Excimer Supplies: Analisi dei guasti da scarica parziale corona

Excimer Supplies: Analisi dei guasti da scarica parziale corona

Astratto

Le scariche parziali a effetto corona erodono l'isolamento ad alta tensione di pochi pC alla volta e non lasciano tracce visibili. Questo articolo fornisce i calcoli relativi alla tensione di innesco, alla carica e all'energia per evento, alla carica cumulativa che predice il guasto, a quattro modalità di guasto sul campo e alle fasi di rilevamento e progettazione per un alimentatore laser a eccimeri da 30 kV operante a 6 kHz.

1. introduzione

La scarica parziale, detta anche effetto corona, è il meccanismo di guasto nascosto più comune nelle apparecchiature ad alta tensione. Una scarica completa arresta immediatamente la macchina. Una scarica parziale no. Essa crea un ponte solo su una parte dell'isolamento, lasciando intatto il resto.

Ogni evento sposta da 1 pC a 100 pC di carica e dura solo nanosecondi. L'energia per evento è piccola. Il conteggio non lo è. Un alimentatore laser a eccimeri funziona a una frequenza da 1 kHz a 6 kHz con tensioni di picco da 20 kV a 40 kV.

Miliardi di eventi si accumulano nel corso di migliaia di ore. L'isolamento si erode gradualmente e il componente si guasta prematuramente. I team di manutenzione attribuiscono quindi la colpa a sbalzi di tensione o umidità, perché la vera causa non lascia tracce visibili.

Questo articolo tratta la tensione di innesco, la cinetica di erosione, quattro modalità di guasto sul campo, i metodi di rilevamento e le fasi di progettazione che consentono a un alimentatore laser a eccimeri da 30 kV di funzionare per 10,000 ore.

2. Meccanismo fondamentale

2.1 Tensione di innesco all'interno di un vuoto

Un vuoto all'interno di un dielettrico ha una permittività inferiore rispetto al materiale ceramico circostante. Il campo all'interno del vuoto aumenta rispetto al campo medio nel dielettrico. Per un vuoto sferico, il fattore di amplificazione è:

β = 3εr / (2εr + 1)

dove β è il fattore di amplificazione del campo nel vuoto e εr è la permittività relativa del dielettrico.

Per la ceramica N4700 con εr pari a 100, β è 300 / 201, ovvero 1.49. Il campo dei vuoti è 1.49 volte il campo medio. La scarica inizia quando il campo dei vuoti raggiunge la rigidità dielettrica del gas:

PDIV = E_gas × t / β

dove PDIV è la tensione di innesco della scarica parziale, E_gas la rigidità dielettrica del gas nel vuoto, t lo spessore dell'isolamento e β il fattore di amplificazione del campo.

L'aria a 1 atm si scarica a circa 3 kV/mm. Una parete ceramica di 1 mm con β pari a 1.49 fornisce una PDIV = 3 kV/mm × 1 mm / 1.49, ovvero 2.01 kV. La tensione di esercizio deve rimanere al di sotto di questo valore con un certo margine. Nella pratica, tale margine varia dal 20% al 50%.

2.2 Carica ed energia per evento

Un vuoto di 1 pF che presenta una caduta di tensione di 100 V durante una scarica trasferisce questa carica:

q = C_void × ΔV

dove q è la carica per evento, C_void la capacità del vuoto e ΔV la caduta di tensione attraverso il vuoto.

Ciò corrisponde a 100 pC. L'energia deriva dalla carica e dalla caduta di tensione:

W = 0.5 × q × ΔV

dove W è l'energia per evento, q la carica trasferita e ΔV la caduta di tensione attraverso il vuoto. Il risultato è di 5 nJ, rilasciati in un volume di pochi micrometri cubi.

Pertanto, la densità di energia locale è elevata anche quando l'energia totale è bassa. Tale densità determina l'erosione sulla parete del vuoto.

2.3 Meccanismi di erosione sulla superficie del vuoto

Quattro meccanismi agiscono in sinergia. L'erosione termica fonde o vaporizza la ceramica a una velocità di circa 1e−12 g per evento a 5 nJ. L'erosione chimica forma ozono, ossidi di azoto e ossigeno atomico, e attacca l'isolamento organico da 10 a 100 volte più velocemente del processo termico.

L'erosione meccanica segue l'onda di pressione dell'espansione del gas, che provoca microfratture sulla superficie. La formazione di piste conduttive colma quindi il vuoto: i materiali organici formano piste di carbonio e i materiali ceramici formano depositi metallizzati derivanti dagli elettrodi. Il ponte chiude un percorso di scarica attraverso l'isolamento.

2.4 Carica cumulativa e tempo di guasto

Il danno è correlato alla carica totale che si è spostata attraverso l'isolamento:

Q_total = q × N × f × t

dove Q_totale è il trasferimento di carica cumulativo, q la carica per evento, N il numero di vuoti, f la frequenza di ripetizione e t il tempo di funzionamento.

Consideriamo q = 10 pC, N = 100 vuoti, f = 6 kHz e t = 10,000 h. Quindi Q_totale = 10 pC × 100 × 6000 × 3.6 × 10^7, ovvero 0.216 C. I dati sul campo collocano la soglia di guasto tra 0.01 C e 0.1 C, quindi un componente in questo stato l'ha già superata.

Figura 1 — Un vuoto di potenziamento del campo di 1.49 raggiunge l'inizio a 2.01 kV per mm, quindi 10 eventi pC a 6 kHz spingono la carica cumulativa oltre 0.216 C.

3. Punti critici di ingegneria

Punto critico 1: Il vuoto interno PD distrugge il condensatore

Un condensatore ceramico con vuoti interni si scarica in corrispondenza di tali vuoti quando la tensione di esercizio supera la tensione di innesco. Ogni scarica erode la parete del vuoto e deposita materiale conduttivo. Il deposito finisce per creare un ponte tra i vuoti, provocando un cortocircuito nel componente.

I guasti si verificano dopo 5,000-10,000 ore a 6 kHz. L'operatore rileva un cortocircuito improvviso e lo attribuisce al picco di tensione. La vera causa risiede nel dielettrico.

Punto dolente 2: il PD di superficie traccia l'incapsulante

Sui materiali di incapsulamento dei condensatori, sull'isolamento dei cavi e sugli alloggiamenti dei connettori, le scariche parziali superficiali iniziano dove sono presenti umidità, polvere o composti di fluoro. La scarica forma tracce di carbonio che collegano lo spazio tra gli elettrodi e si propagano sulla superficie.

Questi guasti si verificano dopo un periodo compreso tra 3,000 e 8,000 ore. L'operatore attribuisce la causa all'umidità o alla contaminazione, e la soluzione consiste in una procedura di pulizia che non affronta le sollecitazioni superficiali presenti sul campo.

Punto critico 3: la corona sui bordi taglienti irradia interferenze elettromagnetiche.

Spigoli vivi, punte e superfici ruvide raggiungono l'innesco dell'effetto corona a circa 30 kV/cm nell'aria. L'effetto corona irradia quindi rumore a banda larga da 100 kHz a 1 GHz e si accoppia con l'elettronica di controllo e il cablaggio dei sensori.

Il sintomo è un falso allarme, un errore di misurazione e un problema di comunicazione. L'operatore attribuisce la colpa all'elettronica e la scarica si verifica sul bordo di una resistenza a 200 mm di distanza.

Punto critico 4: la generazione di gas PD aumenta la pressione interna

In un componente sigillato con isolamento organico, la scarica parziale (PD) decompone il materiale rilasciando idrogeno, metano, etilene e acetilene. Il gas si accumula fino alla rottura della guarnizione o alla spaccatura dell'involucro.

Questi eventi si verificano tra le 5,000 e le 15,000 ore. L'operatore rileva la rottura di un componente e attribuisce la causa alla sovratensione. Un'analisi dei gas disciolti nello spazio di testa identifica l'origine della scarica parziale entro un giorno.

4. Fasi di progettazione

Strategia 1: Mantenere la tensione di esercizio al di sotto della tensione di innesco

Progettare l'isolamento in modo che la tensione massima, inclusi sovratensioni e transitori, sia almeno il 20% inferiore alla tensione di innesco. Per un punto di funzionamento di 30 kV, specificare componenti con un PDIV superiore a 37.5 kV. Verificare il valore con un test PD a 1.2 volte la tensione di funzionamento e applicare la stessa regola alla carica diodo raddrizzatore pila.

Strategia 2: Acquistare dielettrico senza vuoti

Selezionare condensatori realizzati con pressatura a caldo o pressatura isostatica a caldo, che chiudono vuoti interni e porosità. Specificare una densità ceramica superiore al 99% della densità teorica e confermare il contenuto di vuoti mediante ispezione a raggi X o scansione C a ultrasuoni prima dell'accettazione del lotto.

Strategia 3: Aggiungere rivestimenti resistenti alle scariche

Applicare rivestimenti inorganici come allumina o silice alle superfici isolanti per aumentare la tensione di innesco superficiale. Utilizzare incapsulanti caricati con allumina o silice, che resistono all'erosione molto meglio dei siliconi e delle resine epossidiche non caricati. Verificare l'integrità del rivestimento prima e dopo l'esposizione agli agenti atmosferici.

Strategia 4: Monitorare l'attività di scarico

Installare trasformatori di corrente ad alta frequenza, accoppiatori capacitivi o antenne UHF e registrare la carica delle scariche parziali, la frequenza di ripetizione e il loro andamento nel tempo. Un improvviso aumento dell'attività indica un danno all'isolamento. Attivare un allarme di manutenzione a 10 pC o a 100 impulsi al secondo.

Strategia 5: Utilizzare resistori resistenti all'effetto corona sul nodo ad alta tensione

Seleziona HVR-BSP resistori a film spesso in serie con rivestimenti resistenti all'effetto corona e bordi arrotondati, e specificare un PDIV superiore a 1.5 volte la tensione operativa massima. Confermare le prestazioni in termini di effetto corona con una prova di oscurità e una misurazione PD a piena tensione.

Strategia 6: Eseguire un invecchiamento accelerato del PD prima del rilascio

Invecchiare i componenti a una tensione pari a 1.5 volte la tensione di esercizio, comprimendo così 10,000 ore di esposizione alle scariche parziali (PD) in circa 2,000 ore. Misurare la carica delle PD, la deriva della capacità e la resistenza di isolamento prima e dopo il trattamento. Accettare i componenti con una crescita delle PD inferiore al 20%, una deriva della capacità inferiore al 5% e una perdita di resistenza di isolamento inferiore al 50%.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Tensione nominale (serie HVCT8G)	10 kV DC	Hi-pot 1.5× per 60 s
Capacità	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	inferiore a 50 mΩ	-
Induttanza di anello (accordo E40)	inferiore a 8 nH	Distanza tra i terminali: 40 mm
resistenza di isolamento	superiore a 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Range di temperatura	da -40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2
Capacità di misurazione di impulsi dv/dt	oltre 50 kV/µs	a tensione nominale

5. Condensatori HVC N4700 per alimentatori laser resistenti alle scariche.

Tre requisiti guidano la scelta in questo nodo: una tensione di innesco ben superiore alla tensione di ricircolo dei gas, un dielettrico che non formi tracce di carbonio e una documentazione di test che ne attesti entrambe le caratteristiche. HVC produce i componenti N4700 per questo set in uno stabilimento di proprietà di 6,000 m² a Dongguan, per una gamma da 1 kV a 150 kV.

Sei parametri importanti in questo caso

• Scarica inferiore a 5 pC alla tensione nominale. Ogni unità viene testata e il valore registrato, il che lascia un margine 20 volte inferiore al livello di 100 pC, oltre il quale l'erosione si trasforma in un cortocircuito.
• Ceramica priva di vuoti con densità superiore al 99.5% della densità teorica. La pressatura a caldo e la sinterizzazione controllata chiudono i vuoti interni che sono all'origine delle scariche.
• Una tensione di innesco superiore a 1.5 volte la tensione nominale, in modo che la linea rimanga al di sotto della tensione di innesco anche in presenza di sovraelongazioni e transitori sul fronte dell'impulso.
• La costruzione in ceramica non forma tracce di carbonio conduttive. I prodotti di erosione rimangono isolanti, quindi il componente non crea il ponte conduttivo che si forma negli isolanti organici.
• Copertura da 1 kV a 150 kV in terminali radiali, a vite e condensatori doorknobUn unico sistema dielettrico serve la rete di impulsi, l'alimentazione di carica e il filtro di innesco.
• Qualificato come ricambio diretto per marchi di primo livello nei programmi di assistenza sul campo per laser e specificato dagli OEM laser nelle nuove piattaforme di potenza. I componenti HVC corrispondono ai parametri elettrici e alle dimensioni del package di Murata a vite, Vishay HVCC e TDK UHV/FHV.

Consegna e supporto

I componenti standard vengono spediti in 4-8 settimane, mentre i set personalizzati in 6-10 settimane. Il team di ingegneria applicativa di HVC si occupa del calcolo della tensione di innesco, della revisione dell'ispezione dei vuoti, della revisione della progettazione dell'isolamento e dell'interpretazione dei dati dei test PD per gli alimentatori laser a eccimeri.

Inviare la tensione di alimentazione, la frequenza di ripetizione degli impulsi, lo spessore dell'isolamento e le ore di servizio. HVC restituisce una scheda di selezione dei componenti con i dati del test PD e un kit di valutazione con due campioni entro cinque giorni lavorativi.

6. Domande frequenti

D1: Perché una scarica parziale provoca un cortocircuito in un condensatore senza preavviso?

Poiché il danno è cumulativo e invisibile dall'esterno. Ogni evento sposta la carica da 1 pC a 100 pC ed erode circa 1e−12 g di ceramica. A 6 kHz, 100 vuoti e 10 pC per evento, la carica cumulativa raggiunge 0.216 C in 10,000 ore, oltre la banda di guasto da 0.01 C a 0.1 C. Un controllo della capacità risulta ancora entro la tolleranza fino alla chiusura della pista.

D2: Quale margine di sicurezza deve mantenere la tensione di esercizio rispetto alla tensione di innesco?

Utilizzare il 20% come valore minimo e il 50% dove la geometria lo consente. Per un punto di funzionamento di 30 kV, specificare componenti con un PDIV superiore a 37.5 kV e verificarlo con un test PD a 1.2 volte la tensione di esercizio. Una parete di 1 mm di ceramica N4700 con εr di 100 raggiunge l'innesco a soli 2.01 kV all'interno di un vuoto, quindi la qualità dell'assemblaggio determina il margine reale.

Q3: Quale metodo di rilevamento è adatto a un'alimentazione pulsata a 6 kHz?

Utilizzare un trasformatore di corrente ad alta frequenza per la carica e la velocità di scarica e un'antenna UHF per la localizzazione. Un pattern a impulsi sostituisce il pattern a fase, poiché l'alimentatore non ha un riferimento di fase CA. Attivare un allarme a 10 pC o 100 impulsi al secondo e confrontare la forma del pattern per distinguere la scarica interna da quella superficiale.

D4: Un componente in ceramica si rompe nello stesso modo di un componente in pellicola?

No.A condensatore a film Si formano tracce di carbonio man mano che la scarica decompone il polimero, quindi l'erosione accelera dopo le prime migliaia di ore.

Una ceramica forma invece depositi metallizzati e il resto della parete rimane isolante. Ecco perché una ceramica condensatore a disco tollera una maggiore carica cumulativa a parità di spessore della parete.

D5: Come faccio a controllare i lotti in entrata per individuare eventuali vuoti?

Richiedete una dichiarazione di densità superiore al 99% del valore teorico e un'ispezione dei vuoti. L'ispezione a raggi X rileva i vuoti superiori a 50 µm, mentre la scansione C a ultrasuoni rileva le delaminazioni su tutta l'area dell'elettrodo. Un lotto senza dati di ispezione non può essere qualificato su un nodo a 30 kV, poiché la densità dei vuoti determina la tensione di innesco.

D6: Quanto deve durare un test di scarica accelerata?

Invecchiare a 1.5 volte la tensione di esercizio per circa 2,000 ore, che rappresentano 10,000 ore di servizio. Accettare il componente quando la differenza di potenziale (PD) aumenta di meno del 20%, la deriva della capacità è inferiore al 5% e la resistenza di isolamento diminuisce di meno del 50%. Qualsiasi valore peggiore indica una popolazione di vuoti che non sopravviverà al periodo di servizio.

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