Temps mort et temporisation de verrouillage pour les ponts d'allumage au plasma

Temps mort et temporisation de verrouillage pour les ponts d'allumage au plasma

Abstract

Le pont complet alimentant un transformateur d'allumage plasma peut présenter deux types de défaillance : court-circuit et commutation brutale. Cet article détaille la fenêtre de temps mort, la rampe de courant de défaut, la fenêtre de désaturation qui en résulte, la fréquence d'oscillation du jeu de barres, ainsi que les valeurs de tension du jeu de barres et du circuit d'amortissement permettant de maintenir une tension de 3 kV dans ses limites.

1. Introduction

Quatre interrupteurs actionnent alternativement le circuit d'allumage dans le primaire du transformateur. Un défaut de synchronisation dans ce pont peut détruire le matériel en quelques microsecondes. Les deux pannes classiques sont le court-circuit, où les deux interrupteurs d'une même branche conduisent et court-circuitent le bus CC, et la commutation brutale, où un interrupteur s'active alors que le courant d'allumage maximal circule dans l'interrupteur opposé.

Les retours de champ présentent une signature répétitive. Un court-circuit détruit les interrupteurs de phase et souvent le condensateur de bus. Les dégâts sont rapides, bruyants et coûteux, car l'étage de puissance entier, ainsi que la main-d'œuvre de réparation, sont mis hors service.

La plupart de ces retours sont liés à trois défauts d'interverrouillage. Le temps mort est mal paramétré pour le délai de propagation. La logique PWM ne comporte aucun contrôle de court-circuit. Le dispositif de verrouillage de défaut se déclenche au moindre bruit d'allumage, ou bien il reste inactif pendant l'événement qu'il devrait détecter.

Cet article définit la fenêtre de temporisation d'un pont d'allumage de 3 kV, l'équation de rampe de défaut qui fixe la fenêtre de réaction, les valeurs de bus qui limitent le dépassement de commutation et six étapes de conception qui comblent les lacunes.

2. Mécanisme de base

Chaque commutation nécessite un temps mort entre la mise hors tension d'un interrupteur et la mise sous tension de son complément. Quatre constantes de temps régissent cette branche : l'étalement du délai de propagation, la persistance du courant à la mise hors tension, le temps de récupération de la diode de substrat et la fenêtre de réaction au défaut.

2.1 La fenêtre de temps mort

Le temps mort doit couvrir le décalage de délai maximal, la durée de la coupure de l'interrupteur et le temps de récupération de la diode. Une inégalité garantit la sécurité de la branche :

t_d > Δt_prop_max + t_tail_off + t_diode_recovery

où t_d est le temps mort en ns, Δt_prop_max est le décalage de délai de propagation dans le pire des cas entre les canaux côté haut et côté bas en ns, t_tail_off est la queue du courant de commutation à l'arrêt en ns et t_diode_recovery est le temps de récupération inverse de la diode de corps en ns.

Un lot mesuré donne Δt_prop_max = 120 ns, t_tail_off = 80 ns et t_diode_recovery = 60 ns. La somme est de 260 ns, donc un temps mort de 300 ns offre une marge de 40 ns. Un réglage global de 1 µs entraîne une perte de 20 % de l'amplitude d'allumage, ce qui se manifeste dans la partie inférieure de la plage de tension du circuit de maintien.

2.2 Quel est le coût du temps mort supplémentaire pour l'impulsion d'allumage ?

Un temps mort important écrête le courant de résonance à chaque commutation. L'atténuation est proportionnelle au temps mort sur la période de résonance :

ΔV_out / V_out ≈ 2 · t_d / T_res

où ΔV_out/V_out est la perte fractionnelle d'amplitude d'allumage, t_d est le temps mort en ns et T_res est la période de résonance du réservoir en ns.

À 100 kHz, la période du circuit résonant est de 10 µs. Un temps mort de 300 ns entraîne une perte d'amplitude de 6 %, et un temps mort de 1 µs, une perte de 20 %. Ces 20 % empêchent l'amorçage de l'arc électrique ; la solution habituelle consiste donc à augmenter la tension du circuit résonant, ce qui sollicite davantage le transformateur, le diviseur de tension et le redresseur.

2.3 Courant de défaut et fenêtre de réaction

Lorsqu'un conducteur traverse le circuit, seule l'inductance de la boucle de bus limite le courant :

i_ST = (V_bus / L_bus) · t_ST

où i_ST est le courant de défaut en A, V_bus est la tension du bus CC en V, L_bus est l'inductance de la boucle de bus en nH et t_ST est le temps écoulé en ns.

Avec V_bus = 3 kV et L_bus = 150 nH, la rampe est de 20 A/ns et le seuil de coupure de 600 A est atteint en 30 ns. La plage de fonctionnement de la protection est déterminée par ces mêmes valeurs :

t_react < t_ST_max = (i_destruct · L_bus) / V_bus

où t_react est le temps entre la détection du défaut et la désactivation de la porte en ns, i_destruct est le niveau de courant destructif du commutateur en A, L_bus est l'inductance de la boucle de bus en nH et V_bus est la tension du bus en V.

Les mêmes valeurs donnent t_ST_max = 30 ns, et aucun circuit de commande de grille ne réagit aussi rapidement. C'est à ce stade que la conception change de forme. Le commutateur sature à trois ou quatre fois son courant nominal, la rampe s'aplatit donc aux alentours de 2.4 kA, et la fenêtre de fonctionnement réelle correspond au courant de court-circuit nominal de 10 µs du composant.

Planifiez cette fenêtre en trois parties : 1.5 µs pour la détection de la désaturation, 0.5 µs pour la coupure de la commande de grille et une marge de 8 µs en cas de surchauffe du composant. Tout plan de protection basé sur un temps de réaction de 30 ns ne protégera pas le pont.

2.4 Sonnerie, chute de tension et énergie stockée du bus

L'inductance de la boucle de bus et la capacité du circuit d'amortissement définissent une fréquence d'oscillation que ce dernier doit amortir :

f_r [MHz] = 5033 / √(L[nH] · C[pF])

où f_r est la fréquence d'oscillation en MHz, L est l'inductance de la boucle de bus plus l'inductance du circuit d'amortissement en nH, et C est la capacité du circuit d'amortissement en pF. Une boucle de 150 nH avec un circuit d'amortissement de 4 700 pF oscille à 6.0 MHz, et c'est la fréquence que la résistance d'amortissement doit absorber.

La chute de tension du bus pendant un intervalle de commutation suit la conservation de la charge :

ΔV = I · Δt / C

où ΔV représente la chute de tension en kV, I le courant du bus en A, Δt l'intervalle de commutation en µs et C la capacité du bus en nF. Une capacité de bus de 1 µF, un courant de 40 A et un intervalle de 5 µs donnent 0.2 kV, soit 6.7 % d'une tension d'alimentation de 3 kV.

L'énergie stockée détermine ce que ce rail peut fournir en cas de défaut :

E = ½ · C · V²

où E représente l'énergie stockée, C la capacité en nF et V la tension en kV. Les nanofarads et les kilovolts correspondent aux millijoules ; ainsi, un condensateur d'amortissement de 4 700 pF emmagasine 21 mJ à 3 kV, tandis qu'un condensateur de bus de 1 µF emmagasine 4 500 mJ. Ces 4.5 J correspondent à l'énergie dissipée dans la branche lors d'un court-circuit avant que la désactivation de la grille ne prenne effet.

Fig. 1 — Une rampe de défaut de 20 A/ns atteint 600 A en 30 ns, donc la fenêtre d'interverrouillage provient de la valeur nominale du dispositif de 10 µs et le condensateur de bus de 1 µF détermine la chute.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Problème n° 1 : Perturbation due à une inadéquation du délai de propagation

Les canaux de grille côté haut et côté bas sont rarement identiques. Un délai de 120 ns réparti sur un lot peut chevaucher une commutation lorsque le temps mort provient d'une valeur typique de la fiche technique. Le pont tombe en panne de manière aléatoire et les défaillances s'accumulent sur un même lot de pilotes.

Point faible n° 2 : Aveuglement de la protection lors de l’explosion d’allumage

Le détecteur de défauts nécessite une période de masquage pour ignorer les transitoires d'allumage. Si cette période est supérieure à la durée de coupure, le détecteur ne détectera pas un véritable court-circuit pendant la salve. Le pont est alors mis hors service, la protection restant intacte.

Point faible n° 3 : Absence d’alimentation pendant le temps mort de l’impulsion d’allumage

Un temps mort de 1 µs, par mesure de précaution, est toléré à chaque cycle et représente 20 % de l'amplitude d'allumage. Le moteur présente des ratés d'allumage au démarrage à froid, ce qui entraîne une augmentation de la tension du circuit d'alimentation et une contrainte supplémentaire sur le transformateur, le diviseur de tension et le redresseur.

Point sensible n° 4 : Sonnerie de bus à chaque changement de direction

L'inductance de la boucle de bus et la capacité de sortie du commutateur oscillent à 6.0 MHz autour d'un circuit d'amortissement de 4 700 pF. La tension d'alimentation dépasse 3 kV à chaque transition, ce qui sollicite fortement les commutateurs et induit des oscillations dans la carte de commande via les boucles de grille.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Mesurer et adapter les délais de propagation

Caractérisez les canaux de commande de grille à la température de fonctionnement pour chaque lot de production. Réglez le temps mort à la valeur mesurée dans le pire des cas, plus 40 ns, et notez cette valeur pour le lot. Un réglage mesuré de 300 ns est préférable à une valeur standard de 1 µs, tant en termes de sécurité que d'amplitude d'amorçage.

Stratégie 2 : Ajouter une protection matérielle contre les surtensions

Mesurez le courant dans chaque branche par détection de désaturation ou à l'aide d'un transformateur de courant rapide. Faites transiter le signal par un verrouillage câblé qui désactive les deux portes sans modification du micrologiciel. Vérifiez le temps de réaction par un test d'injection de défaut aux extrémités froide et chaude de la plage de températures.

Stratégie 3 : Maintenir le masquage à l’intérieur de la fenêtre de réaction

Définissez le seuil de masquage du détecteur de défauts à partir de la valeur mesurée du transitoire d'allumage, majorée d'une marge, et maintenez-le en dessous de la fenêtre de coupure. Documentez le seuil de masquage et le temps de réaction comme deux valeurs distinctes lors de la revue de conception, car une valeur combinée unique masque la marge.

Stratégie 4 : Stabiliser le bus CC au niveau du pont

Placez un condensateur de bus à faible ESL à moins de 10 mm des bornes de la patte et atteignez la valeur de rail de 1 µF avec un condensateur à film Une pile ou un banc de condensateurs céramiques. Une capacité stable maintient la chute de tension de 200 V sur toute la plage de température, de sorte que le réseau d'oscillation ne se désaccorde pas entre un démarrage à froid et un changement de vitesse à chaud.

Stratégie 5 : Régler l’amortisseur RC sur la résonance mesurée

Mesurez le dépassement de commutation à l'aide d'une sonde à large bande, puis dimensionnez le circuit d'amortissement pour amortir l'oscillation à 6.0 MHz. Utilisez un résistance à couche épaisse Avec une faible inductance dans la branche du circuit d'amortissement, il convient de vérifier que ce dernier ne contribue pas au courant de résonance. Un circuit d'amortissement de 4 700 pF sous 3 kV emmagasine 21 mJ, et les transitions successives transforment cette énergie en chaleur dans la résistance.

Stratégie 6 : Valider à l’aide d’une matrice de défauts

Injectez des courts-circuits, des défauts de bus et des défauts de charge d'allumage sur un banc d'essai. Vérifiez que le verrouillage désactive les deux portes à l'intérieur de la fenêtre à chaque essai, le micrologiciel étant maintenu en état de réinitialisation. Incluez un boîtier avec un diode à récupération rapide en fin de vie, car une diode de corps lente allonge le temps de récupération et réduit la marge de temps mort.

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	25 ° C
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 ce nœud

Les positions du bus et du circuit d'amortissement dans un pont d'allumage nécessitent une capacité stable, une faible inductance de boucle et un fonctionnement silencieux. HVC des condensateurs à disque en céramique et les bornes à vis couvrent les trois :

• Une dérive de capacité inférieure à ±30 ppm/°C maintient l'élément de bus à sa valeur, de sorte que le réseau d'oscillation qu'il amortit ne se désaccorde pas avec la température.
• Les boîtiers compacts à faible ESL maintiennent la boucle de bus à 150 nH ou moins, ce qui fixe directement la rampe de défaut de 20 A/ns.
• Le corps du N4700 (T3M) supporte le courant d'ondulation de commutation sans surchauffe.
• Les valeurs nominales de 1 kV à 100 kV correspondent aux tensions du bus d'allumage sur l'ensemble de la gamme de produits.
• La décharge partielle reste inférieure à 5 pC, de sorte que le condensateur du bus ne déclenche pas les détecteurs de défauts.
• Le 40 kV condensateurs poignée de porte fonctionnent dans des variateurs haute tension à pont complet qui sont soumis à la même discipline de court-circuit.

Livraison et support couvre un références croisées Veuillez fournir les données de mesure de l'inductance de boucle du lot livré, des échantillons pour le banc d'essai de défauts et une assistance technique pour le réglage du circuit d'amortissement, ainsi que la tension du bus, la fréquence du circuit résonant, la famille de commutateurs et le schéma de montage, en comparaison avec vos composants de bus et d'amortissement actuels.

6. Questions fréquentes

Q1 : Pourquoi un temps de réaction de 30 ns n'est-il pas réalisable ?

À 3 kV et 150 nH, le courant de défaut augmente à 20 A/ns, atteignant ainsi 600 A en 30 ns. La détection de la désaturation nécessite à elle seule environ 1.5 µs. L'interrupteur sature aux alentours de 2.4 kA, ce qui laisse le temps nécessaire au circuit de commande.

Q2 : Comment choisir le temps mort pour un nouveau pilote de portail ?

Mesurez les deux canaux aux températures extrêmes (chaud et froid), retenez la plus grande différence et ajoutez la durée de la coupure, le temps de récupération de la diode et une marge de 40 ns. Pour le lot présenté dans cet article, cela donne 300 ns.

Q3 : Que se passe-t-il si le temps de masquage est trop long ?

Le détecteur ignore le bruit d'allumage et ne détecte pas non plus les véritables tirs traversants au sein de la rafale. Maintenez le seuil de masquage en dessous de la fenêtre de déclenchement et enregistrez les deux valeurs séparément afin que la marge reste visible.

Q4 : De quelle capacité de bus un pont de 3 kV a-t-il besoin ?

Dimensionnez la résistance en fonction de la chute de tension acceptable. Un microfarad supporte un courant de 40 A et une chute de tension de 200 V pendant 5 µs, soit 6.7 % de la tension d'alimentation. N'en ajoutez que si l'avance à l'allumage est affectée.

Q5 : Le dispositif d'amortissement peut-il charger le courant d'allumage ?

C'est possible. Un circuit d'amortissement de 4 700 pF sous 3 kV emmagasine 21 mJ par front, et cette énergie est dissipée sous forme de chaleur dans le circuit résonant. Avant de choisir la valeur du circuit, vérifiez la forme d'onde du courant dans le circuit résonant avec le circuit d'amortissement installé.

Q6 : Que prouve une matrice de défauts ?

Vérifiez que les interverrouillages fonctionnent sans mise à jour logicielle. Injectez un court-circuit, un court-circuit de bus et un défaut de charge, puis assurez-vous que les deux portes se désactivent correctement à chaque essai et aux deux températures extrêmes.

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