Excimer Supplies: Análise de Falha por Descarga Parcial Corona

Excimer Supplies: Análise de Falha por Descarga Parcial Corona

Sumário

A descarga parcial corona corrói o isolamento de alta tensão em incrementos de alguns picocentímeros (pC) sem deixar marcas visíveis. Este artigo apresenta a aritmética da tensão de início, a carga e a energia por evento, a carga cumulativa que prevê a falha, quatro modos de falha em campo e as etapas de detecção e projeto para uma fonte de alimentação de laser excimer de 30 kV operando a 6 kHz.

1. Introdução

A descarga parcial, também chamada de efeito corona, é o mecanismo de falha oculta mais comum em equipamentos de alta tensão. Uma falha total para a máquina imediatamente. Uma descarga parcial não. Ela causa curto-circuito apenas em parte do isolamento, deixando o restante intacto.

Cada evento desloca de 1 pC a 100 pC de carga e dura apenas nanossegundos. A energia por evento é pequena. A contagem, porém, não. Uma fonte de alimentação de laser de excímero opera a 1 kHz a 6 kHz com tensões de pico de 20 kV a 40 kV.

Bilhões de eventos se acumulam ao longo de milhares de horas. O isolamento se deteriora aos poucos e a peça falha prematuramente. As equipes de manutenção então culpam a sobretensão ou a umidade, porque a verdadeira causa não deixa marcas visíveis.

Este artigo aborda a tensão de início, a cinética de erosão, quatro modos de falha em campo, os métodos de detecção e as etapas de projeto que permitem que uma fonte de alimentação de laser excimer de 30 kV funcione por 10,000 horas.

2. Mecanismo Central

2.1 Tensão de início dentro de um vazio

Um vazio dentro de um dielétrico possui uma permissividade menor que a da cerâmica ao seu redor. O campo dentro do vazio aumenta acima do campo médio no dielétrico. Para um vazio esférico, o fator de amplificação é:

β = 3εr / (2εr + 1)

onde β é o fator de amplificação do campo no vazio e εr é a permissividade relativa do dielétrico.

Para a cerâmica N4700 com εr de 100, β é 300 / 201, ou 1.49. O campo de vazios é 1.49 vezes o campo médio. A descarga inicia-se quando o campo de vazios atinge a rigidez dielétrica do gás.

PDIV = E_gas × t / β

onde PDIV é a tensão de início da descarga parcial, E_gas é a rigidez dielétrica do gás no vazio, t é a espessura do isolamento e β é o fator de amplificação do campo.

O ar a 1 atm sofre ruptura dielétrica próximo a 3 kV/mm. Uma parede cerâmica de 1 mm com β de 1.49 resulta em PDIV = 3 kV/mm × 1 mm / 1.49, ou 2.01 kV. A tensão de operação deve permanecer abaixo desse valor com uma margem de segurança. Na prática, essa margem varia de 20% a 50%.

2.2 Carga e energia por evento

Um capacitor de 1 pF que sofre uma queda de tensão de 100 V durante uma descarga transfere essa carga:

q = C_void × ΔV

onde q é a carga por evento, C_vazio a capacitância do vazio e ΔV a queda de tensão através do vazio.

Isso resulta em 100 pC. A energia decorre da carga e da queda de tensão:

W = 0.5 × q × ΔV

onde W é a energia por evento, q a carga transferida e ΔV a queda de tensão através do vazio. O resultado é 5 nJ, liberados em um volume de alguns micrômetros cúbicos.

Assim, a densidade de energia local é alta mesmo quando a energia total é pequena. Essa densidade impulsiona a erosão na parede do vazio.

2.3 Mecanismos de erosão na superfície do vazio

Quatro mecanismos atuam em conjunto. A erosão térmica derrete ou vaporiza a cerâmica a uma taxa de aproximadamente 1e−12 g por evento, com uma energia de 5 nJ. A erosão química forma ozônio, óxidos de nitrogênio e oxigênio atômico, e ataca o isolamento orgânico de 10 a 100 vezes mais rápido do que o mecanismo térmico.

A erosão mecânica ocorre após a onda de pressão da expansão do gás, que cria microfissuras na superfície. A formação de trilhas condutoras preenche então o vazio: materiais orgânicos formam trilhas de carbono e cerâmicas formam depósitos metalizados provenientes dos eletrodos. Essa ponte fecha um caminho de ruptura através do isolamento.

2.4 Carga cumulativa e tempo até a falha

O dano é proporcional à carga total que passou pelo isolamento:

Q_total = q × N × f × t

onde Q_total é a transferência de carga cumulativa, q a carga por evento, N o número de vazios, f a taxa de repetição e t o tempo de operação.

Considere q = 10 pC, N = 100 vazios, f = 6 kHz e t = 10,000 h. Então, Q_total = 10 pC × 100 × 6000 × 3.6 × 10^7, ou 0.216 C. Dados de campo indicam que o limite de falha está entre 0.01 C e 0.1 C, portanto, uma peça nesse estado já ultrapassou esse limite.

Figura 1 — Um campo magnético de 1.49 é amplificado a partir de um valor inicial de 2.01 kV por mm, e eventos de 10 pC a 6 kHz elevam a carga cumulativa para mais de 0.216 C.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: Descarga parcial interna destrói o capacitor

Um capacitor cerâmico com vazios internos descarrega nesses vazios assim que a tensão de operação ultrapassa a tensão de início. Cada evento corrói a parede do vazio e deposita material condutor. O depósito eventualmente preenche o vazio e causa um curto-circuito no componente.

As falhas ocorrem após 5,000 a 10,000 horas a 6 kHz. O operador observa um curto-circuito repentino e atribui a culpa à sobretensão. A verdadeira causa reside no dielétrico.

Problema 2: O PD de superfície rastreia o encapsulante.

Em encapsulantes de capacitores, isolamento de cabos e carcaças de conectores, a descarga parcial superficial começa onde há umidade, poeira ou compostos de flúor. A descarga forma trilhas de carbono que preenchem o espaço entre os eletrodos e se propagam rapidamente pela superfície.

Essas falhas ocorrem após 3,000 a 8,000 horas de uso. O operador atribui a culpa à umidade ou à contaminação, e a solução é uma rotina de limpeza que não aborda o estresse superficial causado pelo campo.

Problema 3: A corona em bordas afiadas irradia EMI (interferência eletromagnética).

Bordas afiadas, pontas e superfícies ásperas atingem o início do efeito corona a cerca de 30 kV/cm no ar. O efeito corona então irradia ruído de banda larga de 100 kHz a 1 GHz e se acopla à eletrônica de controle e à fiação dos sensores.

O sintoma é disparo falso, erro de medição e falhas de comunicação. O operador culpa a eletrônica, e a descarga ocorre na borda de um resistor a 200 mm de distância.

Problema 4: A geração de gás por PD aumenta a pressão interna.

Em um componente selado com isolamento orgânico, a descarga parcial (DP) decompõe o material e libera hidrogênio, metano, etileno e acetileno. O gás se acumula até que a vedação se rompa ou a carcaça se abra.

Esses eventos ocorrem entre 5,000 e 15,000 horas de operação. O operador observa um componente rompido e atribui a causa à sobretensão. Uma análise de gases dissolvidos no espaço livre identifica a origem da descarga parcial em um dia.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Manter a tensão de operação abaixo da tensão de início.

Projete o isolamento de forma que a tensão máxima, incluindo sobretensão e transientes, fique pelo menos 20% abaixo da tensão de início. Para um ponto de operação de 30 kV, especifique componentes com uma tensão de pico diferencial (PDIV) acima de 37.5 kV. Verifique o valor com um teste de descarga parcial (PD) a 1.2 vezes a tensão de operação e aplique a mesma regra ao carregamento. diodo retificador pilha.

Estratégia 2: Comprar dielétrico sem vazios

Selecione capacitores fabricados por prensagem a quente ou prensagem isostática a quente, que eliminam vazios e porosidade internos. Especifique uma densidade cerâmica acima de 99% da densidade teórica e confirme o teor de vazios com inspeção por raios X ou ultrassom C-scan antes da aceitação do lote.

Estratégia 3: Adicionar revestimentos resistentes à descarga

Aplique revestimentos inorgânicos, como alumina ou sílica, em superfícies isolantes para aumentar a tensão de início de superfície. Utilize encapsulantes com alumina ou sílica, que resistem à erosão muito melhor do que silicones e epóxis sem carga. Teste a integridade do revestimento antes e depois da exposição ambiental.

Estratégia 4: Monitorar a atividade de descarga

Instale transformadores de corrente de alta frequência, acopladores capacitivos ou antenas UHF e registre a carga de descarga parcial, a taxa de repetição e o padrão ao longo do tempo. Um aumento repentino na atividade indica danos no isolamento. Acione um alarme de manutenção a 10 pC ou a 100 pulsos por segundo.

Estratégia 5: Utilizar resistores resistentes ao efeito corona no nó de alta tensão.

Selecionar HVR-BSP resistores de película espessa em série Com revestimentos resistentes à corona e bordas arredondadas, e especifique uma PDIV acima de 1.5 vezes a tensão máxima de operação. Confirme o desempenho da corona com um teste de escuridão e uma medição de PD em tensão máxima.

Estratégia 6: Realizar envelhecimento acelerado de PD antes do lançamento

Envelheça os componentes a 1.5 vezes a tensão de operação, o que comprime 10,000 h de exposição a descargas parciais em cerca de 2,000 h. Meça a carga de descarga parcial, a deriva capacitiva e a resistência de isolamento antes e depois do processo. Aceite componentes com crescimento de descarga parcial inferior a 20%, deriva capacitiva inferior a 5% e perda de resistência de isolamento inferior a 50%.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Tensão nominal (série HVCT8G)	10 kV CC	alta potência 1.5× por 60 s
Capacidade	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	abaixo de 50 mΩ	-
Indutância do laço (corda E40)	abaixo de 8 nH	Espaçamento entre terminais de 40 mm
resistência de isolamento	acima de 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Faixa de temperatura	-40°C a +125°C	Série IEC 60068-2
Capacidade de dv/dt de pulso	acima de 50 kV/µs	na tensão nominal

5. Capacitores HVC N4700 para fontes de alimentação de laser resistentes a descargas

Três requisitos norteiam a escolha neste nó: uma tensão de início bem acima da tensão de alimentação, um dielétrico que não forme trilhas de carbono e um histórico de testes que comprove ambos. A HVC fabrica componentes N4700 para esse conjunto em uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, para tensões de 1 kV a 150 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Descarga abaixo de 5 pC na tensão nominal. Cada unidade é testada e a magnitude registrada, o que deixa uma margem de 20 vezes abaixo do nível de 100 pC, onde a erosão se transforma em curto-circuito.
• Cerâmica isenta de vazios com densidade superior a 99.5% da densidade teórica. A prensagem a quente e a sinterização controlada eliminam os vazios internos que, em primeiro lugar, são responsáveis ​​pela descarga.
• Uma tensão de início superior a 1.5 vezes a tensão nominal, de modo que a tensão de alimentação permaneça abaixo da tensão de início mesmo com sobretensão e transientes na borda do pulso.
• A construção cerâmica não forma uma trilha de carbono condutora. Os produtos da erosão permanecem isolantes, portanto a peça não cria a ponte que o isolamento orgânico forma.
• Cobertura de 1 kV a 150 kV em conexões radiais, terminais de parafuso e capacitores maçanetaUm único sistema dielétrico serve para a rede de pulsos, a fonte de alimentação de carga e o filtro de disparo.
• Qualificado como substituto direto para marcas de primeira linha em programas de serviço de campo a laser e especificado por OEMs de laser em novas plataformas de energia. As peças HVC correspondem aos parâmetros elétricos e dimensões de encapsulamento de Murata tipo parafuso, Vishay HVCC e TDK UHV/FHV.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas e os conjuntos personalizados em 6 a 10 semanas. A engenharia de aplicações da HVC oferece suporte para o cálculo da tensão de início, revisão da inspeção de vazios, revisão do projeto de isolamento e interpretação dos dados de teste de descarga parcial para fontes de alimentação de laser de excímero.

Envie a tensão do trilho, a taxa de repetição de pulsos, a espessura do isolamento e as horas de serviço. A HVC retorna uma ficha de seleção de peças com dados de teste de descarga parcial e um kit de avaliação com duas amostras em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

P1: Por que uma descarga parcial causa um curto-circuito em um capacitor sem aviso prévio?

Porque o dano é cumulativo e invisível externamente. Cada evento desloca de 1 pC a 100 pC e erode cerca de 1 x 10⁻¹² g de cerâmica. A 6 kHz, com 100 vazios e 12 pC por evento, a carga cumulativa atinge 0.216 C em 10,000 h, ultrapassando a faixa de falha de 0.01 C a 0.1 C. Uma verificação de capacitância ainda indica valores dentro da tolerância até que a trilha se feche.

Q2: Qual a margem que a tensão de operação deve manter abaixo da tensão de início?

Use 20% como limite mínimo e 50% onde a geometria permitir. Para um ponto de operação de 30 kV, especifique componentes com uma tensão de início de descarga parcial (PDIV) acima de 37.5 kV e verifique-a com um teste de descarga parcial a 1.2 vezes a tensão de operação. Uma parede de 1 mm de cerâmica N4700 com εr de 100 atinge o início da descarga a apenas 2.01 kV dentro de um vazio, portanto, a qualidade da montagem define a margem real.

Q3: Qual método de detecção é adequado para uma fonte de alimentação pulsada de 6 kHz?

Utilize um transformador de corrente de alta frequência para carga e taxa de descarga, e uma antena UHF para localização. Um padrão de descarga com resolução de pulso substitui o padrão com resolução de fase, pois a fonte de alimentação não possui referência de fase CA. Acione um alarme a 10 pC ou 100 pulsos por segundo e compare o formato do padrão para diferenciar descargas internas de descargas superficiais.

Q4: Uma peça de cerâmica falha da mesma forma que uma peça de filme?

Não. A capacitor de filme A descarga forma trilhas de carbono à medida que o polímero se decompõe, fazendo com que a erosão se acelere após as primeiras milhares de horas.

Em vez disso, a cerâmica forma depósitos metalizados, e o restante da parede permanece isolante. É por isso que a cerâmica capacitor de disco Tolera uma carga cumulativa maior para a mesma espessura de parede.

Q5: Como faço para verificar se há lotes vazios entre os que chegam?

Solicite uma declaração de densidade acima de 99% da densidade teórica e uma inspeção de vazios. A inspeção por raios X detecta vazios acima de 50 µm, e a inspeção ultrassônica C-scan detecta delaminações em toda a área do eletrodo. Um lote sem dados de inspeção não pode ser qualificado em um nó de 30 kV, pois a quantidade de vazios define a tensão de início.

Q6: Quanto tempo precisa durar um teste de descarga acelerada?

Deixe o componente envelhecer a 1.5 vezes a tensão de operação por cerca de 2,000 horas, o que representa 10,000 horas de serviço. Aceite o componente quando a descarga parcial (PD) aumentar menos de 20%, a capacitância variar menos de 5% e a resistência de isolamento cair menos de 50%. Qualquer valor pior indica uma população de vazios que não sobreviverá ao período de serviço.

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