Blog sur la qualité et les condensateurs
Sélection du condensateur d'amortissement et de la diode pour les pilotes de pompes pulsées
Une inductance de boucle de 10 nH stocke 12.5 µJ à 50 A, soit 6.25 W à 500 kHz. Un circuit d'amortissement N4700 de 250 nF avec une diode à récupération rapide de 30 ns limite la tension à 10 V au-dessus d'un bus de 60 V en 50 ns, et sa résistance série équivalente (ESR) de 30 mΩ induit une tension de 1.5 V au lieu des 5 V nécessaires pour un composant de 100 mΩ.
Sélection du condensateur d'amortissement et de la diode pour les pilotes de pompes pulsées
Réponse technique
Un circuit de commande de pompe pulsée, avec un courant de crête de 50 A et des fronts de 10 ns, stocke 12.5 µJ dans une boucle d'inductance de 10 nH à chaque coupure, soit 6.25 W à 500 kHz. Un circuit d'amortissement N4700 de 250 nF, équipé d'une diode à récupération rapide de 30 ns, limite la tension à 10 V au-dessus d'une tension de bus de 60 V et se charge en 50 ns. Sa résistance série équivalente (ESR) de 30 mΩ induit une surtension de 1.5 V, contre 5 V pour un composant de 100 mΩ.
- Dimensionnez le condensateur d'amortissement en fonction de l'énergie inductive et de la cible de limitation
- Spécifiez la diode d'amortissement pour une récupération inverse inférieure à 30 ns.
- Choisissez un condensateur dont la tension nominale est comprise entre 1.5 et 2 fois la tension du bus.
- Séparer les trajets de charge et de décharge pour régler l'amortissement séparément.
- L'inductance de la boucle d'amortissement doit être inférieure à 2 nH.
Abstract
Chaque coupure d'un circuit de commande de pompe pulsée libère l'énergie stockée dans la boucle parasite. Cet article calcule l'énergie inductive, la capacité d'amortissement, la dissipation, le temps de charge, le temps de réinitialisation et la résistance d'amortissement. Il recense quatre points critiques rencontrés sur le terrain et propose six stratégies pour limiter la surtension d'un bus 60 V à moins de 10 V.
1. Introduction
Les circuits de commande de pompes pulsées haute fréquence commutent entre 100 kHz et 1 MHz avec un courant de 20 à 100 A et des temps de montée pouvant atteindre 10 ns dans les conceptions GaN. Chaque transition induit une variation de tension transitoire aux bornes du MOSFET et du réseau de diodes.
Sans contrôle, la tension transitoire atteint deux à trois fois la tension du bus. Elle provoque alors un claquage par avalanche dans le commutateur, un vieillissement prématuré du revêtement des facettes de la diode laser et s'introduit dans la boucle de rétroaction du courant sous forme d'interférences.
Le circuit d'amortissement absorbe l'énergie stockée dans l'inductance de boucle à chaque transition et la libère de manière contrôlée. Deux topologies sont courantes : le circuit d'amortissement RC et le circuit d'amortissement RCD, qui intègre une diode sur le trajet de charge.
La charge rend cette opération plus complexe que pour un variateur de moteur. Un réseau de diodes laser subit une chute de tension de 2 à 5 V par jonction et est irrémédiablement endommagé à une tension de 10 à 20 % supérieure à sa tension directe nominale.
Cet article établit les équations d'énergie et de synchronisation, énumère quatre points critiques sur le terrain et propose six stratégies pour un circuit d'amortissement qui limite un bus de 60 V à moins de 5 % avec un temps de réponse inférieur à 5 ns.
2. Mécanisme de base
2.1 Énergie inductive et transitoire de coupure
Le phénomène transitoire provient de l'énergie contenue dans l'inductance de la boucle au moment de la coupure :
E_inductance = ½ × L_parasitic × I_peak²
où E_inductance est l'énergie stockée par événement de commutation, L_parasite l'inductance de boucle qui transporte le courant d'impulsion et I_peak le courant d'impulsion de crête.
Avec une inductance de 10 nH et un courant de 50 A, l'énergie de l'événement est de 12.5 µJ, ce qui, à 500 kHz, correspond à une puissance moyenne de 6.25 W à absorber par le circuit d'amortissement. La réponse transitoire suit la durée de décroissance du courant.
V_transient = V_bus + L_parasitic × I_peak / t_fall
où V_transient représente la tension de crête du drain, V_bus la tension du bus et t_fall le temps de descente du courant du commutateur. Avec un temps de descente de 10 ns, la tension transitoire atteint 60 V ± 50 V, dépassant largement la tension nominale de 60 V du commutateur.
2.2 Capacité et dissipation du circuit d'amortissement
La capacité découle de l'énergie qui doit être absorbée pour un dépassement de tension donné :
C_snubber = L_parasitic × (I_peak / ΔV_clamp)²
où C_snubber est la capacité d'amortissement et ΔV_clamp la surtension autorisée au-dessus de la tension du bus.
Pour une surtension de 10 V, la valeur est de 250 nF. Le condensateur se charge jusqu'au niveau de limitation et libère cette charge à travers la résistance de décharge à chaque cycle, de sorte que la résistance supporte :
P_dissipated = ½ × C_snubber × ΔV_clamp² × f_sw
où P_dissipated représente la puissance moyenne dans le trajet de décharge et f_sw la fréquence de commutation. À 500 kHz, cela correspond à 6.25 W, ce qui correspond à l'énergie inductive par événement. La résistance de réinitialisation est déterminée par la période de commutation.
R_snubber = 1 / (4 × f_sw × C_snubber)
où R_snubber décharge le condensateur en une période. À 500 kHz avec 250 nF, la valeur de cette résistance est de 2 Ω, et une résistance plus élevée laisserait une charge sur le condensateur lors de la prochaine coupure.
2.3 Temps de charge et exigences relatives aux diodes
Le condensateur doit atteindre le niveau de limitation avant que l'interrupteur ne finisse de s'éteindre :
t_charge = C_snubber × ΔV_clamp / I_peak
où t_charge représente le temps de charge du condensateur d'amortissement. Pour 250 nF, 10 V et 50 A, ce temps est de 50 ns, ce qui correspond à un intervalle de coupure typique.
Le condensateur stocke également l'énergie absorbée au niveau de la pince :
E_capacitor = ½ × C_snubber × ΔV_clamp²
où E_capacitor représente l'énergie stockée par événement, soit 12.5 µJ dans cette conception. La diode de chemin de charge doit présenter un temps de recouvrement inverse inférieur à 30 ns et une chute de tension directe inférieure à 0.8 V.
2.4 Résonance et amortissement résiduels
Après la limitation, l'énergie résiduelle oscille en fonction de la capacité parasite de l'interrupteur et de la diode :
f_ringing = 1 / (2π × √(L_parasitic × C_parasitic))
où f_ringing est la fréquence de l'anneau et C_parasitic la capacité parasite totale, y compris la capacité de sortie du commutateur et la capacité de jonction de la diode.
Avec 10 nH et 250 pF, l'anneau fonctionne à 100 MHz. La résistance série qui l'amortit est déterminée par le taux d'amortissement cible :
R_damping = 2 × ζ × √(L_parasitic / C_parasitic)
où R_damping représente la résistance série totale nécessaire et ζ le coefficient d'amortissement cible. Pour ζ = 0.5, la valeur est de 6.3 Ω, supérieure à la valeur de réinitialisation de 2 Ω. Un circuit d'amortissement divisé résout cette différence en attribuant des résistances distinctes aux chemins de charge et de décharge.
Fig. 1 — Le circuit d'amortissement RCD se charge à travers D1 en 50 ns et se réinitialise à travers le chemin 2 Ω ; la pince maintient 10 V au-dessus du bus 60 V.
3. Points faibles en matière d'ingénierie
Problème n° 1 : Les condensateurs d’amortissement à ESR élevée affaiblissent la limitation.
Les composants céramiques à usage général présentent une résistance de 50 à 200 mΩ à 100 MHz. Lors de la phase de charge rapide, le courant d'impulsion de 50 A génère une tension de 5 V aux bornes d'une résistance série équivalente (ESR) de 100 mΩ, qui s'applique directement à la tension de limitation.
La tension de pince atteint alors 75 V au lieu de 70 V, soit une surtension de 7 % qui peut entraîner une tension de drain supérieure à la plage de fonctionnement sécuritaire d'un appareil de 80 V. La valeur du condensateur en elle-même n'est pas en cause.
Point faible n° 2 : Lente récupération inverse de la diode de charge
Une diode dont le temps de récupération inverse est supérieur à 50 ns laisse passer le courant en sens inverse lors de la fermeture de l'interrupteur. L'énergie par événement est de 0.5 × 50 A × 50 ns × 10 V, soit 12.5 µJ.
À 500 kHz, cela ajoute 6.25 W de chaleur à l'intérieur du boîtier de la diode, soit du même ordre de grandeur que l'énergie que le circuit d'amortissement est censé absorber. Cela provoque également des oscillations sur le rail opposé et des interférences dans la boucle de courant.
Point sensible n° 3 : Absorption diélectrique comme mémoire de tension
Les composants de classe II récupèrent de 1 % à 5 % de leur charge après décharge, en quelques microsecondes à quelques millisecondes. Cette récupération se traduit par une tension résiduelle sur le condensateur d'amortissement au début de chaque cycle.
Avec une excursion de tension de 10 V, une absorption de 3 % induit un décalage incontrôlé de 0.3 V. Dans la plage de 1.2 V autorisée par une tolérance de tension de ±2 % sur une alimentation de 60 V, ce décalage représente un quart de la marge.
Point faible n°4 : Emballement thermique dans la résistance d’amortissement
La résistance de décharge supporte une puissance continue de 6.25 W à 500 kHz. La plupart des résistances à film métallique ont un coefficient de température de résistance positif, ce qui signifie que leur résistance augmente avec la température.
Une résistance plus élevée signifie une réinitialisation plus lente et un amortissement moindre, de sorte que le transitoire augmente, la dissipation augmente avec lui et la boucle s'emballe dans un module scellé avec une mauvaise circulation d'air.
4. Étapes de conception
Stratégie 1 : Choisir un diélectrique de classe I pour le condensateur d’amortissement
Installez N4700 (T3M) Composants de classe I. L'ESR reste entre 20 mΩ et 50 mΩ à 100 MHz pour 250 nF, contre 50 mΩ à 200 mΩ pour la céramique à usage général, et l'absorption diélectrique tombe en dessous de 0.05 %.
Un coefficient de température de ±30 ppm/°C assure un niveau de tension constant sur toute la plage de fonctionnement de l'enceinte, évitant ainsi tout réajustement saisonnier du circuit d'amortissement. Le facteur d'absorption maintient le décalage résiduel en dessous de 5 mV.
Stratégie 2 : Maintenir la diode en dessous de 30 ns de temps de récupération
Utiliser un diode à récupération rapide Avec un temps de récupération inverse inférieur à 30 ns et une récupération progressive, et une chute de tension directe inférieure à 0.8 V au courant nominal. La caractéristique progressive répartit le courant inverse dans le temps au lieu de provoquer des oscillations.
Pour un bus de 60 à 100 V, une diode Schottky en carbure de silicium (SiC) élimine totalement les frais de récupération, moyennant un surcoût. Ce choix permet de supprimer les 6.25 W du point critique n° 2 du budget thermique.
Stratégie 3 : Choisir la capacité du condensateur pour une faible ESR
Réglez la tension nominale à 1.5 à 2 fois la tension du bus, ce qui offre une marge sans augmenter la taille du boîtier et donc l'ESR. HVCT8G Les composants fonctionnant entre 100 V et 200 V maintiennent une ESR inférieure à 30 mΩ à 100 MHz de 100 nF à 470 nF.
À 50 A, la contribution de l'ESR reste inférieure à 1.5 V, ce qui correspond à la différence entre un objectif de limitation de 5 % et un dépassement de 7 %. Lorsque la valeur est élevée, condensateur à film couvre la partie basse fréquence du spectre.
Stratégie 4 : Séparer les voies de charge et de décharge
Le chemin de charge est doté d'une diode à faible inductance et d'une faible résistance en série, tandis que le chemin de décharge est doté de sa propre résistance. Le chemin de charge réagit alors en moins de 5 ns, tandis que le chemin de décharge s'amortit avec une constante de temps de 1/(4 f_sw C).
Utilisez une résistance de 2 Ω à 6.3 Ω sur le circuit de décharge : la valeur la plus basse pour la réinitialisation et la plus élevée pour l’amortissement. Cette configuration permet à un seul circuit d’amortissement de répondre aux deux exigences sans compromis.
Stratégie 5 : Réduire la taille de la boucle d’amortissement
Intégrez le condensateur, la diode et le drain de l'interrupteur dans une zone de 5 mm x 5 mm, avec au moins deux vias parallèles par connexion afin de ramener l'inductance des vias en dessous de 0.5 nH. Placez le condensateur d'amortissement sur la même couche que l'interrupteur.
Une inductance de boucle totale inférieure à 2 nH permet de limiter la réponse aux composants. Ajoutez un résistance à couche épaisse dans le circuit de décharge afin de maintenir la valeur de réinitialisation stable malgré les variations de température.
Stratégie 6 : Ajouter un bypass haute fréquence au niveau du commutateur
Placez une capacité de 10 nF à 100 nF de type N4700 directement aux bornes de l'interrupteur, avec une inductance de boucle inférieure à 1 nH. Le circuit de dérivation absorbe les 5 premières nanosecondes du transitoire tandis que le circuit d'amortissement principal gère le reste de l'énergie.
Le diélectrique N4700 maintient la valeur de dérivation et l'ESR stables sur toute la plage de température, de sorte que le chemin rapide continue de fonctionner à l'extrémité chaude de la plage.
Le type de redresseur haute tension utilisé dans le même circuit de commande suit les paramètres ci-dessous.
| Paramètre de composant | Valeur typique | Condition de test |
|---|---|---|
| Tension inverse de crête répétitive | VRRM 10 kV | Série 2CL, 25 °C |
| Courant direct moyen | 0.8 A SI(AV) | Onde rectangulaire, Tc ≤ 85 °C |
| Courant de surtension direct | 100 A à 8.3 ms | surtension unique, IFSM |
| Temps de récupération inverse | en dessous de 1 µs trr | niveau de récupération souple |
| capacité de jonction | 25 pF typ. | VR = 4 kV, 1 MHz |
| Température de fonctionnement | −55 °C à +125 °C | Tj max |
| Courant de fuite | courant inférieur à 5 mA à VRRM | 25 °C, pleine puissance |
5. Composants HVC pour réseaux d'amortissement
Trois critères déterminent le choix des composants à ce niveau de spécification : une ESR suffisamment faible pour assurer la limitation, une diode à conduction rapide et des composants stables en température et en âge. HVC fabrique des condensateurs N4700 (T3M) de classe I sur substrat SrTiO3, des diodes en silicium dopé au platine et des résistances à couche épaisse dans son usine de 6 000 m² à Dongguan, avec des tensions nominales de 1 kV à 100 kV et des diodes de 100 V à 600 V.
Six paramètres importants ici
- ESR inférieur à 30 mΩ à 100 MHz pour 100 nF à 470 nF, ce qui maintient la contribution ESR de 50 A sous 1.5 V contre 5 V pour une partie de 100 mΩ.
- Absorption diélectrique inférieure à 0.05 %, ce qui maintient la mémoire de tension résiduelle proche de zéro et préserve la cohérence du clamp d'une impulsion à l'autre.
- Coefficient de température de ±30 ppm/°C et variation de capacité inférieure à 0.35 % de −55 °C à +125 °C, de sorte que le serrage et le rapport d'amortissement restent stables du démarrage à froid à l'état stationnaire.
- Diodes à récupération rapide avec récupération inverse de 25 ns à 30 ns et récupération douce, nominales de 100 V à 600 V et de 5 A à 30 A.
- Capacité à 2 % près après 50 000 h à 85 °C, ce qui maintient l’énergie absorbée par événement constante sur une durée de vie de 5 à 10 ans.
- Compatible avec les grandes marques. Le composant à vis 40 kV/441 correspond aux paramètres électriques et aux dimensions d'emballage de Murata condensateurs à vis dans le cadre du programme de réparation sur site des sources lumineuses de lithographie.
Livraison et support
Les pièces standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines, et les kits sur mesure sous 6 à 10 semaines. L'ingénierie des applications HVC prend en charge la simulation des amortisseurs, l'analyse du bilan énergétique et l'étude de l'inductance de boucle, ainsi que le support thermique pour la résistance de décharge.
Veuillez transmettre la tension du bus, le courant de crête, le temps de descente, l'inductance de boucle et la valeur cible de limitation. HVC vous fournira sous cinq jours ouvrés une liste des composants avec les données d'ESR et de récupération, ainsi qu'un kit d'évaluation à deux échantillons.
6. Questions fréquentes
Q1 : Quelle quantité d'énergie libère une coupure ?
Elle suit ½ L I². Avec une inductance de boucle de 10 nH et un courant de crête de 50 A, l'énergie de l'événement est de 12.5 µJ, ce qui à 500 kHz correspond à une puissance moyenne de 6.25 W que le circuit d'amortissement doit dissiper.
Q2 : Quel condensateur limite la tension à 10 V au-dessus d'un bus de 60 V ?
C = L × (I/ΔV)² = 10 nH × (50/10)² = 250 nF. Le condensateur atteint le niveau de limitation en 50 ns à 50 A, ce qui correspond à l'intervalle de coupure d'un dispositif à front de 10 ns.
Q3 : Pourquoi l’ESR est-elle plus importante que la capacité ici ?
La phase de charge s'effectue à 50 A. Une résistance série équivalente (ESR) de 100 mΩ développe une tension de 5 V à ses bornes, ce qui porte la tension de limitation de 70 V à 75 V et réduit la marge de sécurité d'un interrupteur de 80 V. À 30 mΩ, le même courant engendre une tension de 1.5 V.
Q4 : Quel est le prix d'une diode lente ?
Un temps de récupération inverse de 50 ns emmagasine 0.5 × 50 A × 50 ns × 10 V = 12.5 µJ par événement, soit 6.25 W à 500 kHz. Cette chaleur se dissipe dans le boîtier de la diode et sollicite fortement le commutateur sur le rail opposé. Il est impératif de maintenir le temps de récupération en dessous de 30 ns.
Q5 : De quelle résistance d'amortissement l'anneau a-t-il besoin ?
R = 2ζ√(L/C). Pour ζ = 0.5 avec 10 nH et 250 pF, la résistance série totale est de 6.3 Ω, supérieure aux 2 Ω nécessaires à la réinitialisation du condensateur en une période. Un circuit d'amortissement divisé attribue une résistance à chaque chemin.
Q6 : L'absorption diélectrique a-t-elle encore une importance avec une pièce de classe I ?
Oui, et c'est bien là le problème. Les composants de classe II récupèrent de 1 % à 5 % de leur charge, ce qui, pour une tension de limitation de 10 V, représente un décalage incontrôlé pouvant atteindre 0.5 V. Le N4700 reste en dessous de 0.05 %, soit moins de 5 mV.
7. Références
- E. Kuffel, WS Zaengl, J. Kuffel, Principes fondamentaux de l'ingénierie haute tension, 2e éd., Newnes, 2000.
- N. Mohan, TM Undeland, WP Robbins, Électronique de puissance : convertisseurs, applications et conception, 3e éd., Wiley, 2003.
- Avis MIL-HDBK-217F 2, Prédiction de la fiabilité des équipements électroniques 1995.
- CEI 60384-1:2021, Condensateurs fixes pour équipements électroniques - Partie 1 : Spécifications générales, 6e éd. Genève : CEI, 2021.
- L. Zheng, L. Zhu, J. Liu, Z. Di et S. Ji, Caractéristiques d'auto-réparation d'un condensateur à film métallisé sous tension superposée continue et alternative avec harmoniques, dans la conférence IEEE 2022 sur l'isolation électrique et les phénomènes diélectriques (CEIDP), pp. 175-178, 2022. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286.
- AND9800/D — Sélection du condensateur d'amortissement pour les applications d'entraînement de moteur (Tableau 15 Données de test), onsemi, AND9800-D, https://m.onsemi.jp/pub/Collateral/AND9800-D.PDF .
- Demande de recommandation concernant un circuit d'amortissement pour la protection du transformateur Infineon FF300R17KE4P, Communauté des développeurs Infineon, https://community.infineon.com/t5/IGBT/Request-for-Snubber-Circuit-Recommendation-for-Protecting-Infineon-FF300R17KE4P/td-p/1241451 .
- GB/T 17702-2021, 电力电子电容器 (Condensateurs pour l'électronique de puissance). Pékin : 国家市场监督管理总局, 2021.
- États-Unis 8,570,711, Composant électronique en céramique multicouche (Suppression des décharges d'arc pour les MLCC de 1 à 5 kV), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., accordé en 2013, https://www.freepatentsonline.com/8570711.html .
- Équipe d'ingénierie des applications HVC, Condensateur céramique haute tension Ressources techniques, https://www.hv-caps.com
Veuillez indiquer la tension, la capacité, la fréquence, le schéma de montage et la quantité. HVC vous recommandera un composant de qualité N4700, accompagné de données de contrôle des décharges partielles et de rapports de durée de vie de 1 000 heures, sous 48 heures.
Envoyer la nomenclature / Demander un devis technique →Produits HVC connexes
Stabilité thermique et disposition des résistances de détection du circuit de commande de la pompe
Suivant →Sélection de diodes à récupération rapide pour la protection contre les surtensions des moteurs de pompes