индуктивности и емкости контура, поскольку они определяют время нарастания.

t_r ≈ 2.2 √(L C)

где t_r — время нарастания импульса в диапазоне 10–90 %, L — общая индуктивность контура, а C — емкость цепи. Время нарастания также имеет нижний предел, установленный самим компонентом: конденсатору с номинальным напряжением выше 50 кВ/мкс при 10 кВ требуется не менее 200 нс для достижения номинального напряжения, а расчетный запас в два раза устанавливает целевое значение в 400 нс.

Решение уравнения нарастания для данной целевой величины с конденсатором 4.7 нФ дает индуктивность петли 7.0 мкГн, которая представляет собой последовательную индуктивность, добавляемую в конструкцию. Паразитная составляющая петли, то есть эквивалентная индуктивность конденсатора плюс межсоединение, должна оставаться малой по отношению к ней. Допуск в 2 % устанавливает предел паразитной составляющей в 140 нГн, и в результате петля имеет характеристическое сопротивление 38.7 Ом и пиковый ток 259 А при 25 кВ/мкс.

2.4 Тепловой предел для малых тел

При каждом воспламенении теряется часть накопленной в диэлектрике энергии, а потери за резонансный цикл зависят от коэффициента потерь.

E_loss = 2π tanδ E

где E_loss — энергия, теряемая за цикл, tanδ — коэффициент потерь, а E — запасенная энергия. Деталь класса I при tanδ = 0.1 % теряет 1.48 мДж за цикл из 235 мДж, а деталь класса II при 2 % теряет 29.5 мДж.

ΔT = P_loss R_th

где ΔT — повышение температуры тела, P_loss — среднее рассеяние, а R_th — тепловое сопротивление тела окружающей среде. При 100 событиях в секунду и 60 К/Вт часть класса I работает на 8.9 К выше температуры окружающей среды, а часть класса II — на 177 К выше. Уменьшение размера тела увеличивает R_th, поэтому уменьшение объема и снижение потерь должны приниматься в рамках одного решения.

Рис. 1 — Для получения той же энергии воспламенения в 235 мДж требуется 0.60 см³ диэлектрической пленки BOPP и 0.27 см³ диэлектрика класса I SrTiO3.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Сокращение емкости при постоянном напряжении смещения.

Компактные керамические конденсаторы класса II теряют 30–70 % своей номинальной емкости при номинальном постоянном напряжении. В результате цепь удерживает гораздо меньше энергии, чем заявлено на этикетке, конструкторы увеличивают емкость конденсатора для компенсации, и выигрыш от миниатюризации исчезает вместе с точностью расчета импульсов.

Проблема 2: Паразитный рост индуктивности из-за перегрузки.

При одновременном размещении конденсаторов, шин и переключателей токовый контур часто прокладывается в обход других компонентов, что добавляет 50–150 нГн. Время нарастания увеличивается, перерегулирование изменяется, а момент зажигания смещается от расчетного значения.

Болевой пункт 3: Концентрация тепла в небольшом теле.

Небольшое тело с большим запасом энергии концентрирует потери в малой массе и имеет более высокое тепловое сопротивление. Температура тела повышается, потери еще больше возрастают в любом диэлектрике с высокими потерями, и отказ происходит через несколько недель после установки без внешнего предупреждения.

Болевой пункт 4: Просачивание и частичное выделение содержимого в узких местах.

Уменьшение ширины сети приводит к уменьшению расстояния утечки между высоковольтными узлами, и частичный разряд начинается при 60–80 % от номинального напряжения, как только расстояние между узлами падает ниже расчетного значения. Длительный разряд приводит к эрозии изоляции, и последующий отказ непредсказуем.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диэлектрик по плотности энергии при номинальном поле.

Сравните параметры материалов-кандидатов при w = ½ε₀ε_r E_max² в условиях, в которых фактически находится компонент, и проверьте емкость при номинальном постоянном напряжении и при рабочей температуре. Значение из технической документации, полученное при нулевом напряжении, ничего не говорит ни об одном из этих параметров.

Стратегия 2: Установите допустимую индуктивность для паразитной составляющей.

Зафиксируйте последовательную индуктивность, исходя из требуемого времени нарастания, затем предусмотрите не более 2 % от неё для эквивалентной последовательной индуктивности конденсаторов и межсоединений. Для петли индуктивности 7.0 мкГн это означает 140 нГн, что является спецификацией компоновки, а не спецификацией компонентов.

Стратегия 3: Спроектируйте тепловой путь вместе с электрическим.

Обеспечьте низкоомный тепловой путь от корпусов конденсаторов к корпусу или распределительной пластине и подтвердите по измеренным потерям на импульс, что установившаяся температура корпуса остается ниже точки снижения номинальных характеристик диэлектрика.

Стратегия 4: Проверить частичный сброс в уплотненном участке.

Проверьте готовую схему при 120 % от максимального напряжения зажигания внутри реального корпуса и убедитесь, что частичные разряды (ЧР) на компонент не превышают 5 пКл. Ползучесть тока, которая работает на стенде, может выйти из строя после заливки компаундом и установки корпуса.

Стратегия 5: Моделирование огибающей для извлеченных паразитных элементов.

Создайте модель, используя измеренные значения C, ESL и ESR каждого компонента, а также извлеченную индуктивность контура, и убедитесь, что время нарастания и перерегулирование остаются в пределах допустимого диапазона до отключения каких-либо элементов оборудования. пленочный конденсатор Выбор меняет оба условия одновременно.

Стратегия 6: Собрать модульную ячейку из параллельно соединенных конденсаторов.

Сборка энергетического блока осуществляется из более мелких параллельных частей, а не из одной большой детали. Это улучшает распределение тепла, параллельные пути снижают эквивалентную последовательную индуктивность (ESL), и одну и ту же ячейку можно масштабировать от портативного устройства до системы с толстыми пластинами.

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	25 ° C
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 компактных сетей формирования импульсов

Три свойства определяют, насколько сильно сеть может снизить свой объем: плотность энергии при номинальном напряжении поля, потери на импульс и паразитная индуктивность. HVC-сети N4700 детали для всех трех.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Диэлектрик SrTiO3 класса I при ε_r 2000 обеспечивает высокую плотность энергии при номинальном напряжении смещения без разрушения, характерного для материалов класса II.
• Значение tanδ, равное или меньшее 0.1 %, ограничивает потери энергии на одно событие до 1.48 мДж из 235 мДж, поэтому небольшое тело остается в пределах своего теплового предела при 100 событиях в секунду.
• Погрешность ±30 ppm/°C обеспечивает стабильность емкости, поэтому импеданс и время нарастания сигнала в сети не изменяются при нагреве или изменении коэффициента заполнения.
• Разряд частичных разрядов ниже 5 пКл способствует агрессивному снижению ползучести, поскольку сам диэлектрик не разряжается при малых расстояниях между электродами.
• HVCT8G Корпуса с винтовыми клеммами и радиальными выводами обеспечивают короткие внутренние пути прохождения сигнала, что позволяет удерживать паразитную индуктивность в пределах допустимого значения в 140 нГн.
• Полевой опыт: винтовой конденсатор HVC 40 кВ / 441 заменил комплектующие высшего класса в программах обслуживания высоковольтного оборудования, и его конструкция соответствует электрическим параметрам. Перекрестная ссылка кандидатов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а согласованные блоки — в течение 6–10 недель. При напряжении выше 1 кВ площадка доступна в виде последовательного блока с согласованными компонентами. градуировочные резисторы и зажим быстровосстанавливающийся диод.

Передайте требуемую энергию импульса, время нарастания, частоту повторения и объем корпуса. HVC вернет рекомендации по емкости конденсатора сети с измеренными данными о плотности энергии, ESL, ESR и PD для данной рабочей точки.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Что определяет плотность энергии диэлектрика конденсатора?

w = ½ε₀ε_r E_max². В расчете участвуют как диэлектрическая проницаемость, так и допустимое поле, поэтому материал с высоким ε_r при умеренном поле может превзойти материал с низким ε_r при высоком поле.

В2: Какой объем экономит керамика I класса по сравнению с пленкой?

Для получения энергии 235 мДж при напряжении 10 кВ компоненту класса I на основе SrTiO3 требуется 0.27 см³ активного диэлектрика, тогда как для пленки BOPP при напряжении 200 МВ/м требуется 0.60 см³, что на 56 % меньше.

В3: Может ли в меньшей сети просто использоваться более высокое поле?

До предела частичного разряда. Разряд начинается при 60–80 % от номинального напряжения, как только глубина утечки падает ниже расчетного значения, поэтому поле и расстояние между элементами должны проектироваться одновременно.

Вопрос 4: Какая допустимая индуктивность присутствует в контуре?

Зависит от требуемого времени нарастания, плюс 2% на паразитные параметры. Для нарастания в 400 нс при емкости 4.7 нФ требуется последовательная индуктивность 7.0 мкГн, что позволяет использовать конденсаторы с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) и межсоединения с индуктивностью 140 нГн.

В5: Почему деталь нагревается в маленьком теле?

Потери за цикл составляют 2π tanδ, умноженное на запасенную энергию, а малое тело имеет как меньшую массу, так и большее тепловое сопротивление. При 100 событиях в секунду разница между потерями в 0.1 % и 2 % составляет 8.9 К против 177 К.

В6: Почему для изготовления элемента используются параллельно соединенные конденсаторы?

Параллельное расположение компонентов рассеивает тепло, снижает эффективную эквивалентную последовательную задержку (ESL) и позволяет масштабировать конструкцию ячейки от портативного резака до станка для обработки толстолистового металла без необходимости новой сертификации.

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. Y. Zhou, B. Chen, C. Tian, ​​J. Yuan и Y. Chen, Параллельный линейный преобразователь с диодным ограничением для испытаний на выдерживаемое напряжение и измерения частичных разрядов электрооборудования.Высокое напряжение, том 8, № 1, стр. 171-182, 2023. https://doi.org/10.1049/hve2.12312.
8. 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.
9. Металлизированные пленочные импульсные конденсаторы MKP — основные характеристики продуктаKEMET Electronics, https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors .
10. США 4,521,889, Микрополосковый конденсатор для хранения энергии, Kraftwerk Union AG, 1985 г., https://www.osti.gov/biblio/6349373.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com