Seleção de diodo de recuperação rápida para proteção contra surtos em acionadores de bombas.

Seleção de diodo de recuperação rápida para proteção contra surtos em acionadores de bombas.

Sumário

Danos causados ​​por surtos reversos representam de 20% a 30% das falhas de diodos de bombeamento e se manifestam como uma perda lenta de potência ao longo de milhares de horas. Este artigo apresenta a derivação do transiente reverso, a tensão de fixação, a energia de recuperação, a folga de proteção e a necessidade de circuito snubber, lista quatro problemas comuns em campo e fornece seis estratégias de seleção para um driver de 50 A.

1. Introdução

Os conjuntos de bombeamento de laser de fibra operam com correntes de 10 A a 60 A e tensões de 1.8 V a 4.5 V por junção, em comprimentos de onda de 915 nm ou 976 nm, dependendo do projeto. Um único módulo custa entre 2,000 e 15,000 dólares americanos, e a substituição implica a recalibração da cabeça do laser.

A principal ameaça é o transiente reverso que surge durante a comutação. Quando a chave é desligada, o colapso da corrente através da indutância do dreno inverte a tensão no arranjo.

Diodos laser semicondutores sofrem ruptura com uma tensão reversa entre 5 V e 15 V. Um transiente acima desse nível, mesmo que por alguns nanossegundos, induz uma corrente de avalanche através da junção.

A avalanche aquece o revestimento das facetas e cria defeitos em forma de linhas escuras que se espalham ao longo da estrutura cristalina. A potência de saída diminui ao longo das 2,000 a 5,000 horas seguintes, muito tempo depois do evento que a causou.

Dados de serviço indicam que surtos reversos são responsáveis ​​por 20% a 30% das falhas de diodos de bombeamento. Este artigo apresenta as equações de proteção, lista quatro problemas comuns em campo e oferece seis estratégias para um par diodo-capacitor que mantém o arranjo abaixo do seu limite.

2. Mecanismo Central

2.1 Tensão reversa da indutância do dreno

O interruptor resiste à variação da corrente por meio da indutância em seu caminho de dreno:

V_reverse = −L_parasitic × di/dt = −L_parasitic × I_peak / t_fall

onde V_reverse é a tensão transitória no interruptor, L_parasitic é a indutância do circuito de dreno, I_peak é a corrente de pulso e t_fall é o tempo de queda da corrente.

Uma variação de 50 A em 10 ns através de 10 nH gera 50 V. Parte desse transiente acopla-se através da capacitância do circuito ao arranjo, onde chega como uma polarização reversa sem um caminho de corrente próprio.

2.2 Ação de fixação do diodo de recuperação rápida

O diodo colocado em paralelo com o conjunto de diodos conduz quando o transiente se inverte e mantém a tensão em sua queda direta:

V_clamp = V_f_diode + R_on_diode × I_reverse

onde V_clamp é a tensão fixada, V_f_diode a queda direta na corrente reversa de pico, R_on_diode a resistência dinâmica de condução e I_reverse a corrente reversa.

Um componente de silício com queda de tensão direta de 0.8 V e resistência de condução de 10 mΩ limita a corrente a 50 A em 1.3 V, o que deixa uma ampla margem em relação ao limite de 5 V. O diodo só atinge esse estado após o tempo de recuperação ter decorrido.

2.3 Energia de recuperação reversa

A carga armazenada na junção precisa ser liberada antes que os diodos bloqueiem, o que consome energia a cada ciclo:

E_rr = ½ × Q_rr × V_R

P_rr = E_rr × f_sw

onde E_rr é a energia de recuperação por evento, Q_rr a carga de recuperação reversa, V_R a tensão reversa que os diodos bloqueiam, P_rr a perda média de recuperação e f_sw a frequência de comutação.

Um diodo com 50 nC de carga de recuperação a 100 V armazena 2.5 µJ por evento, o que corresponde a 1.25 W a 500 kHz. Esse calor é dissipado através da embalagem, e o limite de junção de 150 °C a 175 °C determina como a embalagem deve ser montada.

2.4 A lacuna de proteção e o requisito do circuito de amortecimento

Durante o tempo de recuperação, o diodo conduz na direção inversa e não consegue bloquear a corrente. O conjunto de diodos fica exposto durante esse intervalo.

t_gap = t_rr + t_junction_charge

onde t_gap é a folga de proteção, t_rr o tempo de recuperação reversa do diodo e t_junction_charge o tempo necessário para a carga da junção se dissipar.

O capacitor de amortecimento conduz a corrente através desse espaço, e sua variação de tensão acompanha a carga absorvida:

ΔV_snubber = I_peak × t_gap / C_snubber

onde ΔV_snubber é a variação da tensão no circuito de amortecimento e C_snubber é sua capacitância. Com um intervalo de 30 ns a 50 A e 1 µF, a variação é de 1.5 V.

A indutância do circuito também eleva a tensão do capacitor na borda de subida:

V_cap_clamp = I_peak × √(L_parasitic / C_snubber)

onde V_cap_clamp é a tensão de pico que o capacitor atinge. Com 10 nH e 1 µF, o pico é de 5 V, e um capacitor de 100 nF atingiria 15.8 V, o que está acima do limite da maioria dos diodos de bombeamento.

Figura 1 — Sem um circuito de proteção, o arranjo recebe o transiente completo de 50 V; um banco de diodos N4700 de 1 µF o mantém em 5 V enquanto o diodo se recupera em 30 ns.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: Tempo de recuperação superior ao período de proteção.

Um diodo com tempo de recuperação reversa de 50 ns a 100 ns é adequado para circuitos de baixa frequência, onde o período é de dezenas de microssegundos. A 500 kHz, o período é de 2 µs, e 50 ns corresponde a 2.5% desse valor.

A diferença também varia com a frequência de uma maneira diferente: a carga do circuito de amortecimento por evento permanece a mesma, mas a perda média aumenta com f_sw, e o calor de recuperação se concentra dentro do encapsulamento.

Ponto Crítico 2: Queda frontal que aumenta a tensão no conjunto de antenas

Em um circuito buck, o caminho de roda livre conduz a corrente de carga durante todo o intervalo de desligamento. Uma queda de 1.2 V a 50 A e 50% de ciclo de trabalho significa 25 A de corrente média no diodo e 20 W de perda por condução.

Essa mesma queda também define a tensão de alimentação que o conjunto de dispositivos recebe durante a fase de desligamento, o que reduz a margem entre o ponto de operação e o limite de dano.

Problema 3: Capacitância de junção em ressonância com o circuito

A capacitância de junção de um diodo de potência varia de 100 pF a 1 nF e oscila em conjunto com a indutância do dreno:

f_resonant = 1 / (2π × √(L_parasitic × C_junction))

onde f_resonante é a frequência do anel, L_parasita a indutância do circuito e C_junção a capacitância da junção do diodo. Com 10 nH e 500 pF, o anel opera em 71 MHz, com um período de 14 ns.

Se o diodo precisar de mais de um período para conduzir, o anel se acumula antes que o circuito de proteção entre em vigor e o pico excede o nível de proteção pretendido.

Problema 4: Perda cumulativa de recuperação que influencia a temperatura da junção.

A perda de recuperação aumenta com a frequência de comutação. Um diodo de 100 nC a 100 V e 500 kHz dissipa 2.5 W de perda de recuperação, além da perda de condução.

Com 20 W de condução no mesmo encapsulamento, o total chega a 22.5 W. A 5 °C/W, isso representa um aumento de 112 °C acima da placa, o que coloca a junção além do seu limite em um plano aquecido.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Manter o tempo de recuperação abaixo de 30 ns

Especifique um diodo de recuperação rápida com recuperação reversa de 30 ns ou menos para drivers acima de 200 kHz. Isso limita a lacuna de proteção e a carga que o circuito snubber precisa suportar.

Com 30 ns e 50 A, a carga no gap é de 1.5 µC, contra 5 µC para um componente de 100 ns. Em um circuito snubber de 1 µF, isso representa uma oscilação de 1.5 V contra 5 V, que é a diferença entre um arranjo seguro e um exposto.

Estratégia 2: Faça com que a tendência de alta caia abaixo de 0.8 V

Em uma tensão de barramento abaixo de 100 V, um diodo Schottky de SiC elimina completamente a carga de recuperação com uma queda de tensão direta de 1.2 V a 1.5 V. Uma queda de tensão mais alta acarreta perdas por condução no caminho de roda livre e elimina completamente a proteção.

Acima de 100 V, utilize um componente de silício de recuperação rápida com um perfil de dopagem otimizado que mantenha a queda de tensão direta abaixo de 0.8 V na corrente nominal e aceite o tempo de recuperação de 25 ns a 30 ns com um circuito snubber em toda a matriz.

Estratégia 3: Preencher a lacuna com capacitância de Classe I

Coloque 1 µF de N4700 (T3M) capacitância diretamente entre os terminais do arranjo com um loop abaixo de 2 nH. A 50 A e 10 nH, mantém o pico em 5 V, dentro do limite de dano de um diodo de bombeamento.

Um coeficiente de temperatura de ±30 ppm/°C e uma absorção dielétrica inferior a 0.05% mantêm a fixação consistente desde a partida a frio até o estado estacionário. Onde a tensão do barramento for mais alta, um capacitor de filme Abrange a mesma função.

Estratégia 4: Adicionar um diodo TVS como segunda camada

Conecte um supressor de tensão transiente de 6 V a 8 V em paralelo com o diodo de fixação no arranjo de diodos. O TVS responde em menos de um nanossegundo e mantém o arranjo abaixo do seu limite para transientes que excedam a capacidade de fixação.

As duas camadas abrangem escalas de tempo diferentes: o capacitor e o TVS capturam os primeiros nanossegundos, e o diodo de recuperação rápida transporta a energia do restante do evento.

Estratégia 5: Reforçar o circuito de proteção

Encaminhe o diodo de proteção, o circuito snubber e o arranjo como um único circuito fechado, com pelo menos duas vias paralelas por conexão e todos os componentes na mesma camada. Um circuito de proteção abaixo de 5 nH mantém a resposta definida pelos componentes.

Combine o loop com um resistor de amostragem e uma HVCT8G Terminal de amortecimento que mantém sua impedância nas frequências transitórias.

Estratégia 6: Projetar o caminho térmico do encapsulamento do capacitor de fixação.

Monte o diodo em uma almofada de cobre dedicada com vias térmicas em um plano interno e busque uma resistência de encapsulamento de 1 °C/W. Os 22.5 W do Ponto de Dor 4 elevam então a temperatura da junção em 22.5 °C em vez de 112 °C.

Nos casos em que a perda por condução é predominante, a retificação síncrona elimina a queda de tensão em roda livre, restando apenas os 2.5 W de perda por recuperação, que não necessitam de refrigeração especial.

O retificador de alta tensão utilizado no mesmo driver segue os parâmetros abaixo.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Tensão reversa de pico repetitiva	VRRM de 10 kV	Série 2CL, 25 °C
Corrente direta média	0.8 A IF(AV)	onda retangular, Tc ≤ 85 °C
corrente de surto direta	100 A a 8.3 ms	surto único, IFSM
Tempo de recuperação reversa	abaixo de 1 µs trr	grau de recuperação suave
Capacitância de junção	25 pF típico.	VR = 4 kV, 1 MHz
Temperatura de operação	-55°C a +125°C	Tj máximo
A corrente de fuga	abaixo de 5 mA no VRRM	25 °C, classificação máxima

5. Componentes HVC para proteção contra surtos reversos

Três requisitos definem a escolha neste nó: um diodo que começa a conduzir dentro do espaço entre os eletrodos, um capacitor que mantém a tensão abaixo do limite de condução através desse espaço e componentes que mantêm ambas as propriedades durante toda a vida útil. A HVC fabrica capacitores N4700 (T3M) Classe I com base em SrTiO3 e diodos de silício dopado com platina de recuperação rápida em uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, com tensões de 1 kV a 100 kV e tensões nominais de 100 V a 600 V.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Recuperação reversa de 25 ns a 30 ns por meio de dopagem com platina, que reduz a carga de lacuna para 1.5 µC, em comparação com 5 µC para uma parte de 100 ns.
• Queda de tensão direta de 0.7 V a 0.9 V na corrente nominal, o que elimina de 20% a 30% da perda por condução em comparação com um componente padrão de recuperação rápida.
• A capacitância do circuito snubber N4700 apresenta uma ESR inferior a 30 mΩ a 100 MHz e um coeficiente de ±30 ppm/°C, garantindo que a tensão de 5 V se mantenha estável em toda a faixa de temperatura.
• Absorção dielétrica abaixo de 0.05%, o que mantém a memória de tensão residual próxima de zero e a fixação consistente pulso a pulso.
• A capacitância permanece dentro de 2% após 50,000 h a 85 °C, juntamente com uma deriva direta inferior a 5% após 10,000 h, demonstrando que ambas as partes da proteção mantêm seus valores.
• Qualificado como substituto direto para marcas de primeira linha. O componente de parafuso de 40 kV/441 corresponde aos parâmetros elétricos e dimensões da embalagem de Murata Capacitores tipo parafuso no programa de reparo em campo de fontes de luz para litografia.

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 simulação de tensão reversa, dimensionamento de circuitos de proteção e análise térmica de diodos para o estágio de bombeamento.

Envie a tensão do barramento, a corrente de pico, o tempo de queda, a indutância do loop, o limite de dano e a frequência de comutação. A HVC retorna uma lista de peças com dados de recuperação e fixação, além de um kit de avaliação com duas amostras, em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

Q1: Qual a magnitude do transiente reverso gerado pelo driver?

Segue a relação L × I/t. Com uma indutância de dreno de 10 nH, uma corrente de 50 A e um tempo de queda de 10 ns, o transiente atinge 50 V, o que ultrapassa em muito a faixa de tensão de ruptura de 5 V a 15 V de um diodo de bombeamento.

Q2: Por que um diodo de recuperação rápida não consegue proteger sozinho?

Porque precisa de um tempo de recuperação antes de bloquear. Um dispositivo de 30 ns deixa uma lacuna de 30 ns durante a qual o arranjo detecta o transiente. O capacitor de amortecimento conduz a corrente através dessa lacuna.

Q3: Qual a capacitância de amortecimento necessária para o gap?

Duas condições se aplicam. A carga no gap define ΔV = I × t_gap/C, e a indutância do loop define V = I√(L/C). Com 50 A, 30 ns e 10 nH, 1 µF fornece 1.5 V da carga e 5 V da indutância. Um componente de 100 nF atingiria 15.8 V.

Q4: Qual o custo da recuperação reversa em termos de calor?

E_rr = ½ Q_rr V_R. Um diodo de 50 nC bloqueando 100 V armazena 2.5 µJ por evento, o que equivale a 1.25 W a 500 kHz. Um componente de 100 nC dobra esse valor para 2.5 W, e o encapsulamento precisa suportá-lo.

Q5: Qual é a perda por condução do diodo de roda livre?

Ela transporta a corrente de carga durante o intervalo de desligamento. Com 50 A e ciclo de trabalho de 50%, isso resulta em uma corrente média de 25 A, o que equivale a 20 W com uma queda de tensão de 0.8 V. A retificação síncrona elimina esse termo, deixando apenas a perda de recuperação.

Q6: Onde se encaixa o diodo TVS?

Em paralelo com o diodo de proteção, com tensão nominal de 6 V a 8 V e resposta em subnanossegundos, ele cobre os primeiros nanossegundos em que o capacitor e o diodo de proteção ainda não assumiram o controle, mantendo o conjunto abaixo do seu limite para transientes severos.

7. Referências

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