Pertes des condensateurs des onduleurs haute fréquence dans les systèmes de polymérisation UV

Pertes des condensateurs des onduleurs haute fréquence dans les systèmes de polymérisation UV

Abstract

Une alimentation à polymérisation UV alimente un convertisseur pont complet, LLC ou de classe E à une fréquence de 80 kHz à 500 kHz. Les pertes par condensateur, négligeables à la fréquence du réseau, déterminent alors la marge thermique du convertisseur. Cet article calcule la fréquence de résonance, la résistance série équivalente (ESR) du diélectrique, la dissipation, la montée en tension du noyau et le dépassement de commutation de cet étage, identifie quatre points critiques et propose six étapes de conception. Un composant de classe I de 2.2 nF perd 0.81 W, tandis qu'un composant de classe II perd 20.4 W.

1. Introduction

L'étage de puissance d'un système de polymérisation UV convertit le courant secteur ou un bus CC régulé en courant alternatif haute tension qui alimente une lampe à arc via son ballast ou l'étage résonant d'une lampe à mercure. Les transformateurs 50 Hz des générations précédentes sont désormais remplacés par des topologies en pont complet, LLC et de classe E.

Ces topologies fonctionnent à des fréquences de 80 à 500 kHz avec des bus de 300 à 1 000 V CC et une puissance de sortie de 3 à 30 kW. Une fréquence de commutation plus élevée réduit la taille des composants magnétiques et du transformateur, et expose chaque condensateur à des courants d'ondulation alternatifs qui augmentent avec la fréquence.

Les pertes du condensateur sont négligeables à la fréquence du réseau et prédominantes à 200 kHz. Ces pertes se produisent à l'intérieur du composant, ce qui augmente la température du noyau, décale la fréquence de résonance et réduit la marge thermique nécessaire aux dispositifs de commutation.

Le choix de la topologie et celui du condensateur sont liés. La fenêtre de commutation à tension nulle d'un convertisseur LLC dépend de la précision de fréquence du circuit résonant, elle-même tributaire de la stabilité du condensateur de ce circuit.

2. Mécanisme de base

2.1 Fréquence de résonance du réservoir

Le gain du circuit résonant d'un convertisseur LLC dépend du rapport entre la fréquence de commutation et la fréquence de résonance, rapport fixé par les éléments du circuit résonant :

f_0 = 1 / (2π × √(L_r × C_r))

où f_0 est la fréquence de résonance en hertz, L_r l'inductance de résonance en série en henrys et C_r la capacité de résonance en série en farads.

Une inductance de 288 µH associée à un condensateur de 2.2 nF résonne à 200 kHz. La courbe de gain pivote autour de ce point ; une erreur de capacité décale donc l’ensemble de la courbe et le point de fonctionnement.

2.2 Résistance série équivalente diélectrique à la fréquence de commutation

Au-delà de quelques dizaines de kilohertz, la résistance série équivalente (ESR) d'un condensateur céramique suit son facteur de dissipation :

ESR ≈ tan δ / (2π × f × C)

où ESR est la résistance série équivalente en ohms, tan δ le facteur de dissipation à la fréquence de fonctionnement, f la fréquence en hertz et C la capacité en farads.

Un composant de classe I de 2.2 nF à 200 kHz présente une réactance de 362 Ω et une résistance série équivalente (ESR) de 362 mΩ à tan δ = 0.1 %. Un composant de classe II à tan δ = 2.5 % présente une réactance de 9.05 Ω, soit 25 fois plus. Il est important de lire le facteur de dissipation à la fréquence de fonctionnement, car une valeur donnée à 1 kHz ne s'applique pas à un composant fonctionnant à 200 kHz.

2.3 Dissipation du condensateur

La dissipation suit le courant d'ondulation et la résistance série équivalente (ESR) :

P_C = I_rms² × ESR(f)

où P_C est la dissipation du condensateur en watts, I_rms le courant RMS traversant le condensateur en ampères et ESR(f) la résistance série équivalente à la fréquence de fonctionnement.

Un composant de 2.2 nF, traversé par un courant de circuit résonant de 1.5 A efficace et présentant une impédance de 362 mΩ, dissipe 0.81 W. Le même courant dans une résistance de 9.05 Ω dissipe 20.4 W. La valeur de la capacité étant identique dans les deux cas, c'est la classe diélectrique qui détermine les pertes.

2.4 Augmentation de la température interne

Le point chaud suit la dissipation et le chemin thermique de la pièce et de son support :

ΔT = P_C × R_th

où ΔT est l'élévation de température du noyau au-dessus de la référence en kelvins, P_C la dissipation en watts et R_th la résistance thermique de la pièce et de son montage en kelvins par watt.

Avec 10 K/W, la partie de classe I augmente de 8.1 K et la partie de classe II augmente de 204 K. Une enceinte ventilée supporte une augmentation de 30 K à 3 W et un module scellé supporte 10 K à 1 W, la classe diélectrique détermine donc le nombre de parties en parallèle.

2.5 Dépassement de commutation dû à l'inductance du boîtier

À la coupure, le courant du pont commute à travers la boucle du bus DC, et l'inductance de la boucle ajoute un échelon de tension :

V_overshoot = ESL × di/dt

où V_overshoot est le dépassement de tension en volts, ESL l'inductance série équivalente du condensateur et de sa connexion en henrys, et di/dt la pente du courant en ampères par seconde.

Un transistor de commutation de qualité SiC transporte 100 A en 20 ns. Avec une inductance de boucle de 10 nH, la surtension atteint 50 V, et avec un composant à fils de 30 nH, elle atteint 150 V. La tension nominale du composant doit supporter cette surtension à chaque cycle de commutation.

Fig. 1 — Un condensateur de classe I de 2.2 nF à 200 kHz transporte 362 mΩ d'ESR diélectrique et dissipe 0.81 W, contre 20.4 W pour une pièce de classe II.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Problème n° 1 : Les pertes diélectriques réduisent l’efficacité.

Un onduleur UV de 10 kW avec 2 % de pertes par condensateur dissipe 200 W sous forme de chaleur. Avec des condensateurs à film, cette valeur reste acceptable, mais avec des condensateurs céramiques de qualité inadaptée, elle double, ce qui impose un ventilateur plus puissant et un boîtier plus volumineux.

Le rendement maximal chute alors sous la barre des 95 %, même si les dispositifs de commutation s'améliorent. Les pertes se situent à l'intérieur du condensateur ; par conséquent, aucune modification du dissipateur thermique ne peut les déplacer.

Point faible n° 2 : Désaccordage du réservoir résonant en fonction de la température et de la polarisation

Un condensateur de circuit LC X7R perd de 40 % à 80 % de sa valeur sous forte polarisation continue. Dans une conception LLC qui suppose 50 % de la capacité nominale, le convertisseur sort de sa plage de commutation à tension nulle à pleine charge.

Des pics de commutation brusques apparaissent alors sur les composants, et ces derniers ainsi que le condensateur vieillissent plus rapidement. Une dérive de capacité de 15 % décale la fréquence de résonance de 200 kHz de 7.5 %, ce qui suffit à désaccorder la courbe de gain.

Point faible n° 3 : Concentration de points chauds dans les modules scellés

Les étages de puissance UV sont souvent encapsulés ou scellés pour les protéger de l'ozone et des UV, ce qui empêche toute circulation d'air. Un condensateur présentant un facteur de dissipation de 1 à 2 % et transportant un courant d'ondulation devient alors un noyau chaud.

Le vieillissement diélectrique s'accélère avec la température, la fin de vie survient donc en 2 ans au lieu de 10. Le scellement du module augmente également la température de référence, ce qui aggrave l'effet.

Point sensible n° 4 : Surtension induite par l’ESL

Le courant du pont traverse l'inductance de la boucle du bus continu lors de la coupure du dispositif. À 100 A pendant 20 ns, une inductance parasite de 10 nH produit une surtension de 50 V et une inductance parasite de 30 nH produit une surtension de 150 V.

Les condensateurs à longues électrodes internes et à terminaisons à fils ajoutent cette inductance. Ces composants nécessitent alors une tension nominale plus élevée, et le circuit d'amortissement absorbe le reste sous forme de pertes supplémentaires.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Calculer la perte avant de sélectionner les pièces

Pour chaque condensateur, calculez P_C = I_rms² × ESR à la fréquence et à la température les plus défavorables, et maintenez l'élévation de température du noyau à 30 K ou moins. Les courbes de la fiche technique donnent l'ESR, et un impédancemètre vectoriel permet de l'obtenir plus rapidement si le composant est disponible.

Si la consommation du site dépasse la limite, il est préférable de monter des composants en parallèle plutôt que de surdimensionner la tension. Deux composants permettent de diviser par deux le courant par composant et par quatre la dissipation par composant, ce qui ramène la consommation d'un site de 20 W à 5 W.

Stratégie 2 : Utiliser un diélectrique de classe I à chaque site déterminant la fréquence

Installez N4700 L'isolant utilisé pour la cuve, le condensateur de couplage résonant et les réseaux de compensation est de classe I. La fréquence de résonance de 200 kHz varie de 0.05 % sur toute la plage de fonctionnement, avec une variation de ±30 ppm/°C.

Le facteur de dissipation inférieur à 0.1 % maintient les pertes du circuit résonant à 0.81 W, tandis que le gain de boucle et la réjection d'ondulation restent constants quelles que soient la température et la polarisation continue. C'est cette combinaison qui préserve la fenêtre de commutation à tension nulle.

Stratégie 3 : Utiliser des paquets à faible niveau d’anglais au niveau du pont

Choisissez des condensateurs multibornes ou à vis avec des chemins de courant courts pour le bus CC et les circuits d'amortissement. Maintenez la section de la boucle entre le condensateur et le dispositif de commutation en dessous de 1 cm².

Un composant de 40 nF avec une ESR de 20 mΩ supporte un courant efficace de 20 A à 398 V et dissipe 8 W en position de buse CC. HVCT8G des composants à bornes à vis, où le boîtier détermine à la fois l'ESR et l'inductance.

Stratégie 4 : Réduire la puissance du courant d’ondulation

Même un condensateur de classe I possède une capacité de courant d'ondulation limitée. Réduisez sa valeur à 60-70 % de la valeur maximale absolue et vérifiez la température du point chaud à l'aide d'un thermocouple sur le prototype avant de sceller le module.

Notez la réduction de puissance dans le fichier de conception, à côté de la valeur mesurée. Si le site comporte une composante CC, ajoutez un condensateur à film en parallèle, de sorte que la partie céramique gère seule le courant haute fréquence.

Stratégie 5 : Surveiller la fréquence du réservoir

Ajoutez un détecteur de passage par zéro sur le courant du circuit résonnant. Un écart de plus de 3 % par rapport à la fréquence calibrée indique un vieillissement ou un désaccord du condensateur et signale une intervention de maintenance avant que le rendement ne chute.

Comparez simultanément la valeur mesurée avec l'enregistrement de la température. Un décalage qui suit la température indique un problème avec le condensateur de classe II, tandis qu'un décalage qui n'y suit pas indique un problème avec les composants magnétiques.

Stratégie 6 : Vérifier les décharges partielles aux sites de couplage haute tension

Le condensateur reliant la sortie de l'onduleur au côté haute tension de la lampe supporte la totalité des contraintes CC et CA. Spécifiez une décharge partielle inférieure à 5 pC à 1.2 fois la tension nominale pour cet emplacement.

Là où le site nécessite également une pince, utilisez une diode à récupération rapide avec une récupération inverse inférieure à 50 ns, et amortir la pince avec un résistance à couche épaisse dimensionné pour l'énergie d'impulsion.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V efficace
ESR à 1 MHz	< 50 mΩ	-
Inductance de boucle (accord E40)	< 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm
La resistance d'isolement	> 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2
Capacité dv/dt d'impulsion	> 50 kV/µs	à la tension nominale

5. Condensateurs HVC pour onduleurs UV haute fréquence

Trois exigences régissent cette étape : des pertes diélectriques suffisamment faibles pour maintenir le noyau à une température basse, une capacité permettant de stabiliser la fréquence du circuit résonant et une inductance du boîtier limitant le dépassement de commutation. HVC fabrique des condensateurs de 1 kV à 100 kV dans son usine de 6 000 m² située à Dongguan.

Six paramètres importants ici

• Coefficient de température de ±30 ppm/°C, qui maintient la fréquence du réservoir de 200 kHz à moins de 0.05 % du point de conception et préserve la commutation à tension nulle à chaque charge.
• Facteur de dissipation inférieur à 0.1 % à 1 kHz, ce qui donne la plus faible ESR pratique de 200 kHz à 500 kHz et réduit la dissipation du réservoir d'un ordre de grandeur.
• Une gamme de 1 kV à 100 kV dans une seule famille, de sorte que le même diélectrique sert à la fois au site du réservoir 400 VDC et au site de couplage de la lampe 10 kV.
• Décharge partielle inférieure à 5 pC à 1.2 fois la tension nominale, ce qui protège le couplage, l'amortisseur et les sites de déclenchement contre l'érosion pendant des centaines de milliers d'heures.
• ESL inférieur à 8 nH sur une corde de borne de 40 mm dans le contour de type vis, qui maintient 100 A en 20 ns de commutation à 50 V de dépassement.
• Capacité à moins de 2 % après 50 000 h à 85 °C, ce qui garantit que le circuit résonant conserve sa courbe de gain pendant toute la durée de vie du module. Les composants HVC correspondent aux paramètres électriques et aux dimensions de Murata Condensateurs à vis utilisés dans les programmes de réparation sur le terrain.

Livraison et support

Les pièces standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines, et les ensembles réservoirs appariés sous 6 à 10 semaines. L'ingénierie des applications HVC prend en charge le calcul des pertes des condensateurs, la mesure de l'impédance et l'imagerie thermique du prototype.

Veuillez fournir la topologie, la fréquence de commutation, le profil de courant d'ondulation, la température ambiante et le schéma de montage. HVC vous fournira sous deux semaines un calcul des pertes, une référence de composant avec les données de résistance série équivalente (ESR) mesurées en fonction de la fréquence, un rapport de test de décharge partielle (PD) et des échantillons.

6. Questions fréquentes

Q1 : Comment calculer l'ESR d'un condensateur à la fréquence de commutation ?

Utilisez la formule ESR = tan δ / (2π × f × C) avec le facteur de dissipation à cette fréquence. Un composant de 2.2 nF à 200 kHz présente une réactance de 362 Ω ; par conséquent, tan δ = 0.1 % donne 362 mΩ et tan δ = 2.5 % donne 9.05 Ω.

Q2 : Quelle perte un condensateur de circuit de 2.2 nF dissipe-t-il à 200 kHz ?

0.81 W avec 1.5 A rms et 362 mΩ, et 20.4 W pour la partie de classe II à 9.05 Ω. Sur un chemin de 10 K/W, le noyau s'élève de 8.1 K dans le premier cas et de 204 K dans le second.

Q3 : Pourquoi un condensateur de réservoir X7R désaccorde-t-il le convertisseur ?

En effet, sa valeur chute de 40 % à 80 % sous une forte polarisation continue. La fréquence de résonance suit la loi de 1 / (2π × √(L_r × C_r)), de sorte qu'une dérive de capacité de 15 % décale le point à 200 kHz de 7.5 % et fait sortir le convertisseur de sa plage de commutation à tension nulle.

Q4 : Quel dépassement produit une inductance de boucle de 10 nH ?

V_overshoot = ESL × di/dt, donc 10 nH et 100 A en 20 ns donnent 50 V. Un condensateur à fils de 30 nH donne 150 V, que la capacité du dispositif et le circuit d'amortissement doivent tous deux couvrir.

Q5 : Comment puis-je maintenir le point chaud à l'intérieur de 30 K ?

Maintenez la dissipation en dessous de 3 W sur un trajet de 10 K/W. Le montage en parallèle de deux composants divise par deux le courant par composant et divise par quatre la dissipation par composant ; ainsi, un site de 20 W devient un site de 5 W et chaque composant fonctionne à une température inférieure à celle qu'il aurait individuellement.

Q6 : Que fait l'ESL au niveau de la liaison CC ?

Il définit le dépassement à chaque coupure du dispositif. Un composant à faible ESL de 40 nF et à ESR de 20 mΩ supporte un courant efficace de 20 A à 398 V et dissipe 8 W ; par conséquent, pour le bus DC, il faut privilégier un boîtier à faible ESR plutôt qu’un composant à faible ESL.

7. Références

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