Protection contre les surtensions inverses par diode haute tension dans les redresseurs d'allumage plasma

Protection contre les surtensions inverses par diode haute tension dans les redresseurs d'allumage plasma

Abstract

Les redresseurs d'allumage et les diodes de protection tombent en panne en sens inverse, et ce mécanisme se dissimule dans le régime transitoire. Cet article présente l'intégrale de l'énergie d'avalanche, l'échauffement local de la jonction qui en résulte, le critère de dommages cumulatifs qui prédit une durée de vie d'un million d'événements, les coefficients de partage pour les chaînes en série et les valeurs des amortisseurs qui maintiennent le pic de tension en dessous du seuil nominal.

1. Introduction

Dans un système d'allumage plasma, les diodes haute tension interviennent à trois endroits : dans le redresseur qui charge le réservoir, dans le circuit de limitation de tension qui freine la surtension transitoire et dans le circuit d'amortissement qui absorbe l'énergie de commutation. Chacune de ces diodes est soumise à un environnement inverse hostile. Lors de l'allumage ou du relâchement du circuit de limitation de tension, une surtension transitoire polarise la diode en inverse bien au-delà de sa tension nominale continue.

Les défaillances dues aux surtensions inverses résultent rarement d'une seule surtension brutale. Elles sont plutôt causées par des avalanches répétées au niveau d'un défaut de jonction. Chaque événement génère une faible quantité de chaleur, et ce point se dégrade jusqu'à ce que la diode se court-circuite ou s'ouvre, plusieurs mois après la mise en service de la machine.

La signature de terrain révèle une défaillance mystérieuse d'une diode. La pièce est remplacée, la machine fonctionne, puis la panne réapparaît à intervalles réguliers. Les caractéristiques en régime permanent sont respectées, la conception semble donc correcte, et la cause réside dans un événement de 50 ns non mesuré.

Cet article traite de l'énergie de l'avalanche, du chauffage local qu'elle provoque, des dommages cumulatifs qui déterminent sa durée de vie, du problème de partage dans les chaînes en série et du dispositif d'amortissement qui maintient le pic en dessous du seuil nominal.

2. Mécanisme de base

Une diode polarisée en inverse ne conduit que son courant de fuite jusqu'à ce que la tension atteigne le seuil de claquage par avalanche V_BR. Au-delà de ce seuil, la jonction devient conductrice et l'énergie transitoire est dissipée dans le silicium.

2.1 Énergie d'avalanche par événement

L'énergie absorbée lors d'une impulsion d'avalanche est l'intégrale du produit du courant par la tension sur l'impulsion :

E_av = ½ · i_pk · V_av · t_p

où E_av est l'énergie d'avalanche en J, i_pk est le courant d'avalanche de crête en A, V_av est la tension d'avalanche en V et t_p est la largeur d'impulsion en s. Le facteur un demi s'applique à une impulsion triangulaire, ce qui correspond à l'allure d'un pic de récupération.

Une surtension mesurée sur un redresseur de 10 kV atteint 15 kV pendant 50 ns, avec un courant de crête de 0.4 A. L'énergie par événement est de 150 µJ. La durée de vie des dispositifs indiquée sur la fiche technique correspond à un seul événement, et rien dans cette fiche ne fait mention d'un million d'événements.

2.2 Chauffage local de la jonction

Ces 150 µJ ne chauffent pas la totalité de la puce. Ils chauffent une fine couche au niveau de l'avalanche, car une impulsion de 50 ns n'a pas le temps de se propager. L'élévation de température dans cette couche est de :

ΔT_j = E_av / (c_v · A_j · √(α · t_p))

où ΔT_j est l'élévation de température locale en K, E_av est l'énergie d'avalanche en J, c_v est la capacité thermique volumétrique du silicium à 1.63 J/(cm³·K), A_j est la surface de jonction active en cm², α est la diffusivité thermique à 0.9 cm²/s et t_p est la largeur d'impulsion en s.

Pour une jonction de 1 mm², la profondeur de diffusion après 50 ns est de 2.1 µm. La couche chauffée emmagasine 3.5 µJ/K ; ainsi, une impulsion de 150 µJ élève la température locale de 43 K. La chaleur se propage en une microseconde, et l’inflammation suivante survient 10 ms plus tard.

2.3 Pourquoi la température du boîtier masque les dommages

L'élévation moyenne de température de jonction suite à une même impulsion est infime. Elle suit la constante de temps thermique du boîtier :

ΔT_avg = E_av · R_th · (1 − exp(−T_rep / τ_th))

où ΔT_avg est l'élévation de température moyenne en K, E_av est l'énergie d'avalanche en J, R_th est la résistance thermique jonction-boîtier en K/W, T_rep est la période d'allumage en s et τ_th est la constante de temps thermique du boîtier en s.

Avec R_th = 1.2 K/W, T_rep = 10 ms et τ_th = 12 ms, l'élévation de température moyenne est de 0.0001 K par cycle d'allumage. Un thermocouple placé sur le boîtier indique un fonctionnement normal, tandis que la zone défectueuse subit une élévation de température de 43 K à chaque cycle. Le critère de dommage est donc basé sur l'énergie et non sur la température.

E_cum = Σ_k E_av,k < E_crit

où E_cum est l'énergie d'avalanche accumulée en J, E_av,k est l'énergie de l'événement k en J et E_crit est l'énergie qui produit un cratère de fusion en J. Une jonction avec E_crit = 150 J cède après 10⁶ événements à 150 µJ chacun, ce qui à 600 allumages par heure représente 1 700 h de découpe.

2.4 Les numéros de circuit autour de la diode

Trois valeurs de circuit déterminent la part du transitoire qui atteint la jonction. Les pertes par conduction dans la chaîne définissent sa valeur de référence thermique :

P = I² · R

où P représente la perte ohmique, I le courant en ampères et R la résistance de la boucle en mΩ. Les ampères et les milliohms donnent des milliwatts ; ainsi, le courant direct moyen de 0.8 A d'un redresseur de charge traversant une chaîne de 150 mΩ dissipe 96 mW. Interpréter ce résultat en watts est erroné d'un facteur 1 000.

La constante de temps du circuit d'amortissement détermine la durée pendant laquelle le réseau d'amortissement agit sur le pic de récupération :

τ = R · C

où τ est la constante de temps, R la résistance du circuit d'amortissement en Ω et C sa capacité en nF. Les ohms et les nanofarads correspondent aux nanosecondes ; ainsi, un circuit d'amortissement de 100 Ω avec une capacité de 4.7 nF donne 470 ns. Interpréter ce résultat en microsecondes induit une erreur d'un facteur 1 000, et un circuit d'amortissement de 470 µs ne serait pas efficace pour atténuer une impulsion de 50 ns.

L'anneau de récupération se situe à la fréquence définie par l'inductance de fuite et la capacité de jonction :

f_r [MHz] = 5033 / √(L[nH] · C[pF])

où f_r est la fréquence d'oscillation en MHz, L l'inductance de fuite du transformateur plus l'inductance de boucle en nH, et C la capacité de jonction de la diode en pF. Un chemin de fuite de 2 000 nH avec une capacité de jonction de 25 pF génère une oscillation à 22.5 MHz, soit une période de 44 ns. Le pic de 50 ns correspond à une demi-période de cette oscillation, et le circuit d'amortissement doit l'atténuer en moins de 470 ns.

Fig. 1 — Une impulsion de 50 ns à 15 kV dépose 150 µJ par allumage, de sorte que les dommages à la jonction atteignent la limite de 150 J après un million d'événements.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point faible n° 1 : Évaluation satisfaisante en régime permanent, échec en régime transitoire

La diode est choisie pour sa tension inverse continue. La surtension d'allumage délivre alors 1.5 fois cette valeur pendant 50 ns. Chaque pic reste inférieur au seuil de surtension admissible, et leur répétition engendre des dommages cumulatifs en un point donné.

Point sensible n° 2 : Avalanche dynamique due à une récupération rapide

Les fronts de tension rapides du circuit contraignent la diode à se rétablir à un di/dt élevé. La zone de déplétion mobile comprime le champ électrique, et la diode subit une avalanche interne en dessous de V_BR. Bien que le composant soit correctement dimensionné, il tombe en panne car aucune fiche technique ne couvre ce mode de fonctionnement.

Point faible n° 3 : Partage inégal dans les chaînes de caractères en série

Dix diodes en série, utilisées pour un circuit de limitation de tension de 100 kV, se partagent la tension inverse via leurs capacités et leurs courants de fuite, ces valeurs étant différentes. La diode supérieure supporte une tension de 2.4 kV, contre une tension moyenne de 1.6 kV lors d'une surtension de 15 kV ; elle absorbe donc l'énergie de l'avalanche pour l'ensemble du circuit.

Point faible n°4 : Absence d’amortissement de la phase de récupération

Le courant de récupération du redresseur de charge oscille avec la fuite du transformateur à 22.5 MHz. Sans circuit d'amortissement, la diode absorbe sa propre surtension à l'extinction, qui est l'événement à l'origine de la tension de 15 kV.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Calibrer la diode pour le transitoire

Mesurez la plus forte amplitude de la tension inverse à l'aide du dispositif de déverrouillage de la pince et de l'anneau de récupération inclus. Sélectionnez un Diode redresseur à 1.5 fois cette valeur mesurée, vérifiez ensuite l'énergie d'avalanche par événement par rapport à 150 µJ et le total accumulé par rapport à E_crit.

Stratégie 2 : Contrôler le di/dt de récupération

Ajoutez une inductance en série ou un circuit d'amortissement au niveau du redresseur et des diodes de limitation afin d'obtenir une décroissance progressive du courant de récupération. Mesurez la forme d'onde de récupération et maintenez le di/dt en dessous du seuil d'activation du mode d'avalanche dynamique. Un courant de récupération douce avec un trr inférieur à 1 µs constitue un point de départ.

Stratégie 3 : Équilibrer les chaînes en série avec des RC en parallèle

Installez une diode sur chaque diode de la chaîne. résistance de gradation Un condensateur assure la répartition du courant continu et un autre la répartition du courant transitoire. La répartition transitoire est principalement due aux condensateurs ; leur stabilité détermine donc la répartition. Une résistance de 200 MΩ par diode laisse passer 50 µA sous 10 kV, soit dix fois le courant de fuite d'une jonction saine.

Stratégie 4 : Ignorer l’anneau de récupération

Réglez un circuit d'amortissement RC en parallèle sur chaque diode pour qu'il corresponde à la fréquence de résonance mesurée de 22.5 MHz. Une résistance de 100 Ω avec une capacité de 4.7 nF donne une constante de temps de 470 ns, ce qui amortit la résonance de 44 ns et réduit la tension de pointe de 15 kV à 11 kV. Utilisez un condensateur à film dans le circuit d'amortissement lorsque la vitesse de transition est élevée, et vérifiez la puissance de la résistance car le circuit d'amortissement absorbe l'énergie que la jonction absorberait autrement.

Stratégie 5 : Suivre indirectement l’état des diodes

Le contrôleur mesure déjà le temps de charge et l'ondulation de la tension du réservoir. Une dérive du redresseur se traduit par une augmentation de l'ondulation ou un allongement du temps de charge avant la panne. Surveillez l'évolution de ces deux valeurs à chaque quart de travail et remplacez la diode dès que l'une ou l'autre varie de 10 %.

Stratégie 6 : Valider par un test de surtension d’un million d’impulsions

Faites fonctionner le redresseur et les diodes de limitation au taux d'allumage le plus défavorable pendant 10⁶ événements avec la forme d'onde transitoire réelle. Le courant de fuite et la tension de claquage doivent être inférieurs à 5 % des valeurs initiales. Un test s'arrêtant à 10⁵ événements ne permet pas d'évaluer le mode cumulatif.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension inverse de crête répétitive	10 kV V_RRM	Série 2CL, 25 °C
Courant direct moyen	0.8 A I_F(AV)	Onde rectangulaire, Tc ≤ 85 °C
Courant de surtension direct	100 A à 8.3 ms	surtension unique, I_FSM
Temps de récupération inverse	< 1 µs trr	niveau de récupération souple
capacité de jonction	25 pF typ.	V_R = 4 kV, 1 MHz
Température de fonctionnement	−55 °C à +125 °C	Tj max
Courant de fuite	< 5 µA à V_RRM	25 °C, pleine puissance

5. Condensateurs HVC pour ce nœud

Le réseau de protection d'une diode haute tension nécessite des condensateurs qui conservent leur valeur lors de la surtension. Les composants haute tension remplissent cette fonction :

• La capacité de partage dynamique dans une plage de ±30 ppm/°C maintient chaque diode de la chaîne à la même tension transitoire.
• Une valeur de tanδ inférieure ou égale à 0.1 % place l'énergie de récupération dans la résistance d'amortissement, là où elle doit être.
• Les tensions nominales de 1 kV à 100 kV couvrent l'équilibrage et l'amortissement pour les chaînes de redresseurs les plus longues.
• Une décharge partielle inférieure à 5 pC empêche les composants d'amortissement et d'équilibrage d'ajouter du bruit à l'environnement de la diode.
• Les céramiques de classe I ne vieillissent pas, les circuits d'équilibrage et d'amortissement conservent donc leurs valeurs pendant toute la durée de vie de la machine.
• Le 40 kV condensateurs poignée de porte et 4.7 nF des condensateurs à disque en céramique sont aujourd'hui utilisés dans les redresseurs haute tension et les systèmes à impulsions avec le même pouvoir de surcharge.

Livraison et support couvre un références croisées Pour comparer avec les composants d'équilibrage et d'amortissement que vous utilisez actuellement, veuillez fournir les données de capacité et de tanδ mesurées sur le lot livré, des échantillons pour le banc d'essai à un million d'impulsions, ainsi qu'une assistance technique pour la mesure de la forme d'onde de récupération. Veuillez également transmettre la tension de la chaîne, le nombre de diodes, la fréquence de récupération et le taux d'allumage.

6. Questions fréquentes

Q1 : Pourquoi une diode correctement dimensionnée peut-elle quand même tomber en panne ?

La fiche technique décrit la tension inverse continue et un événement de surtension. Le transitoire d'allumage se caractérise par une pointe de 15 kV à 150 µJ répétée un million de fois, et l'énergie cumulée au niveau d'un défaut atteint la limite de 150 J du cratère. Aucune donnée en régime permanent ne permet de prédire un tel comportement.

Q2 : Comment puis-je mesurer le pic inverse en toute sécurité ?

Utilisez une sonde haute tension compensée aux bornes de la diode, reliée à une masse courte, et déclenchez le signal sur le front d'allumage. Enregistrez l'amplitude de crête, la largeur et la fréquence de résonance. Pour mesurer l'amplitude réelle d'un événement de 50 ns, une bande passante de sonde supérieure à 100 MHz est nécessaire.

Q3 : Quelle quantité d'énergie d'avalanche une impulsion peut-elle délivrer ?

Pour une impulsion triangulaire, l'énergie est égale à la moitié du produit du courant de crête, de la tension d'avalanche et de la durée de l'impulsion. Une impulsion de 0.4 A à 15 kV pendant 50 ns produit 150 µJ. Comparez cette valeur à l'énergie admissible pour une impulsion unique avant de considérer la répétition.

Q4 : Quelle valeur équilibre une chaîne de 10 diodes ?

Une résistance de 200 MΩ par diode conduit 50 µA à 10 kV, soit dix fois le courant de fuite d'une jonction saine ; le partage du courant continu suit donc les résistances. Un condensateur de 4.7 nF par diode limite ensuite le partage transitoire à 5 % de la valeur moyenne.

Q5 : La valeur du condensateur d'amortissement a-t-elle une importance ?

Elle détermine le temps d'amortissement. Une résistance de 100 Ω avec une capacité de 4.7 nF donne 470 ns, soit dix demi-cycles d'une oscillation à 22.5 MHz, ce qui est suffisant pour réduire une surtension de 15 kV à 11 kV. Une capacité plus faible amortit l'oscillation pendant une durée plus courte.

Q6 : Que détecte le test à un million d’impulsions ?

En mode cumulatif, le courant de fuite et la tension de claquage dérivent avant le court-circuit. Effectuez 10⁶ cycles complets au taux d'allumage le plus défavorable et exigez que les deux paramètres restent à moins de 5 % de leurs valeurs initiales.

7. Références

1. CEI 60384-1:2021, Condensateurs fixes pour équipements électroniques - Partie 1 : Spécifications générales, 6e éd. Genève : CEI, 2021.
2. Kuffel, E., Zaengl, WS et Kuffel, J., Ingénierie haute tension : Principes fondamentaux, 2e éd. Oxford : Newnes, 2000.
3. N. Mohan, TM Undeland et WP Robbins, Électronique de puissance : convertisseurs, applications et conception, 3e éd. Hoboken : Wiley, 2003.
4. Avis MIL-HDBK-217F 2, Prédiction de la fiabilité des équipements électroniques, Washington, DC : Département de la Défense des États-Unis, 1995.
5. CEI 61071:2017, Condensateurs pour l'électronique de puissance, Éd. 2.0. Genève : Commission électrotechnique internationale, 2017.
6. GB/T 7354-2018, 高电压试验技术局部放电测量. Publié : 中国标准出版社, 2018.
7. Y. Chen, H. Li, F. Lin, F. Lv, M. Zhang, Z. Li, et al., Étude des caractéristiques d'auto-réparation et de durée de vie d'un condensateur à film métallisé sous champ électrique élevé, IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 40, no. 8, pp. 2014-2019, 2012. https://doi.org/10.1109/tps.2012.2200699.
8. V. Belyaev, Modèle de contournement superficiel d'un isolateur sous vide, dans les actes du 18e Symposium international sur les décharges et l'isolation électrique sous vide (ISDEIV), pp. 151-154, 1998. https://doi.org/10.1109/deiv.1998.740596.
9. Comment déterminer la tension de claquage d'un condensateur ?, Forum All About Circuits, https://forum.allaboutcircuits.com/threads/how-do-i-determine-breakdown-voltage-of-a-capacitor.25915/ .
10. Équipe d'ingénierie des applications HVC, Condensateur céramique haute tension Ressources techniques, https://www.hv-caps.com