Limitation du courant d'appel de précharge dans les alimentations laser

Limitation du courant d'appel de précharge dans les alimentations laser

Abstract

Chaque démarrage charge le bus CC de zéro à la tension de fonctionnement, et sans circuit de précharge, le courant d'appel atteint 200 à 2 000 A. Cet article établit la courbe de charge, l'énergie absorbée par démarrage, la dissipation maximale et le courant de décharge requis pour une alimentation laser de 8 à 20 kW. Il explique ensuite pourquoi c'est le redémarrage à chaud, et non le démarrage à froid, qui détermine la valeur nominale de la résistance, et propose six étapes de co-conception.

1. Introduction

À chaque démarrage d'une alimentation de découpe laser, la batterie de condensateurs du bus CC est chargée de zéro à la tension de fonctionnement. Une alimentation moderne de 8 à 20 kW contient de 100 µF à 2 000 µF sous une tension continue de 400 à 800 V.

Sans circuit de précharge, le courant initial est limité uniquement par la résistance directe du redresseur, les fuites du transformateur et le câblage. Cette combinaison génère un courant de 200 à 2 000 A pendant quelques dizaines de millisecondes, ce qui suffit à détruire le pont redresseur, à faire sauter le fusible d'entrée et à souder les contacts du relais sur le circuit d'entrée.

Le circuit de précharge transforme cette surtension en une charge contrôlée. Une résistance en série limite le courant jusqu'à ce que le bus atteigne un seuil prédéfini ; un contacteur de dérivation se ferme alors et le circuit principal prend le relais. La résistance absorbe la totalité de l'énergie de charge à chaque démarrage, et ce des milliers de fois pendant toute la durée de vie de la machine.

Trois éléments interagissent ici : la résistance de précharge, la batterie de condensateurs du bus et le condensateur de décharge qui décharge le bus à l’arrêt. La constante de temps de charge doit compenser le temps de décharge du condensateur de décharge, la durée du bypass doit suivre la courbe de charge et l’énergie nominale de la résistance doit être suffisante pour supporter les conditions de charge les plus défavorables. Cet article établit ces relations et propose ensuite six étapes pour assembler ces trois éléments.

2. Mécanisme de base

2.1 Courbe de charge et constante de temps

Une résistance en série transforme la charge du bus en un transitoire RC :

V_bus(t) = V_rect × (1 − exp(−t / τ))

où V_bus(t) est la tension du bus au temps t, V_rect la tension de sortie du redresseur et τ la constante de temps de charge.

τ = R_pre × C_bus

où τ est la constante de temps de charge, R_pre la résistance de précharge et C_bus la capacité du bus.

Le pic de courant initial est V_rect / R_pre, et le courant décroît avec la même constante :

I_charge(t) = (V_rect / R_pre) × exp(−t / τ)

où I_charge(t) est le courant de charge, V_rect la tension de sortie du redresseur, R_pre la résistance de précharge et τ la constante de temps de charge.

Pour limiter le courant d'appel à 20 A provenant d'un redresseur de 600 V, la résistance R_pre est de 30 Ω. Avec un bus de 1 000 µF, la constante de temps est de 30 ms, et le temps de charge à 90 % de V_rect suit la même constante.

t_90 = 2.3 × R_pre × C_bus

où t_90 est le temps nécessaire pour atteindre 90 % de la tension du redresseur, R_pre la résistance de précharge et C_bus la capacité du bus.

Cela donne 69 ms, ce qui constitue un délai supplémentaire acceptable au démarrage. Les mêmes composants déterminent la dissipation maximale dans la résistance, et c'est cette valeur qui détermine la sélection.

P_pk = V_rect² / R_pre

où P_pk est la dissipation maximale au premier instant de la charge, V_rect la tension de sortie du redresseur et R_pre la résistance de précharge.

À 600 V sur 30 Ω, la puissance de crête est de 12 kW, pour une décroissance d'environ 30 ms.

2.2 Énergie absorbée par une charge

L'énergie transférée par une charge au bus détermine la capacité d'impulsion de la résistance. Celle-ci dépend de la tension du bus au début de la charge, et non de la résistance elle-même.

E_pre = ½ × C_bus × (V_rect² − V_start²)

où E_pre est l'énergie absorbée dans une charge, C_bus la capacité du bus, V_rect la tension de sortie du redresseur et V_start la tension du bus au début de la charge.

À partir de zéro volt, un bus de 1 000 µF sous 600 V absorbe 180 J. L'événement dure 69 ms ; la résistance est donc soumise à une énergie de 180 J durant ce court laps de temps, soit 12 kW à l'instant initial. Un composant de 50 W, qui supporte une puissance moyenne de 10 W ailleurs dans la machine, ne peut résister : l'élément se vaporise ou le substrat se fissure dès le premier démarrage.

2.3 Coordination des saignements

La résistance de décharge décharge le bus après l'arrêt, et l'exigence de sécurité fixe sa limite supérieure :

R_bleed = t_safe / (2.3 × C_bus)

où R_bleed est la résistance de décharge, t_safe le temps autorisé pour que le bus descende en dessous de 60 V et C_bus la capacité du bus.

Avec une tolérance de 5 s et une capacité de bus de 1 000 µF, la résistance de décharge doit être inférieure ou égale à 2.2 kΩ. Ce composant consomme 164 W sous 600 V pendant toute la durée de fonctionnement de la machine. Une résistance de décharge de 22 kΩ consomme quant à elle 16 W, mais sa constante de temps est de 22 s et la tension du bus met 51 s à descendre en dessous de 60 V. La plupart des machines optent pour cette seconde solution et ajoutent un chemin de décharge actif ou un dispositif de verrouillage de service.

2.4 Temporisation de dérivation

Le contacteur de dérivation se ferme lorsque le bus atteint environ 95 % de V_rect, soit 3 constantes de temps et 90 ms dans cette conception. À ce moment-là, la résistance est encore parcourue par 1.0 A. Une fermeture prématurée permet à une partie du courant d'appel de transiter par le chemin principal ; une fermeture tardive maintient le courant de charge maximal dans la résistance plus longtemps que ne le permet sa courbe d'impulsion. Un seuil de tension, associé à un comparateur, assure la temporisation, car un délai fixe dériverait avec l'usure du contacteur.

Fig. 1 — Un bus de 1 000 µF à 600 V absorbe 180 J à partir de zéro volt et 169 J à partir de 150 V, ce qui est supérieur aux 140 J que l'élément chaud peut absorber.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point faible n° 1 : L’évaluation de l’énergie pulsée est absente de la sélection.

Une résistance sélectionnée pour sa puissance stabilisée tombe en panne dès la première charge. La surtension de 12 kW vaporise l'élément ou fissure le substrat, et la machine s'arrête au démarrage sans qu'aucun message d'erreur ne soit consigné. La panne est instantanée et totale, et l'équipe de maintenance la prend pour un défaut d'assemblage aléatoire.

Point faible n°2 : L’étui de recharge est l’élément contraignant.

Un redémarrage 30 s après l'arrêt révèle une tension de 150 V sur le bus et une énergie absorbée de 169 J, soit 94 % de l'énergie de démarrage à froid. L'élément n'a pas refroidi en 30 s. Un composant de 360 ​​J supporte environ 140 J à chaud ; le redémarrage dépasse donc sa capacité d'absorption. Les données de terrain montrent que 30 % des défaillances de précharge surviennent lors d'une recharge plutôt que lors d'un démarrage à froid.

Point faible n° 3 : La dérive de la synchronisation des contacteurs affecte les deux voies.

Les contacteurs vieillissent et leur temps de fermeture se dégrade avec l'usure et la température. Un bypass à fermeture anticipée rétablit le chemin de courant d'appel via le circuit principal. Un bypass à fermeture tardive maintient la résistance de précharge dans la boucle de défaut au-delà de sa courbe d'impulsion. Les machines équipées de contacteurs vieillissants présentent des défauts de démarrage intermittents qui disparaissent après le remplacement du contacteur.

Point faible n° 4 : Temps de récupération NTC lors d’un redémarrage à chaud

Un élément NTC de précharge repose sur sa propre résistance à chaud. Lors d'un redémarrage rapide, l'élément est encore chaud, sa résistance est faible et la protection contre les surtensions est désactivée. Les cellules laser qui fonctionnent par cycles à chaque tâche atteignent ce seuil plusieurs fois par jour, et les surtensions lors des redémarrages à chaud ont détruit des ponts redresseurs dans des machines dont le comportement au démarrage à froid était pourtant irréprochable.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Dimensionner la résistance en fonction de l’énergie d’impulsion et du nombre de cycles

Spécifiez l'énergie nominale par impulsion unique avec une marge de 2 fois par rapport à l'énergie de démarrage à froid de 180 J, et spécifiez l'endurance en cycles pour le nombre de démarrages prévu, d'au moins 10 000 cycles. Un condensateur non inductif résistance à couche épaisse La pièce adéquate est celle dont la courbe d'impulsion est publiée. Une pièce conçue pour un fonctionnement en régime permanent ne l'est pas, quelle que soit sa puissance.

Stratégie 2 : Prendre en compte le redémarrage à chaud dans le calcul de l’efficacité énergétique

Dimensionnez le circuit pour les conditions de redémarrage les plus défavorables dans la plage de refroidissement de l'élément, et non pour un démarrage à froid. Avec un condensateur de décharge de 22 kΩ dissipant 169 J pendant 30 s, le composant doit donc supporter une énergie à chaud d'environ 340 J. Le tableau des valeurs nominales de la fiche technique distingue la valeur pour une impulsion unique de celle pour des impulsions répétitives ; cette dernière correspond à celle utilisée par une machine à cycles.

Stratégie 3 : Fermer le bypass à un seuil de tension

La commande du bypass s'effectue à partir d'un comparateur sur la tension du bus, et non à partir d'une minuterie fixe. Un comparateur de surveillance transforme la dérive mécanique du contacteur en un état détecté plutôt qu'en une panne, et maintient le point de fermeture à 95 % de V_rect malgré le vieillissement du contacteur.

Stratégie 4 : Utiliser une résistance fixe au lieu d’une thermistance NTC sur les vélos d’appartement

Pour les cellules laser qui s'allument et s'éteignent à chaque cycle, une résistance de précharge fixe avec un contacteur de dérivation se comporte de la même manière à chaud comme à froid. Son énergie nominale s'applique à chaque démarrage, ce qui élimine le risque de redémarrage à chaud.

Stratégie 5 : Ignorer le contacteur de dérivation

Installez une résistance de 10 Ω en série avec un condensateur de 100 nF aux bornes du contacteur pour supprimer l'arc électrique à la fermeture et à l'ouverture. Chaque fermeture délivre 18 mJ à l'amortisseur, et les contacts restent propres, ce qui assure la stabilité du temps de fermeture. Utilisez un N4700 Condensateur de classe I pour l'amortisseur, car sa valeur et son facteur de dissipation restent constants quelle que soit la température.

Stratégie 6 : Limiter l’énergie de redémarrage

Spécifiez la résistance de décharge afin que le bus atteigne une tension connue à chaque redémarrage. Une résistance de décharge de 22 kΩ avec un bus de 1 000 µF fournit 150 V à 30 s et 55 V à 60 s ; l’énergie de redémarrage est donc limitée à 169 J et diminue à chaque seconde d’attente. Consignez ces valeurs dans le manuel de maintenance et verrouillez le démarrage en dessous de la valeur admissible de la résistance.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Puissance nominale (série HVR)	50 W à 70 °C	Boîtier en aluminium, air libre
Valeur de résistance	10 kΩ ±5%	Référence à 25 °C
Tension de travail	10 kV CA/CC	continu
Résistance aux impulsions	30 kV à 10 µs	10 impulsions, classe IEC 60110
Coefficient de température (résistif)	±50 ppm/°C	−55 °C à +155 °C
La resistance d'isolement	résistance supérieure à 1 GΩ à 1000 V CC	ligne de fuite minimale 25 mm
Capacité de courant de surtension	100 A à 1 ms	bobinage non inductif

5. Condensateurs HVC N4700 pour la boucle de précharge

Le circuit de précharge est résistif, mais ce sont les composants environnants qui déterminent sa répétabilité. HVC fabrique des condensateurs N4700 de classe I pour l'amortisseur, le découplage et le diviseur de tension de surveillance de cette boucle, dans une usine de 6 000 m² située à Dongguan, pour une plage de tension allant de 1 kV à 100 kV.

Six paramètres importants ici

• Amortissement des contacts sans usure. Un circuit d'amortissement construit sur un disque N4700 avec une inductance de fuite (ESL) inférieure à 30 nH supprime l'arc de fermeture, de sorte que la temporisation du contacteur reste conforme aux spécifications de la coordination.
• Découplage du bus à la transition. Des composants à faible inductance placés en parallèle sur le bus limitent l'impédance locale lorsque le bypass se ferme et que le courant commute de la résistance vers le chemin principal.
• Décharges partielles inférieures à 5 pC à la tension nominale. Le blindage en usine empêche les condensateurs auxiliaires d'ajouter des décharges au circuit, évitant ainsi tout déclenchement intempestif au démarrage.
• Valeurs auxiliaires stables. Un coefficient de température de ±30 ppm/°C et un facteur de dissipation inférieur à 0.1 % maintiennent le diviseur et l'amortisseur à leurs valeurs nominales, de sorte que les seuils de surveillance restent calibrés pendant toute la durée de vie de la machine.
• Protection contre les surtensions sur toute la boucle. De la protection contre les surtensions sur bus 400 V à la division de tension multi-kV, une seule gamme de composants couvre le circuit de précharge et le bus. condensateur à film banque et entrée Diode redresseur Les ponts sont spécifiés lors de la même exécution de qualification.
• Une fiabilité éprouvée en matière de remplacement. La série 40 kV / 441 condensateurs poignée de porte sont un remplacement direct qualifié pour Murata Les condensateurs à vis sont désormais utilisés dans le cadre du programme de réparation sur le terrain des sources lumineuses de lithographie, et les développeurs de DUV spécifient désormais des composants HVC dans les nouvelles sources lumineuses.

Livraison et support

Les composants standard sont expédiés sous 4 à 8 semaines, et les kits de circuits d'amortissement appariés sous 6 à 10 semaines. Le service d'ingénierie d'applications HVC vous accompagne dans le choix des circuits d'amortissement, la conception du découplage du bus et du diviseur pour le moniteur de précharge. Veuillez indiquer la capacité du bus, la tension du redresseur, l'intervalle de redémarrage et le nombre de démarrages attendu. HVC vous fournira une fiche de sélection avec les données relatives aux impulsions et aux décharges partielles sous cinq jours ouvrés.

6. Questions fréquentes

Q1 : Comment choisir la résistance de précharge ?

On peut accepter le courant d'appel. Un redresseur de 600 V et un limiteur de 20 A donnent une résistance de 30 Ω et une capacité de bus de 1 000 µF, qui se charge alors à 90 % en 69 ms. Une résistance plus faible permet une charge plus rapide et augmente à la fois le courant de crête et la dissipation maximale.

Q2 : Quelle quantité d'énergie une start-up absorbe-t-elle ?

180 J pour une capacité de 1 000 µF à 600 V, soit la moitié de C multipliée par V². Cette valeur unique détermine la capacité d'impulsion de la résistance, et la puissance de crête de 12 kW détermine sa conception.

Q3 : Pourquoi les résistances de précharge tombent-elles en panne lors d’un redémarrage ?

L'élément n'ayant pas encore refroidi, un redémarrage 30 s après l'arrêt absorbe encore 169 J, soit 94 % de la valeur de démarrage à froid, alors qu'à chaud, il n'absorbe qu'environ 140 J. La valeur de démarrage à froid mesurée sur un composant à 25 °C ne correspond pas à cet événement.

Q4 : Seuil de temporisation ou de tension pour le bypass ?

Seuil de tension. Un comparateur maintient le point de fermeture à 95 % de V_rect à mesure que le contacteur vieillit et qu'un délai fixe dérive avec l'usure et la température. Le seuil transforme également cette dérive en alarme plutôt qu'en panne.

Q5 : Pourquoi remplacer la thermistance NTC ?

Sa protection reposant sur une résistance à chaud, elle est inopérante lors d'un redémarrage rapide. Une résistance fixe se comporte de la même manière quelle que soit la température, ce qui est crucial pour les cellules laser fonctionnant par cycles.

Q6 : Quel est le coût du purgeur en puissance statique ?

Une résistance de 2.2 kΩ consomme 164 W à 600 V, ce qui correspond à la durée de décharge requise en 5 s avec un bus de 1 000 µF. Une résistance de décharge de 22 kΩ consomme 16 W, se décharge en dessous de 60 V en 51 s et limite l'énergie de redémarrage à 169 J après 30 s.

7. Références

1. E. Kuffel, WS Zaengl, J. Kuffel, Principes fondamentaux de l'ingénierie haute tension, 2e éd., Newnes, 2000.
2. Mohan, N., Undeland, TM et Robbins, WP, Électronique de puissance : convertisseurs, applications et conception, 3e éd. Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, 2003.
3. Avis MIL-HDBK-217F 2, Prédiction de la fiabilité des équipements électroniques 1995.
4. CEI 60384-1:2021, Condensateurs fixes pour équipements électroniques - Partie 1 : Spécifications générales, 6e éd. Genève : CEI, 2021.
5. CEI 61071:2017, Condensateurs pour l'électronique de puissance, Éd. 2.0. Genève : Commission électrotechnique internationale, 2017.
6. CEI 62477-1:2022, Exigences de sécurité pour les systèmes et équipements de conversion d'électronique de puissance - Partie 1 : Généralités, 2e éd. Genève : CEI, 2022.
7. 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.
8. H. Wang et F. Blaabjerg, Fiabilité des condensateurs pour les applications de liaison CC dans les convertisseurs d'électronique de puissance — Un aperçu, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50, no. 5, pp. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357.
9. Rashid, MH (éd.), Manuel d'électronique de puissance, 4e éd. Oxford : Butterworth-Heinemann, 2017.
10. 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 .
11. Équipe d'ingénierie des applications HVC, Condensateur céramique haute tension Ressources techniques, https://www.hv-caps.com