Impédance dynamique des diodes dans les réseaux de clampage d'allumage plasma

Impédance dynamique des diodes dans les réseaux de clampage d'allumage plasma

Abstract

Le circuit de protection différentielle (RCD) qui absorbe l'énergie de coupure d'allumage est conçu autour d'une diode dont le nombre varie en fonction du courant et de la température. Cet article présente le calcul de la résistance différentielle d'une diode de protection en silicium, montre comment la variation de ce nombre modifie la constante de temps du réseau d'un facteur six et propose le choix du réseau de polarisation et du condensateur permettant de limiter l'erreur.

1. Introduction

Le réseau d'absorption d'impulsions d'un étage d'allumage plasma récupère l'énergie de coupure du transformateur d'allumage et du hacheur. La diode dirige cette énergie vers un condensateur et une résistance.

Pendant l'impulsion, la diode conduit. À la fin de l'impulsion, elle bloque et isole la branche d'absorption du circuit d'alimentation.

La conception commence généralement par l'étude des caractéristiques techniques de la diode : tension directe, temps de recouvrement, courant nominal. En conditions réelles d'impulsion, aucune de ces valeurs n'est constante, car l'impédance de la diode dépend du courant instantané, de la température de jonction et de l'historique des impulsions.

Une diode soumise à un courant de 1 mA présente une résistance différentielle de plusieurs dizaines d'ohms. À 10 A, cette même jonction présente une résistance de quelques milliohms. Un circuit accordé à une certaine valeur se comporte de manière anormale à l'autre extrémité de l'impulsion.

2. Mécanisme de base

2.1 Conduction directe et résistance incrémentale

Le comportement direct de la jonction suit la relation de Shockley avec une résistance en série :

V_f = (nkT/q) × ln(I/I_s + 1) + I × R_s

où V_f est la tension directe, nkT/q la tension thermique, proche de 26 mV à température ambiante, I le courant direct, I_s le courant de saturation et R_s la résistance série de la puce et du boîtier.

La résistance incrémentale est la dérivée de cette expression :

r_d = nkT / (q × (I + I_s)) + R_s

où r_d est la résistance incrémentale vue par un petit signal en plus du courant de polarisation I, nkT/q la tension thermique et R_s la résistance série.

Avec R_s = 50 mΩ, la valeur est de 26 Ω à 1 mA et de 53 mΩ à 10 A. Une décade de courant supprime une décade de résistance de jonction, jusqu'à ce que le terme série prenne le dessus au-dessus d'environ 5 A.

2.2 La constante de temps du réseau varie avec l'impulsion

La diode est montée en série avec la branche d'absorption, donc l'impédance du réseau est la somme des deux :

Z_net(I) = r_d(I) + Z_abs  ,  τ = (R_abs + r_d(I)) × C_abs

où Z_net est l'impédance du réseau au courant I, r_d la résistance incrémentale de la diode, Z_abs l'impédance de la branche d'absorption, τ la constante de temps du réseau, R_abs la résistance de la branche et C_abs la capacité d'absorption.

Une branche de 5 Ω et 100 nF présente un temps de réponse de 505 ns lorsque l'impulsion atteint son pic de 10 A, car la résistance de fuite (r_d) chute à 53 mΩ. À un courant de repos de 1 mA, cette même branche présente un temps de réponse de 3.1 µs, soit six fois plus long.

Les deux valeurs sont correctes et décrivent différentes parties d'un même événement. Un modèle calculé pour un courant donné est optimisé uniquement pour ce courant.

2.3 Le niveau de serrage et son erreur

La tension de blocage au bord de l'impulsion combine la chute de tension de jonction avec le courant traversant la résistance totale :

V_clamp = V_f(I) + I × (R_abs + r_d(I))

où V_clamp est la tension du nœud bloqué, V_f la tension directe de la diode au courant I, R_abs la résistance de la branche et r_d la résistance incrémentale de la diode.

À 10 A avec une branche de 5 Ω, le terme résistif est de 50.5 V et le terme de jonction ajoute 1.4 V. Un réseau dimensionné pour une résistance constante r_d de 5 Ω au lieu de 53 mΩ surestime le niveau de 25 %.

Le délai est aussi important que le niveau. Au début de l'impulsion, le courant est encore en phase de croissance ; la diode se trouve alors à son impédance maximale et le transfert d'énergie vers le condensateur est en retard par rapport à l'impulsion. L'interrupteur est alors soumis à une tension supérieure à celle pour laquelle le réseau a été dimensionné.

2.4 Température et réseau de polarisation

La tension thermique dans la jonction est proportionnelle à la température absolue ; le terme de jonction augmente donc d’environ 0.33 % par °C. Pour une élévation de température de 60 °C, la résistance incrémentale à courant constant augmente de 20 %.

Un courant de polarisation fixe le point de fonctionnement pendant la période d'inactivité :

r_d,min ≤ r_d(I_bias + I_pulse) ≤ r_d,max

où r_d,min et r_d,max limitent la résistance incrémentale, I_bias le courant de polarisation à vide et I_pulse le courant d'impulsion. Une polarisation de 0.1 à 1 mA maintient la diode dans une bande définie, de sorte que l'impédance du réseau est bornée avant l'arrivée de l'impulsion.

Le condensateur d'absorption ne doit pas introduire de variation propre. Un composant N4700 maintient sa capacité à ±30 ppm/°C et un tanδ inférieur à 0.1 %, de sorte que la constante de temps dépend uniquement de la diode. Son niveau de PD inférieur à 5 pC assure un fonctionnement électrique stable du nœud d'absorption, ce qui est crucial car ce nœud présente le dv/dt le plus élevé lors de la phase d'allumage.

Fig. 1 — Une tension thermique de 26 mV et une résistance série de 50 mΩ placent la diode de clamp à 26 Ω au repos et à 53 mΩ au pic d'impulsion de 10 A.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point sensible n° 1 : Les retours de dépassement de bord

Un réseau réglé sur une résistance différentielle (r_d) statique est trop lent au front d'impulsion, lorsque la diode est encore à son extrémité de haute impédance. Le niveau de limitation dépasse alors de 20 à 40 %.

La surtension sollicite fortement l'interrupteur et l'isolation du transformateur à chaque impulsion. Aucun élément du réseau n'est défaillant ; le défaut correspond à une erreur de conception relevée dans une fiche technique.

Point sensible n° 2 : Enroulement de la queue à courant élevé

Au pic de l'impulsion, la résistance incrémentale est bien inférieure à la valeur nominale, ce qui entraîne un sous-amortissement de la branche. L'énergie stockée oscille entre le condensateur d'absorption et l'inductance de boucle à une fréquence de 1 à 10 MHz.

L'anneau génère des interférences électromagnétiques et réinjecte du bruit dans le circuit de retour d'allumage. Il inverse également le courant de la diode, ce qui ajoute des pertes de récupération à la charge d'absorption.

Point sensible n° 3 : La température modifie le point de fonctionnement

Le terme de jonction varie d'environ 0.33 % par °C, et la jonction s'échauffe également spontanément lors d'une série d'impulsions. Sur une période de 8 heures, la constante de temps effective du réseau dérive.

Le comportement en termes de dépassement et de sonnerie varie ensuite d'heure en heure. Une conception validée sur une machine froide en début de poste ne correspond pas à celle de la même machine en fin de poste.

Point sensible n° 4 : Le condensateur accentue la dérive.

Un condensateur d'absorption de classe II ajoute 15 % de variation de capacité due à la température et à la polarisation continue, en plus de la dérive de la diode. L'erreur totale devient alors imprévisible et varie d'une unité de production à l'autre.

Les deux erreurs interagissent également. Une capacité qui diminue avec la polarisation raccourcit la constante de temps précisément au moment où la résistance de la diode diminue elle aussi.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Modéliser la diode à partir de sa courbe de résistance complète

Caractérisez r_d(I) de 1 mA jusqu'au courant d'impulsion nominal. Un balayage de courbe ou un tracé logarithmique de la caractéristique directe de la fiche technique permet d'obtenir la courbe ; une valeur unique ne suffit pas.

Enregistrez séparément la valeur au courant de polarisation et à la crête de l'impulsion. Ces deux valeurs encadrent le comportement réel du réseau.

Stratégie 2 : Concevoir au point de fonctionnement et vérifier les limites

Définissez τ = (R_abs + r_d(I_peak)) × C_abs pour la cible d'absorption, ce qui donne 505 ns pour une branche de 5 Ω / 100 nF à 10 A. Vérifiez ensuite le front montant avec le courant à 100 mA, où la constante de temps est de 531 ns.

Ajustez R_abs pour limiter le niveau de limitation aux deux extrémités. La résistance est le seul élément de la branche dont la valeur ne varie pas avec le courant.

Stratégie 3 : Ajouter un réseau de polarisation pour fixer le point d’inactivité

Un courant de polarisation de 0.1 à 1 mA à travers un diode à récupération rapide La résistance incrémentale reste contenue dans une bande définie. L'impédance du réseau varie alors sur une plage limitée, indépendamment de l'historique des impulsions.

La source de polarisation est référencée à une bande interdite afin d'éviter toute dérive avec le potentiel ambiant. Le courant de polarisation est faible et sa propre stabilité détermine la largeur de la bande d'impédance.

Stratégie 4 : Sélectionner un condensateur d’absorption N4700

Choisissez N4700 pour la position d'absorption. Son coefficient de ±30 ppm/°C maintient la constante de temps stable en fonction de la température, son tanδ inférieur à 0.1 % maintient l'ESR négligeable et son PD inférieur à 5 pC maintient le nœud silencieux.

Lorsque l'énergie de l'impulsion dépasse la capacité de la céramique, un condensateur à film La pièce principale supporte le poids et la pièce en céramique assure le tranchant. Les deux nécessitent les mêmes tolérances.

Stratégie 5 : Compenser la dérive thermique avec une paire appariée

Montez la diode et le condensateur à proximité thermique, de sorte que la dérive de la diode et toute dérive résiduelle du condensateur évoluent de manière corrélée. Le comportement combiné est alors prévisible tout au long du cycle thermique.

Vérifiez le couple sur une plaque thermique reproduisant l'écart de montage. Le chemin thermique entre les deux pièces participe à la compensation.

Stratégie 6 : Vérifier à l’aide d’une matrice d’amplitude d’impulsion et de température

Faites varier le courant d'absorption de 10 % à 100 % à −25 °C, 25 °C et 85 °C. Maintenez la tension de blocage à ±5 % près et observez une décroissance annulaire monocyclique dans chaque cellule.

Effectuez l'analyse de la matrice sur trois unités de production. Une dispersion inter-unités inférieure à ±3 % en tout point indique que la correction est une propriété de conception.

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. Condensateurs HVC pour le nœud d'absorption

Trois critères guident ce choix : une capacité stable malgré la dérive de la diode, de faibles pertes sous impulsions répétées et un fonctionnement silencieux au niveau du seuil de variation de tension (dv/dt) maximal. HVC fabrique des composants N4700 pour cette configuration.

Six paramètres importants à ce nœud

• Diode diélectrique de classe I N4700 (T3M) avec un coefficient de ±30 ppm/°C. Le condensateur d'absorption n'induit pas de dérive significative ; le comportement du réseau est donc celui de la diode seule.
• tanδ inférieur à 0.1 %. Des pertes internes négligeables signifient que le condensateur ne chauffe pas sous des impulsions répétées et n'ajoute pas de terme ESR au niveau de limitation.
• Plage de tension de 1 kV à 100 kV. Cette même famille couvre les nœuds d'absorption pour l'étape d'allumage à 25 kV et les nœuds de limitation de basse tension à 600 V.
• PD inférieure à 5 pC sur chaque partie analysée. Le nœud d'absorption présente la variation de vitesse (dv/dt) la plus élevée de la machine et n'injecte pas de surtensions dans les circuits de rétroaction.
• Tolérances strictes et courbes d'impédance publiées. La capacité et la résistance série équivalente (ESR) nécessaires à la méthode de correction sont documentées, ce qui permet de calculer précisément la constante de temps.
• Éprouvés sur le terrain dans les systèmes à impulsions nanosecondes. Les composants à bornes à vis HVC 40 kV / 441 pF ont remplacé les condensateurs de marque de premier plan dans les programmes de service sur site haute tension et sont adoptés par un nombre croissant d'OEM nationaux.

Livraison et support

Les valeurs standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines et les paires appariées sous 6 à 10 semaines. La même gamme comprend les disques à plomb radial et condensateurs poignée de porte pour les postes en vrac.

Les composants HVC correspondent aux paramètres électriques et aux dimensions d'emballage de Vishay, les pièces TDK et KEMET, donc une mise à niveau nécessite un échange de données.

Envoyez les données r_d(I) de la diode, le profil d'impulsion et la cible d'absorption. HVC renvoie les valeurs corrigées du réseau, l'enveloppe de limitation attendue et la matrice de vérification.

6. Questions fréquentes

Q1 : Pourquoi la résistance de la diode ne figure-t-elle pas dans la fiche technique ?

Cela dépend du courant. r_d = 26 mV / I + R_s, donc la résistance jonctionnelle diminue d'un ordre de grandeur pour chaque décade de courant, et la résistance série prend le dessus au-delà d'environ 5 A. À 1 mA, la valeur est de 26 Ω ; à 10 A, elle est de 53 mΩ.

Q2 : De combien varie réellement la constante de temps du réseau ?

Dans cet exemple, le facteur est six. τ = (R_abs + r_d) × C_abs donne 3.1 µs à 1 mA de polarisation au repos et 505 ns à une impulsion de 10 A crête avec une branche de 5 Ω et 100 nF. Ces deux valeurs sont correctes pour leur courant respectif.

Q3 : Qu’est-ce qui provoque le dépassement de 20 à 40 % sur le front d’impulsion ?

Le courant croissant rencontre une diode à impédance croissante. En limite de conduction, la diode est proche de sa valeur minimale, ce qui ralentit la conduction par rapport au courant de crête et retarde le transfert d'énergie vers le condensateur. Le nœud de commutation est alors soumis à une tension supérieure à celle pour laquelle le réseau a été dimensionné.

Q4 : Qu’achète le réseau de biais ?

Une bande d'impédance délimitée. Avec un courant de repos de 0.1 à 1 mA, la diode ne revient jamais à son état multi-ohm entre les impulsions ; le comportement du réseau est donc reproductible d'une impulsion à l'autre et sa dispersion sur une série de production est faible.

Q5 : De combien la température déplace-t-elle la résistance incrémentale ?

Le terme de jonction est proportionnel à la température absolue, soit environ 0.33 % par °C. Pour une élévation de température de 60 °C entre une machine froide et une machine chaude, cela représente 20 % à courant constant. La source de polarisation doit être référencée par la bande interdite afin d'éviter toute dérive.

Q6 : Comment la correction est-elle vérifiée ?

Avec une matrice d'amplitude d'impulsion et de température : courant d'absorption de 10 % à 100 % à −25 °C, 25 °C et 85 °C, tension de blocage à ±5 % et décroissance annulaire monocycle dans chaque cellule. Trois unités sont nécessaires, car un seul échantillon ne permet pas d'observer la dispersion entre les unités.

7. Références

1. E. Kuffel, WS Zaengl, J. Kuffel, Principes fondamentaux de l'ingénierie haute tension, 2e éd., Newnes, 2000.
2. N. Mohan, TM Undeland, WP Robbins, Électronique de puissance : convertisseurs, applications et conception, 3e éd., Wiley, 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. Y. Zhou, B. Chen, C. Tian, ​​J. Yuan et Y. Chen, Convertisseur linéaire à diodes parallèles pour essais de tenue diélectrique et mesure des décharges partielles d'équipements électriques, Haute Tension, vol. 8, no. 1, pp. 171-182, 2023. https://doi.org/10.1049/hve2.12312.
6. AN2001_06 — Connexion en série des IGBT, Infineon Technologies, AN2001_06, http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN2001_06_Series_connection_of_IGBTs-AN-v1.0-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b40f000d12f7 .
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. États-Unis 6,760,215, Condensateur à seuil de claquage à haute tension, DF DeVoe (lié au Presidio), accordé en 2004, https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
9. CEI 61071:2017, Condensateurs pour l'électronique de puissance, Éd. 2.0. Genève : Commission électrotechnique internationale, 2017.
10. Équipe d'ingénierie des applications HVC, Condensateur céramique haute tension Ressources techniques, https://www.hv-caps.com