Soppressione rapida delle sovratensioni dei diodi a recupero rapido nelle reti di accensione UV

Soppressione rapida delle sovratensioni dei diodi a recupero rapido nelle reti di accensione UV

Astratto

Il circuito di accensione di una lampada UV rilascia l'energia immagazzinata in microsecondi, e il diodo di blocco assorbe questi picchi e ne genera uno proprio. Questo articolo fornisce i calcoli relativi alla carica di recupero, alla tensione di picco, all'energia di valanga e alla dissipazione per un trigger da 20 kV che si riattiva a 1 kHz, quattro modalità di guasto del campo, le regole di selezione del diodo e del circuito di snubber e la configurazione della sonda che verifica il circuito.

1. introduzione

Il circuito di commutazione dell'accensione di una lampada UV comprende il dispositivo di commutazione, il suo diodo di blocco, il trasformatore di innesco e il circuito di smorzamento. Ogni tentativo di accensione rilascia l'energia immagazzinata in pochi microsecondi e i picchi risultanti superano la corrente nominale a regime di ogni componente del circuito.

Il diodo a recupero rapido funge da guardiano di quella rete. Limita la tensione di flyback, ripristina il nucleo del trasformatore e devia l'energia di sovratensione lontano dall'interruttore.

Anche il diodo è vittima delle sovratensioni che sopprime. Il suo comportamento di recupero determina se protegge il circuito o se introduce un picco proprio, e la differenza tra questi due risultati è data da t_rr e dall'induttanza del circuito.

Questo articolo fornisce i calcoli per la carica di recupero, i valori di picco e di valanga, quattro modalità di guasto sul campo, la selezione della classe di diodi e del circuito di snubber, e la misurazione che chiude il progetto.

2. Meccanismo fondamentale

2.1 Corrente di recupero inversa

Quando il diodo è costretto a bloccare una tensione che si inverte in decine di nanosecondi, la carica immagazzinata nella giunzione fluisce verso l'esterno sotto forma di corrente inversa.

i_rrm = Q_rr / t_rr

dove i_rrm è la corrente di recupero inversa di picco, Q_rr è la carica di recupero inversa e t_rr è il tempo di recupero. Un diodo con 2 µC di carica di recupero e un tempo di recupero di 50 ns eroga 40 A di corrente inversa nel circuito, che è dello stesso ordine di grandezza della sovratensione diretta che stava limitando.

2.2 Picco di recupero attraverso l'induttanza del circuito

Quella corrente collassa attraverso l'induttanza del circuito, e l'induttanza converte il gradino di corrente in un gradino di tensione.

ΔV = L_loop · di/dt

dove ΔV è la tensione di picco, L_loop l'induttanza dell'anello e di/dt la velocità con cui la corrente di recupero collassa. Una corrente di recupero di 40 A che collassa in 50 ns produce 800 A/µs e 2 µH di corrente di dispersione del trasformatore la convertono in 1.6 kV.

2.3 Perdita di recupero e potenza media

Ogni evento di recupero dissipa la carica che fluisce mentre la tensione è già invertita.

E_sw = 0.5 · V_clamp · Q_rr

dove E_sw è l'energia per evento di recupero, V_clamp è la tensione di blocco e Q_rr è la carica di recupero. A 1.1 kV e 2 µC l'evento costa 1.1 mJ. Con una frequenza di accensione di 10 Hz la media è di 11 mW, e con la frequenza di riaccensione di 1 kHz di una lampada a impulsi modulati è di 1.1 W in un componente con una giunzione più piccola di un chicco di riso.

2.4 Energia della valanga e velocità di rotazione dell'ammortizzatore

Quando il circuito porta il diodo oltre la sua tensione di rottura, la giunzione subisce una valanga e assorbe tutta l'energia immagazzinata nell'induttanza.

E_av = 0.5 · L_loop · i_rrm²

dove E_av è l'energia di valanga per evento, L_loop è l'induttanza dell'anello e i_rrm è la corrente di recupero. A 2 µH e 40 A la giunzione assorbe 1.6 mJ per valanga, quindi un diodo senza una classificazione di valanga ripetitiva si guasta in microsecondi. Il condensatore di snubber limita la frequenza con cui ciò accade, perché imposta la velocità di variazione ai capi del diodo.

dV/dt = I_surge / C_s

dove dV/dt è la velocità di variazione della tensione sul diodo, I_surge è la corrente di picco che carica il circuito di smorzamento e C_s è la capacità del circuito di smorzamento. Un circuito di smorzamento da 2.2 nF mantiene la velocità di variazione a 18 kV/µs con una corrente di picco di 40 A, che rimane entro la capacità di 50 kV/µs di un componente di Classe I.

Figura 1 — Il ramo di bloccaggio con un circuito di smorzamento di Classe I da 2.2 nF, dove una carica di recupero di 2 µC in 50 ns diventa un picco di 1.6 kV e 1.1 mJ per evento.

3. Punti critici di ingegneria

Punto critico 1: il picco di recupero vanifica il blocco

Un raddrizzatore standard con un tempo di recupero di 500 ns, utilizzato come circuito di blocco in una rete di trigger a 200 kHz, produce un picco di recupero di un kilovolt o più attraverso l'induttanza del circuito. Il picco si accoppia al circuito di pilotaggio del gate e alla scheda di controllo, e la macchina si arresta in caso di accensione irregolare.

Punto critico 2: Affaticamento da valanga e cedimento improvviso

Il diodo assorbe ripetuti eventi di valanga da 1.6 mJ ciascuno senza riscaldamento visibile, poiché ognuno di essi dura microsecondi. La giunzione accumula danni nel corso di migliaia di accensioni e quindi si guasta in cortocircuito, il che trasferisce l'intera corrente di innesco al dispositivo di commutazione al tentativo successivo.

Punto critico 3: Induttanza del circuito di snubber nel punto sbagliato

Un circuito di snubber con terminali aggiunge 10–20 nH, che contribuiscono solo a 8–16 V a 800 A/µs. Il termine in kilovolt è rappresentato dai 2 µH di corrente di dispersione del trasformatore, quindi accorciare il filo non risolve un problema di limitazione marginale e la vera soluzione è la classe del diodo. La disposizione dei terminali determina comunque dove si manifesta la tensione residua.

Punto critico 4: Fuga termica ad alti tassi di riaccensione

In modalità di funzionamento a impulsi modulati, la lampada si riaccende fino a 1 kHz, pertanto la perdita di recupero raggiunge 1.1 W in una giunzione di piccole dimensioni. La corrente di dispersione aumenta con la temperatura della giunzione, il che incrementa ulteriormente la perdita, e il circuito termina con un guasto termico a meno che la giunzione non venga declassata.

4. Fasi di progettazione

Strategia 1: Selezionare la classe di diodi per il circuito

Per le posizioni del morsetto e dell'ammortizzatore specificare un diodo a recupero rapido con t_rr inferiore a 50 ns e una valutazione esplicita della valanga ripetitiva. Verificare la corrente di recupero di picco rispetto al datasheet al di/dt del circuito, che differisce dalle condizioni di prova del datasheet.

Strategia 2: Stabilire un limite massimo di perdita per il recupero

Calcola E_sw = 0.5 × V_clamp × Q_rr al tasso di accensione nel caso peggiore e moltiplica per il tasso. Riduci la potenza della giunzione all'80% di T_jmax e, laddove il limite venga superato, collega in parallelo due diodi oppure scegli un tipo con Q_rr inferiore.

Strategia 3: Utilizzare un soppressore di eventi di Classe I a basso livello di inglese come seconda lingua

posto N4700 (T3M) Condensatori di classe I con tanδ pari o inferiore allo 0.1% e PD inferiore a 5 pC direttamente in parallelo al diodo sul circuito più corto possibile. Il valore di 2.2 nF mantiene la velocità di variazione a 18 kV/µs e mantiene il picco residuo al di sotto di 1.2× V_clamp.

Strategia 4: Aggiungere una perlina di ferrite in serie

Una piccola sfera nell'anello di serraggio dissipa la parte ad alta frequenza dell'energia di recupero sotto forma di calore e smorza l'anello di recupero. Riduce al contempo lo stress sul diodo e sul condensatore, e richiede solo pochi millimetri di spazio sul circuito stampato.

Strategia 5: Verificare con una sonda a banda larga

Misurare la tensione ai capi del diodo durante l'accensione con una sonda differenziale da 500 MHz. Accettare il progetto solo se il picco rimane al di sotto della soglia di valanga e l'anello di recupero si smorza entro un ciclo di commutazione.

Strategia 6: Testare la rete in condizioni di vita reale

Eseguire 100,000 cicli di accensione alla velocità peggiore possibile, registrando la temperatura dell'involucro del diodo. Un trend in aumento predice il guasto e questo test rileva l'interazione tra il diodo, il circuito di smorzamento e il condensatore, che i test a livello di componente non possono rilevare. condensatore a film Lo snubber è l'alternativa in cui il circuito può tollerare il suo contenitore più grande.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Tensione inversa di picco ripetitiva	10 kV VRRM	Serie 2CL, 25 °C
Corrente diretta media	0.8 A IF(AV)	onda rettangolare, Tc a o inferiore a 85 °C
Corrente di spinta diretta	100 A per 8.3 ms	singola ondata, IFSM
Tempo di recupero inverso	inferiore a 1 µs trr	grado di recupero morbido
Capacità di giunzione	25 pF tip.	VR = 4 kV, 1 MHz
Funzionamento	da -55 °C a +125 °C	Tj max
corrente di dispersione	inferiore a 5 mA a VRRM	25 °C, valutazione completa

5. Condensatori HVC per il circuito di smorzamento a morsetto

La scelta del circuito snubber per questo nodo è determinata da tre requisiti: basse perdite con un assorbimento di 1.1 mJ per evento, un package a bassa induttanza che mantenga ridotto il diametro del circuito di blocco e uno schermo PD in grado di resistere a milioni di accensioni. HVC produce componenti N4700 per questa serie.

Sei parametri importanti in questo caso

• Il titanato di stronzio N4700 (T3M), con tanδ pari o inferiore allo 0.1%, assorbe l'energia di recupero con perdite minime, in modo che il dispositivo di smorzamento rimanga freddo a una frequenza di riaccensione di 1 kHz.
• Disco e tipo 441 condensatori doorknob con percorsi degli elettrodi interni brevi mantenere bassa l'induttanza dell'anello di serraggio.
• La gamma di prodotti qualificati comprende dispositivi con tensioni nominali da 1 kV a 100 kV, tra cui piccoli driver per LED e trigger a mercurio da 20 kV.
• Una differenza di potenziale (PD) inferiore a 5 pC a 1.2 volte la tensione nominale protegge il sito di snubber dall'erosione causata da ripetuti picchi di accensione.
• Una variazione di ±30 ppm/°C mantiene costante la capacità del circuito di smorzamento, in modo che l'ammorbidimento della velocità di variazione sia lo stesso in una mattinata fredda e dopo otto ore di funzionamento.
• Validazione sul campo: un condensatore a vite HVC 40 kV / 441 ha sostituito un componente di marca di prima fascia nei programmi di assistenza sul campo ad alta tensione e la stessa costruzione corrisponde ai parametri elettrici di Vishay Intervalli di derivazione radiale HVCC e KEMET.

Consegna e supporto

I componenti standard vengono spediti in 4-8 settimane, mentre i set completi in 6-10 settimane. Il team di ingegneri applicativi di HVC esamina il trasformatore di innesco, il dispositivo di commutazione e la frequenza di riaccensione per il circuito.

Invia i parametri del trasformatore, la potenza nominale dell'interruttore, la forma d'onda della sovratensione e la frequenza di riaccensione. HVC restituisce la classe del diodo, un valore C_s con analisi dell'induttanza di anello e un campione di snubber di Classe I con schermatura PD entro due settimane.

6. Domande frequenti

D1: Perché un diodo lento rende il circuito più rumoroso?

Poiché la sua carica di recupero esce dalla giunzione dopo che la tensione si è invertita. Una carica di 2 µC in un tempo di recupero di 500 ns è una corrente inversa di 4 A che collassa nel picco, e la stessa carica in 50 ns è di 40 A, che l'induttanza del circuito converte in 1.6 kV.

D2: Quanta induttanza genera effettivamente il picco?

La corrente di dispersione del trasformatore. A 800 A/µs, 2 µH producono 1.6 kV, mentre un'induttanza dei conduttori di 10 nH produce 8 V. La disposizione dei conduttori determina dove appare la corrente residua, e il termine µH ne determina l'entità.

D3: Cosa cambia nel valore del condensatore di snubber?

La velocità di variazione (slew rate) del diodo è data da dV/dt = I_surge/C_s. Un componente da 2.2 nF ha una corrente di picco di 18 kV/µs con una corrente di picco di 40 A; dimezzando il valore, la velocità di variazione raddoppia e il diodo si sposta verso la regione di valanga.

D4: Quando si verifica la valanga del diodo?

Quando il circuito porta la tensione oltre il livello di rottura, la giunzione assorbe quindi 0.5 × L_loop × i_rrm², che corrisponde a 1.6 mJ a 2 µH e 40 A. Un diodo senza una classificazione di valanga ripetitiva sopravvive a qualche migliaio di questi eventi e poi si guasta in cortocircuito.

D5: Come si riduce la potenza del diodo a una frequenza di riaccensione di 1 kHz?

Moltiplica 1.1 mJ per evento per la velocità per ottenere 1.1 W, confrontalo con l'impedenza termica della giunzione e mantieni la giunzione al di sotto dell'80% di T_jmax. Diodi in parallelo o un tipo con Q_rr inferiore sono i due modi per rimanere entro tale valore.

D6: Di quale sonda ho bisogno sul prototipo?

Una sonda differenziale a 500 MHz applicata al diodo. Verificare che il picco rimanga al di sotto della soglia di valanga, che l'anello di recupero si attenui entro un ciclo di commutazione e che il picco residuo rimanga al di sotto di 1.2 volte la tensione di blocco.

7. Riferimenti

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2. N. Mohan, TM Undeland, WP Robbins, Elettronica di potenza: convertitori, applicazioni e progettazione, 3a ed., Wiley, 2003.
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5. AND9800/D — Selezione del condensatore di snubber per applicazioni di azionamento motori (Tabella 15 Dati di prova), onsemi, AND9800-D, https://m.onsemi.jp/pub/Collateral/AND9800-D.PDF .
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7. L. Zheng, L. Zhu, J. Liu, Z. Di e S. Ji, Caratteristiche di auto-riparazione del condensatore a film metallizzato sotto sovrapposizione di tensione continua e alternata con armoniche, in 2022 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), pp. 175-178, 2022. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286.
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9. IEC 61071:2017, Condensatori per elettronica di potenza, Ed. 2.0. Ginevra: Commissione Elettrotecnica Internazionale, 2017.
10. Team di ingegneria applicativa HVC, Condensatore ceramico ad alta tensione Risorse tecniche, https://www.hv-caps.com