Capacitores de isolamento de alta tensão reduzem a interferência eletromagnética em fontes de alimentação de bombas.

Capacitores de isolamento de alta tensão reduzem a interferência eletromagnética em fontes de alimentação de bombas.

Sumário

Um barramento CC de alta tensão aumenta a corrente de ruído de modo comum em uma fonte de bombeamento de laser de fibra. Este artigo deriva o termo de fonte de corrente, a tensão da LISN (Rede de Sinalização de Baixa Tensão), a impedância do capacitor de isolamento e uma tolerância de atenuação de três estágios para um projeto de 500 kHz e 800 V. Ele apresenta quatro pontos críticos de campo e seis estratégias que mantêm a emissão conduzida 8.7 dB abaixo do limite da Classe B da norma CISPR 11.

1. Introdução

Fontes de bombeamento de laser de fibra de alta potência alternam entre 100 kHz e 1 MHz com potência de 1 kW a 30 kW por módulo. As transições rápidas no nó de comutação conduzem a corrente através de cada capacitância parasita até o chassi, e essa corrente retorna pelo cabo CA.

Em um galpão industrial, a fonte de alimentação da bomba fica ao lado de células de soldagem e equipamentos de metrologia. A emissão descontrolada dessa fonte perturba as máquinas vizinhas, corrompe os dados de medição e aciona os circuitos de segurança com alarmes falsos.

Um barramento CC de 400 V a 800 V torna esse problema mais difícil do que em uma fonte de alimentação de uso geral. A maior variação de tensão gera mais corrente através da mesma capacitância parasita, de modo que a emissão aumenta antes que qualquer filtro seja adicionado.

Este artigo deriva as fontes de modo comum e modo diferencial, a impedância do capacitor de isolamento e uma tolerância de atenuação de três estágios. Em seguida, lista quatro problemas comuns em campo e seis estratégias de projeto baseadas em capacitores Classe I N4700.

2. Mecanismo Central

2.1 A fonte de corrente de modo comum

Cada período de comutação move carga para dentro e para fora da capacitância parasita em relação ao chassi. A corrente média é:

I_CM = 2 × C_para × V_bus × f_sw

onde I_CM é a corrente média de modo comum, C_para a capacitância parasita do nó de comutação ao chassi, V_bus a tensão do barramento pela qual o nó oscila, f_sw a frequência de comutação e o fator 2 contabiliza as duas transições em cada período.

Com 800 V, 100 pF e 500 kHz, a corrente é de 80 mA. O nó sobe em 10 ns, portanto a taxa de variação da borda é de 80 V/ns e a corrente de deslocamento de pico atinge 8 A.

2.2 A emissão observada na LISN

V_CM = I_CM × Z_LISN

onde V_CM é a tensão de modo comum na porta de medição, I_CM a corrente de modo comum e Z_LISN a impedância da rede de estabilização de impedância de linha de 50 Ω. Em decibéis, 1 µV é a referência, portanto 2 mV equivalem a 66 dBµV.

Sem um caminho de retorno local, os 80 mA completos fluem pela LISN e geram 4 V, o que corresponde a 132 dBµV. O limite da Classe B da norma CISPR 11 é de 66 dBµV na faixa de 150 kHz a 500 kHz, portanto, o filtro deve remover pelo menos 66 dB. Uma margem acima de 8 dB mantém todas as unidades de produção dentro dos limites estabelecidos.

2.3 Impedância do capacitor de isolamento

Z_iso(f) = ESR + j×2π×f×ESL + 1 / (j×2π×f×C_iso)

onde Z_iso é a impedância do capacitor de isolamento, ESR e ESL são sua resistência e indutância em série, C_iso é sua capacitância e f é a frequência. O capacitor funciona como um bypass somente abaixo de sua auto-ressonância:

SRF = 1 / (2π×√(ESL × C_iso))

onde SRF é a frequência de auto-ressonância, ESL a indutância em série equivalente e C_iso a capacitância de isolamento. Um componente de 1 nF com 10 nH ressoa a 50.3 MHz, acima do limite superior de 30 MHz da banda CISPR.

Isso define o limite de ESL. Para manter a ressonância acima de 30 MHz com 1 nF, o ESL deve permanecer abaixo de 28 nH, o que um componente com terminais radiais e terminais curtos já atende.

2.4 Atenuação em três estágios

Cada estágio divide o ruído pela relação de impedância que apresenta. Um capacitor shunt atua contra a impedância da rede:

A_shunt = 20 × log10(1 + Z_LISN / Z_shunt)

onde A_shunt representa a atenuação de um estágio shunt em decibéis, Z_shunt a impedância do capacitor na frequência de ruído e Z_LISN a impedância da rede de 50 Ω. Um elemento em série, como um indutor, adiciona sua impedância ao mesmo caminho:

A_series = 20 × log10(1 + Z_series / Z_LISN)

onde A_series representa a atenuação do estágio em série, Z_series a impedância do indutor na frequência de ruído e Z_LISN a impedância da rede. Estágios em cascata se multiplicam, portanto seus valores em decibéis se somam.

A 500 kHz, um capacitor de isolamento de 100 nF apresenta 3.18 Ω e fornece 24.5 dB. Um indutor de modo comum de 2 mH apresenta 6,283 Ω e fornece 42.0 dB. Um segundo estágio de 10 nF apresenta 31.8 Ω e fornece 8.2 dB. A soma dos três resulta em 74.7 dB.

2.5 Ruído de modo diferencial

V_DM = I_ripple × ESR + L_para × dI/dt

onde V_DM é a tensão de modo diferencial entre a linha e o neutro, I_ripple a corrente de ondulação através do capacitor de entrada, ESR sua resistência em série, L_para a indutância parasita desse circuito e dI/dt a inclinação da corrente.

Uma corrente de ondulação de 20 A através de um resistor de 50 mΩ com resistência série equivalente (ESR) gera 1 V. A mesma corrente, com uma inclinação de 2 A/ns, através de um capacitor de 10 nH, gera 20 V. O filtro de entrada precisa suportar um pico de 21 V, que é atenuado pelos capacitores X no par de fase e neutro.

Figura 1 — Um caminho parasita de 100 pF transforma um nó de 80 V/ns em 4 V de ruído de modo comum, e três estágios de filtro o reduzem para 0.74 mV.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: Capacidade de isolamento do capacitor sob tensão no barramento

Um componente cerâmico de 250 V CA ou 400 V CC não suporta uma tensão de 800 V. Uma falha nessa tensão é um evento crítico de segurança e pode danificar todo o sistema a laser.

Dimensionar o capacitor de isolamento em 1.5 vezes a tensão máxima do barramento. Um barramento de 400 V precisa de 600 V e um barramento de 800 V precisa de 1200 V; portanto, a faixa de 1 kV a 1200 V abrange o bombeamento direto por diodo.

Problema 2: Aumento da VHS com a frequência

O efeito pelicular do eletrodo e a perda dielétrica aumentam a ESR (resistência série equivalente) à medida que a frequência aumenta. Um componente X7R a 30 MHz pode apresentar uma ESR de 5 a 10 vezes maior do que a 1 kHz.

Esse aumento consome a parte superior da tolerância de atenuação. Os harmônicos superiores então passam pelo estágio de filtro que deveria bloqueá-los, e a emissão cruza a linha acima de 10 MHz, onde a resposta da antena é mais forte.

Problema 3: ESL posicionando a auto-ressonância abaixo da banda

Um componente de 10 nF com indutância de 30 nH nos terminais entra em ressonância a 9.19 MHz. Acima desse ponto, ele se comporta como um indutor e para de funcionar em paralelo.

A banda CISPR 11 vai até 30 MHz, então um componente que para de funcionar em 9.19 MHz deixa 20 MHz de espectro descoberto. Terminais curtos e um encapsulamento sem terminais permitem que o mesmo componente de 10 nF opere em 29 MHz com 3 nH.

Problema 4: Deriva de capacitância afetando a atenuação

Os componentes cerâmicos de classe II perdem de 15% a 22% de sua capacitância entre −55 °C e +125 °C. Uma queda de 22% aumenta a impedância do capacitor de isolamento de 100 nF de 3.18 Ω para 4.08 Ω a 500 kHz.

A atenuação do estágio cai de 24.5 dB para 22.4 dB, portanto o total diminui para 72.6 dB e o residual sobe de 57.3 dBµV para 59.4 dBµV. A margem de 8.7 dB torna-se 6.6 dB na extremidade superior da faixa de frequência.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Utilizar dielétrico Classe I N4700 para isolamento

O N4700 (T3M) apresenta um coeficiente de temperatura de ±30 ppm/°C e capacitância dentro de ±0.35% de −55 °C a +125 °C. Sua atenuação permanece dentro de 0.03 dB em toda essa faixa, portanto, o valor total de 74.7 dB se mantém em todas as temperaturas de operação.

Caber N4700 Componentes nas posições de isolamento e filtragem. Um componente de Classe II custa 2.1 dB a 125 °C e elimina a maior parte da margem.

Estratégia 2: Dividir a capacitância de isolamento em três estágios

Atribua um capacitor a cada década: 100 nF para a faixa de 150 kHz a 1 MHz, 10 nF para a faixa de 1 MHz a 10 MHz e 1 nF para a faixa de 10 MHz a 30 MHz. Cada estágio cobre a faixa onde sua impedância é a mais baixa.

Uso HVCT8G Componentes com terminais radiais com ESL abaixo de 10 nH para os estágios de 100 nF e 10 nF, e um encapsulamento sem terminais com ESL abaixo de 3 nH para o estágio de 1 nF. Os três estágios somam 74.7 dB a 500 kHz.

Estratégia 3: Mantenha o ciclo de isolamento pequeno

Coloque o capacitor entre o terminal de comutação e o terminal de aterramento do chassi, com trilhas de menos de 3 mm e duas vias paralelas por terminal. A indutância do loop contribui diretamente para a ESL (indutância equivalente de subtração), e 5 mm de trilha adicionam cerca de 4 nH.

Abaixo de 30 nH de ESL, o estágio de 1 nF mantém sua ressonância acima de 30 MHz. Cada milímetro removido do circuito recupera ESL no ponto em que a tolerância à atenuação é mínima.

Estratégia 4: Adicionar um choke de modo comum no par de linhas

Um indutor de modo comum apresenta alta impedância à corrente de modo comum e baixa impedância à corrente de carga diferencial. Um indutor de 2 mH apresenta 6,283 Ω a 500 kHz, contra uma impedância de 50 Ω da LISN.

Essa relação, por si só, resulta em 42.0 dB, a maior contribuição individual para o total. Escolha um indutor com corrente de saturação acima da corrente de pico da linha e auto-ressonância acima de 100 MHz.

Estratégia 5: Atender ao requisito de segurança da classe Y na barreira.

Nos casos em que o capacitor de isolamento atravessa a barreira da rede elétrica, é necessária a aprovação de uma agência de segurança. Um barramento de 800 V exige um componente Y1 com capacidade de suportar impulsos de pico de 8 kV.

A faixa de tensão de 1 kV a 100 kV é coberta sem conexão em série, portanto, uma peça por posição atende à classificação de impulso. Utilize Capacitores com classificação Y1 com o número do arquivo da agência registrado no desenho.

Estratégia 6: Executar verificações de pré-conformidade durante o layout

Antes da fabricação do primeiro protótipo, meça a corrente de modo comum no capacitor de isolamento com uma sonda de campo próximo e um analisador de espectro. Compare a leitura com a previsão da simulação e aceite uma diferença máxima de 6 dB.

Use a ferramenta de varredura para posicionar o capacitor e dimensionar o indutor. Adicione um capacitor X e um... capacitor de filme no link CC para amortecer o caminho diferencial da seção 2.5, já que o pico de 21 V ali também precisa de atenuação.

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 para fontes de alimentação de bombas com sensibilidade a EMI

Três requisitos definem este nó: uma tensão nominal acima do barramento CC, capacitância que não varia com a temperatura e ESL suficientemente baixa para manter a auto-ressonância acima de 30 MHz. A HVC fabrica componentes N4700 (T3M) Classe I para esse conjunto em uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, com tensões de 1 kV a 100 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Coeficiente de temperatura de ±30 ppm/°C, com capacitância interna de ±0.35% de −55 °C a +125 °C. A tolerância de atenuação de 74.7 dB aumenta em 0.03 dB, em vez dos 2.1 dB cobrados pelos componentes de Classe II.
• Classificações de tensão de 1 kV a 100 kV, que abrangem barramentos CC de 48 V a 800 V sem conexão em série e fornecem a resistência a impulsos para aprovação Y1.
• A ESL (indutância de isótopos estáveis) é inferior a 10 nH no encapsulamento HVCT8G com terminais radiais e inferior a 3 nH em encapsulamentos sem terminais, o que mantém a ressonância do estágio de 1 nF acima de 30 MHz.
• Fator de dissipação abaixo de 0.1%, portanto a ESR permanece constante em toda a banda CISPR e os estágios de alta frequência mantêm a atenuação prevista no projeto.
• Descarga parcial abaixo de 5 pC a 1.5 vezes a tensão nominal, o que impede a erosão interna que aumenta a ESR ao longo da vida útil e, consequentemente, elimina a margem de segurança.
• A capacitância apresentou variação de até 2% após 50,000 horas a 85 °C, portanto, a emissão medida na qualificação ainda corresponde à emissão no quinto ano. Os componentes HVC correspondem aos parâmetros elétricos e às dimensões de Murata Capacitores de alta tensão do tipo parafuso utilizados em programas de reparo em campo.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas, e os conjuntos de capacitores multiestágio combinados em 6 a 10 semanas. A equipe de engenharia de aplicações da HVC oferece suporte para análise de atenuação, análise de corrente de modo comum e revisão do layout do circuito de isolamento.

Envie a tensão do barramento, a frequência de comutação, a taxa de variação da borda, a estimativa da capacitância do chassi e o limite de emissão que você deve atender. A HVC retorna uma ficha de seleção com dados de ESR, ESL e auto-ressonância, além de um kit de avaliação com duas amostras, em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

P1: Como calculo a corrente de ruído de modo comum?

Como I_CM = 2 × C_para × V_bus × f_sw. A 800 V, 100 pF e 500 kHz, as duas extremidades de cada período deslocam-se 160 nC, portanto a corrente média é de 80 mA. Essa corrente através de uma LISN de 50 Ω desenvolve 4 V, ou 132 dBµV.

Q2: Por que o capacitor de isolamento precisa de uma ESL inferior a 28 nH?

Como SRF = 1 / (2π×√(ESL × C_iso)) deve permanecer acima de 30 MHz, o limite superior da banda CISPR 11. Com 1 nF, 28 nH resultam em 30 MHz e 10 nH em 50.3 MHz. Um condutor mais longo não altera C_iso, portanto, diminui a ressonância e remove o limite superior da banda.

Q3: Quanta atenuação o filtro precisa?

66 dB a 500 kHz para atingir a linha Classe B da norma CISPR 11, mais 12 dB de margem de projeto. Um capacitor de isolamento de 100 nF fornece 24.5 dB, um indutor de modo comum de 2 mH fornece 42.0 dB e um segundo estágio de 10 nF fornece 8.2 dB. Os estágios em cascata se somam, totalizando 74.7 dB.

Q4: Um capacitor X7R realmente custa margem?

Sim. Uma queda de capacitância de 22% a 125 °C eleva a impedância de 100 nF de 3.18 Ω para 4.08 Ω a 500 kHz e reduz a faixa de ganho desse estágio de 24.5 dB para 22.4 dB. O ganho residual sobe para 59.4 dBµV e a margem cai de 8.7 dB para 6.6 dB. O N4700 desloca o mesmo estágio em 0.03 dB.

Q5: O que causa ruído em modo diferencial a 21 V?

Dois termos. Uma corrente de ondulação de 20 A através de um resistor de 50 mΩ com resistência série equivalente (ESR) gera 1 V, e a mesma corrente com uma inclinação de 2 A/ns através de um resistor de 10 nH com indutância de loop gera 20 V. Os capacitores X conectados entre o par fase e neutro atenuam esse pico de 21 V.

Q6: Onde deve ser colocado o capacitor de isolamento?

Diretamente entre o pad do nó de comutação e o pad de aterramento do chassi, com trilhas de menos de 3 mm e dois vias por terminal. Cinco milímetros de trilha adicionam cerca de 4 nH, o que reduz a ressonância do estágio de 1 nF de 50.3 MHz e diminui a tolerância de atenuação.

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