Protezione coordinata con resistore di filtro e morsetto per accenditori

Protezione coordinata con resistore di filtro e morsetto per accenditori

Astratto

Un front-end per l'accensione al plasma è dotato di tre protezioni: un condensatore di filtraggio, una resistenza di limitazione e un diodo di blocco. Montati uno dopo l'altro, questi componenti interagiscono tra loro perché ciascuno modifica l'impedenza rispetto alla quale operano gli altri. Questo articolo illustra la sequenza temporale che permette ai tre componenti di cooperare, la ripartizione dell'energia tra il circuito di blocco e quello di filtraggio, e il test in tre scenari che ne dimostra l'efficacia.

1. introduzione

La parte frontale di un sistema di accensione al plasma si trova tra lo stadio di potenza alimentato dalla rete elettrica e il trasformatore di accensione. Tre meccanismi classici ne garantiscono il funzionamento.

Un condensatore posto in parallelo al bus assorbe l'energia ad alta frequenza. Una resistenza in serie limita la corrente di spunto e la corrente di guasto. Un diodo di protezione mantiene la tensione del nodo entro un intervallo predefinito.

Ciascun meccanismo è ben comprensibile singolarmente. Assemblati in sequenza, modificano reciprocamente le proprie condizioni operative. Il filtro fornisce al morsetto un percorso a bassa impedenza e ne disturba il funzionamento.

La fase iniziale dell'innesco è il punto più critico per questo tipo di interazione. Durante la fase di pre-scarica, il nodo presenta un'oscillazione di 20-25 kV, e al momento della scarica la tensione crolla fino alla caduta di tensione dell'arco in pochi microsecondi.

2. Meccanismo fondamentale

2.1 Tre meccanismi, tre scale temporali

La rete è una struttura a tre elementi attorno al nodo: il condensatore di filtro C_f verso massa, la resistenza limitatrice in serie R_lim verso il carico sensibile e il diodo di blocco con il suo condensatore C_c che mantiene il nodo all'interno di una finestra.

Ogni meccanismo funziona secondo una propria scala temporale. L'angolo del filtro è:

f_filter = 1 / (2π × R_src × C_f)

dove f_filter è la condizione al contorno del filtro, R_src l'impedenza di sorgente che alimenta il nodo e C_f la capacità del filtro. Il suo periodo, 2π × R_src × C_f, è il tempo di reazione del filtro.

Con un'impedenza di sorgente di 50 Ω e una capacità di 100 nF, la frequenza di taglio è di 31.8 kHz e il tempo di reazione è di 31.4 µs.

2.2 Il limitatore e il morsetto

La scala temporale del limitatore è data dal suo stesso RC con il carico che alimenta:

τ_lim = R_lim × C_load

dove τ_lim è la costante di tempo del limitatore, R_lim la resistenza in serie e C_load la capacità sul lato di carico. Con 10 Ω e 47 nF, il valore è 470 ns.

La risposta del morsetto è data dal tempo di transito del diodo più il valore LC del suo circuito interno:

τ_clamp = √(L_loop × C_c)

dove τ_clamp è il tempo di risposta del morsetto, L_loop l'induttanza dell'anello di morsetto e C_c la capacità del morsetto. Un anello da 20 nH con 150 nF fornisce 55 ns.

La regola della co-progettazione è un ordine rigoroso:

τ_clamp ≪ τ_lim ≪ 2π × R_src × C_f

dove i tre termini sono la risposta del morsetto a 55 ns, la costante di tempo del limitatore a 470 ns e il tempo di reazione del filtro a 31.4 µs. Ciascun meccanismo agisce quindi all'interno di una finestra che gli altri non occupano.

2.3 L'interazione tra filtro e morsetto

Il condensatore di filtro fornisce alla carica di recupero del morsetto un percorso di scarica, e tale percorso è circolare:

f_ring = 1 / (2π × √(L_loop × C_f))

dove f_ring è la frequenza di risonanza dell'anello del filtro, L_loop l'induttanza dell'anello e C_f la capacità del filtro. Con 20 nH e 100 nF è pari a 3.56 MHz.

Deve rimanere lontano dalla frequenza di taglio del filtro a 31.8 kHz, e lo fa con un fattore di 112. Un fattore inferiore a dieci crea una risonanza a banda media tra i due meccanismi, e l'anello viene quindi reiniettato come un impulso a banda larga.

2.4 Suddivisione dell'energia d'impatto

Quando lo sciopero fa crollare la tensione del nodo, l'energia dispersa dal trasformatore deve pur finire da qualche parte:

E_trans = 0.5 × L_leak × I_strike²  ,  E_absorb = 0.5 × C × ΔV²

dove E_trans è l'energia di dispersione immagazzinata, L_leak l'induttanza di dispersione del trasformatore, I_strike la corrente di scarica, E_absorb l'energia assorbita da un ramo, C la sua capacità e ΔV l'aumento di tensione ai suoi capi.

Con una corrente di dispersione di 2 mH e una corrente di scarica di 8 A, l'energia immagazzinata è di 64 mJ. La ripartizione è impostata appositamente: 60% al morsetto e 40% al filtro.

Con un aumento di tensione di 720 V, quei componenti richiedono 150 nF sul morsetto e 100 nF sul filtro. La suddivisione è quindi una scelta progettuale e i due condensatori vengono dimensionati in base all'energia che devono immagazzinare, non solo in base alla tensione.

Il dielettrico determina se la separazione resiste a una variazione. Un componente di Classe II che perde il 15% del suo valore con la temperatura e la polarizzazione modifica la sua quota di energia, e l'ordinamento valido a 25 °C si inverte a 70 °C.

Figura 1 — Il morsetto risponde in 55 ns, il limitatore modella il picco in 470 ns e il filtro passa-alto si trova a 31.4 µs, quindi ogni meccanismo ha la sua finestra temporale.

3. Punti critici di ingegneria

Punto critico 1: il morsetto è in ritardo e la punta sfugge

Con un ampio circuito di blocco e un diodo lento, la risposta del circuito di blocco non è della scala temporale più breve. Il picco raggiunge il carico prima che il diodo conduca.

La protezione, quindi, esiste solo nello schema. Il carico rileva il picco e il guasto si manifesta a livello del carico stesso.

Punto dolente 2: Gli anelli del filtro con il recupero del morsetto

La carica di recupero del diodo di blocco si scarica attraverso il condensatore di filtro e l'induttanza del circuito. Il segnale oscilla alla frequenza propria del circuito di filtro.

L'anello arriva esattamente quando il nodo dovrebbe essere tranquillo e appare come un'esplosione a banda larga nel grafico delle emissioni. Una piccola resistenza in serie nel circuito lo smorza prima che diventi un problema.

Punto critico 3: Il limitatore contrasta il filtro

Una resistenza in serie tra il filtro e il carico modifica l'impedenza di sorgente del filtro e ne sposta la frequenza di taglio. Un filtro sintonizzato senza il limitatore risulta non sintonizzato una volta installato il limitatore.

Il contenuto residuo ad alta frequenza raggiunge quindi il carico e il rifiuto del filtro nel file di rilascio non descrive più la macchina.

Punto critico 4: la deriva termica riordina le scale temporali

Nei condensatori di classe II, sia C_f che C_c si riducono del 15% con la temperatura e la polarizzazione. L'ordine che si mantiene a 25 °C può invertirsi a 70 °C.

Il limitatore di tensione diventa più lento del limitatore stesso, e quindi la rete non protegge più nulla. Nessun componente si è guastato e nessun test a temperatura ambiente ha rilevato la variazione.

4. Fasi di progettazione

Strategia 1: Imporre l'ordinamento temporale fin dalla progettazione

Inserisci i tre valori nei requisiti: clamp 55 ns, limiter 470 ns, filter 31.4 µs. Misura ciascuno di essi dopo l'assemblaggio e considera qualsiasi inversione come un difetto.

L'ordinamento non è una manopola di regolazione. Una rete che deve essere sintonizzata per ottenere un ordine preciso si sposterà da tale ordine già al primo ciclo termico.

Strategia 2: Progettare insieme il filtro e l'anello di fissaggio

Posizionare C_f e il diodo di blocco in modo che il percorso della corrente di recupero sia breve e mantenere l'induttanza del circuito al di sotto di 20 nH. È questo valore che rende possibile il tempo di risposta di 55 ns.

Separa l'anello a 3.56 MHz dalla banda a 31.8 kHz di almeno un decennio e inserisci una piccola resistenza in serie per smorzare l'anello. Smorzare un anello è più facile che spostarlo.

Strategia 3: Dimensionare il limitatore in base alla corrente di guasto

Scegliere R_lim dalla corrente di guasto nel caso peggiore, non dalla corrente di lavoro. A 600 V un limitatore da 10 Ω limita il guasto a 60 A e deve assorbire 360 ​​J in un intervallo di sicurezza di 10 ms.

Utilizzare un dispositivo con resistenza di sovratensione resistore a film spesso per tale scopo, e verificarne successivamente l'effetto sull'angolo del filtro. Il limitatore e il filtro devono essere dimensionati insieme.

Strategia 4: Utilizzare condensatori ceramici di Classe I per entrambi i condensatori

Con un dielettrico di Classe I a ±30 ppm/°C e un tanδ inferiore allo 0.1%, l'ordinamento è invariante rispetto alla temperatura e alla polarizzazione CC. La rete progettata a 25 °C è la stessa rete a 70 °C.

Seleziona N4700 parti per la posizione del morsetto, dove il dv/dt è massimo, e verificare il livello PD al di sotto di 5 pC alla tensione del nodo in modo che la protezione non emetta il rumore che dovrebbe sopprimere.

Strategia 5: Verificare il trio con tre scenari

Eseguire scenari di accensione normale, transitorio di scarica e sovratensione di guasto con sonde sia sul nodo che sul carico. Verificare la finestra di limitazione sul carico, il limite di corrente di carico e il rifiuto del filtro in ogni scenario.

Ripeti gli scenari agli angoli della temperatura. Dove lo scenario di guasto richiede un vero e proprio picco, un diodo raddrizzatore Una stringa con alimentazione a limitazione di corrente riproduce la forma d'onda senza danneggiare l'apparecchio.

Strategia 6: Documentare il budget per la protezione

Registra il contributo di ciascun meccanismo: l'attenuazione del filtro in dB, la capacità di corrente del limitatore e l'intervallo di tensione di blocco. Riporta i valori numerici accanto al diagramma temporale nel file di rilascio.

Una rete coordinata sopravvive ai cambiamenti di personale solo se il suo scopo progettuale è documentato per iscritto. Il prossimo ingegnere avrà bisogno dei tre numeri, non solo dello schema.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Potenza nominale (serie HVR)	50 W a 70 °C	alloggiamento in alluminio, aria libera
Valore di resistenza	10 kΩ ±5%	25 °C di riferimento
Tensione di funzionamento	10 kV CA/CC	continuo
Resistenza agli impulsi	30 kV a 10 µs	10 impulsi, classe IEC 60110
Coefficiente di temperatura (resistivo)	±50ppm/°C	da -55 °C a +155 °C
resistenza di isolamento	superiore a 1 GΩ a 1000 V CC	distanza di dispersione minima 25 mm
Capacità di corrente di picco	100 A a 1ms	filo avvolto non induttivo

5. Condensatori HVC per il trio di protezione

Tre requisiti guidano la scelta in questo caso: una capacità che mantenga l'ordine alla temperatura, basse perdite ai nodi dv/dt più elevati e un livello PD documentato. HVC produce componenti N4700 che soddisfano questi requisiti.

Sei parametri importanti in questo nodo

• Dielettrico N4700 (T3M) di classe I con coefficiente di ±30 ppm/°C. L'angolo del filtro e l'accumulo di energia del morsetto sono invarianti, quindi l'ordinamento della scala temporale è una proprietà fissa della macchina.
• tanδ inferiore allo 0.1%. Entrambi i condensatori si trovano sui nodi dv/dt più elevati e le basse perdite li mantengono freschi senza aggiungere alcun errore ESR al livello di clamp.
• Gamma di tensione da 1 kV a 100 kV. Una famiglia comprende i filtri front-end e i morsetti da 25 kV e i filtri lato logica a bassa tensione.
• PD inferiore a 5 pC su ogni parte schermata. La rete di protezione non emette il rumore che dovrebbe sopprimere.
• Tolleranze ristrette e impedenza documentata. Il controllo dell'ordine e la separazione della frequenza di risonanza diventano semplici calcoli anziché operazioni di laboratorio.
• Collaudati sul campo in sistemi di protezione multimeccanismo. I condensatori HVC 40 kV / 441 pF con terminali a vite hanno sostituito i condensatori di marche leader nei programmi di assistenza sul campo ad alta tensione e sono adottati da un numero crescente di produttori OEM nazionali.

Consegna e supporto

I valori standard vengono spediti in 4-8 settimane e i set abbinati in 6-10 settimane. La stessa famiglia comprende dischi radiali e condensatori doorknob per le posizioni del filtro di massa.

I componenti HVC corrispondono ai parametri elettrici e alle dimensioni del package di Murata, parti TDK e KEMET, quindi il trio può essere rifornito con un unico scambio di dati.

Invia la tensione del nodo, la corrente di guasto e il profilo del picco. HVC restituisce i valori dei tre elementi, il diagramma della scala temporale prevista e il piano di test a tre scenari.

6. Domande frequenti

D1: Perché le tre protezioni non possono essere dimensionate separatamente?

Perché ognuno di essi modifica l'impedenza contro cui agiscono gli altri. Il filtro fornisce al circuito di blocco un percorso a bassa impedenza, il limitatore sposta l'impedenza di sorgente del filtro e il circuito di recupero del circuito di blocco si propaga attraverso l'anello del filtro. L'ordine temporale è ciò che impedisce ai tre di sovrapporsi.

D2: Come viene calcolato l'angolo del filtro?

f_filter = 1 / (2π × R_src × C_f). Con un'impedenza di sorgente di 50 Ω e 100 nF, la frequenza di taglio è di 31.8 kHz e il suo periodo di 31.4 µs determina la velocità di risposta del filtro a un disturbo.

D3: Da dove proviene la risposta di blocco di 55 ns?

Dal circuito di blocco. τ_clamp = √(L_loop × C_c), e con 20 nH e 150 nF si ottengono 55 ns. L'induttanza del circuito domina il valore, motivo per cui la configurazione determina le prestazioni del circuito di blocco.

D4: Come dovrebbe essere suddivisa l'energia dello sciopero?

Per scelta progettuale. E_trans = 0.5 × L_leak × I_strike² è pari a 64 mJ a 2 mH e 8 A. Inviare il 60% al morsetto e il 40% al filtro richiede 150 nF e 100 nF con un aumento di 720 V, e la suddivisione è quindi una scelta progettuale anziché un errore.

D5: Quanto costa il limitatore in termini di energia immagazzinata?

Deve resistere al guasto, non alla corrente di lavoro. A 600 V, un limitatore da 10 Ω limita il guasto a 60 A e assorbe 360 ​​J in un intervallo di 10 ms, il che lo colloca nella classe di componenti resistenti alle sovratensioni. Il segnale di lavoro che lo attraversa è di gran lunga inferiore.

D6: Cosa dimostra che il trio è coordinato?

Tre scenari misurati al nodo e al carico: accensione normale, transitorio di scarica e sovratensione di guasto. Il picco deve rimanere all'interno della finestra di limitazione al carico, la corrente di carico deve rimanere al di sotto del limite del limitatore e il nodo deve oscillare al di sotto della soglia di reiezione del filtro in ogni angolo di temperatura.

7. Riferimenti

1. E. Kuffel, WS Zaengl, J. Kuffel, Fondamenti di ingegneria dell'alta tensione, 2ª ed., Newnes, 2000.
2. N. Mohan, TM Undeland, WP Robbins, Elettronica di potenza: convertitori, applicazioni e progettazione, 3a ed., Wiley, 2003.
3. Avviso MIL-HDBK-217F 2, Previsione dell'affidabilità delle apparecchiature elettroniche 1995.
4. IEC 60384-1:2021, Condensatori fissi per impiego in apparecchiature elettroniche - Parte 1: Specifiche generiche, 6ª ed. Ginevra: IEC, 2021.
5. M. Marchesoni e altri, Minimizzazione dell'ondulazione della tensione del condensatore nei convertitori di tensione per applicazioni HVDC, in AEIT HVDC International Conference (AEIT HVDC) 2019, pp. 1-6, 2019. https://doi.org/10.1109/aeit-hvdc.2019.8740647
6. Nota applicativa del modulo IGBT (Sezione 6.7 Circuito di snubber)Mitsubishi Electric, https://www.mitsubishielectric.com/cn/semiconductors/powerdevices/application_notes/igbt_t_t1_note_e_index_e.pdf .
7. GB/T7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量. Edizione: 中国标准出版社, 2018.
8. Come si determina la tensione di rottura di un condensatore?, Forum All About Circuits, https://forum.allaboutcircuits.com/threads/how-do-i-determine-breakdown-voltage-of-a-capacitor.25915/ .
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