Proteção contra picos de tensão em fontes de alimentação de alta tensão para soldagem a laser.

Proteção contra picos de tensão em fontes de alimentação de alta tensão para soldagem a laser.

Sumário

A soldagem a laser alterna correntes de soldagem de 10 A a 100 A em centenas de nanossegundos, contra uma indutância parasita de 5 µH. Este artigo apresenta as equações de pico e energia que transformam 40 A e 5 µH em um transiente de 2 kV e 4 mJ por evento, a capacitância de fixação que limita a sobretensão a 80 V em um barramento de 400 V, a regra da indutância de loop que mantém o residual abaixo de 10% do nível de fixação e o teste de pulso duplo que comprova isso.

1. Introdução

A soldagem a laser é realizada em bordas íngremes. A unidade de alta tensão aplica dezenas de quilovolts para o orifício de soldagem, enquanto a eletrônica do processo controla as correntes de soldagem e assistência, variando de 10 A a 100 A em centenas de nanossegundos.

Cada uma dessas transições interage com a indutância: na fuga do transformador de alta tensão, nas barras de distribuição, nos cabos de solda e nos circuitos de fixação. O resultado é um pico de tensão que atinge de 1.5 a 3 vezes a tensão nominal do circuito, e ainda mais em ressonância.

Um pico é a energia indutiva liberada em um microssegundo. No estágio de saída da fonte de alta tensão, um pico de 2 kV em um barramento de 10 kV representa uma sobrecarga de 20%. Em um barramento CC de 400 V, essa sobrecarga é de 5 vezes, o que destrói os semicondutores de comutação.

Em um estudo com uma frota de 80 máquinas de solda a laser, 18% das falhas na eletrônica de potência foram atribuídas a circuitos de fixação não fixados ou subdimensionados, e a falha típica consistia na destruição de um interruptor por um pico de tensão de 15% a 25% acima de sua capacidade nominal. Cada falha custa entre 800 e 3,500 dólares americanos e de 4 a 8 horas de produção.

2. Mecanismo Central

2.1 Tensão e energia de pico

A magnitude do transiente segue a indutância parasita e a inclinação da corrente:

V_spike = L_stray × dI/dt

onde V_spike é a tensão induzida, L_stray a indutância parasita no circuito de comutação e dI/dt a taxa na qual a corrente é comutada. Uma transição de 40 A em 100 ns corresponde a 4 × 10⁸ A/s, e com uma indutância de circuito de 5 µH, o pico atinge 2,000 V.

A energia armazenada nessa indutância é o que a pinça precisa absorver:

E_spike = 0.5 × L_stray × I²

onde E_spike é a energia por evento e I a corrente no instante da comutação. Com 5 µH e 40 A, a energia é de 4 mJ por evento.

2.2 Potência média de fixação

A braçadeira tem que dissipar essa energia na taxa de repetição do processo:

P_clamp = E_spike × f_rep

onde P_clamp é a potência média no grampo e f_rep a taxa de repetição. A 6 kHz, o evento de 4 mJ se torna 24 W de dissipação contínua, e um transiente de falha com uma corrente mais alta pode fornecer mais de 100 mJ em um único evento.

2.3 Dimensionamento do capacitor de fixação

O capacitor de fixação deve absorver a energia do evento enquanto a tensão do barramento aumenta no máximo o sobreimpulso permitido:

0.5 × L × I² = 0.5 × C_clamp × [(V_bus + ΔV)² − V_bus²]

onde C_clamp é a capacitância de fixação, V_bus a tensão da barra e ΔV a sobretensão permitida acima dela. Resolvendo para a capacitância, obtemos a equação de dimensionamento para este nó:

C_clamp = L × I² / [(V_bus + ΔV)² − V_bus²]

onde C_clamp é a capacitância mínima de fixação. Com L = 5 µH, I = 40 A, V_bus = 400 V e ΔV = 80 V, o valor é 114 nF, portanto, um componente de 100 nF a 220 nF com classificação acima de 1.2 × 480 V é a escolha prática.

2.4 Indutância do circuito de fixação e frequência do anel

A pinça funciona apenas tão bem quanto sua espira. A sobretensão residual no interruptor é a seguinte:

V_os = L_loop × dI/dt

onde V_os é a sobretensão acima do nível de fixação e L_loop a indutância do circuito de fixação. Regra de projeto: manter V_os abaixo de 10% do nível de fixação de 480 V, o que, em uma borda de falta de 4 × 10⁹ A/s, significa um circuito com indutância inferior a 12 nH.

O capacitor de fixação e a indutância de fuga formam então um circuito ressonante que oscila, a menos que seja amortecido:

f_ring = 1 / (2π × √(L_leak × C_clamp))

onde f_ring é a frequência de oscilação, L_leak a indutância de fuga e C_clamp a capacitância de fixação. Com 5 µH e 114 nF, o circuito ressoa a 211 kHz, e um resistor em série de 2 Ω a 5 Ω transforma essa oscilação em um amortecimento de estabilização.

Figura 1 — O dispositivo RCD suporta um pico de tensão de 2 kV até uma sobretensão de 80 V em um barramento de 400 V; o componente de 220 nF e um laço de 10 nH suportam a corrente de falta de 100 mJ.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: Capacitores de fixação dimensionados para ondulação, não para energia de falha.

Um capacitor de fixação dimensionado para ondulação em regime permanente falha no primeiro transiente de falha. Quando uma rampa de corrente de soldagem encontra uma conexão solta na fixação, a energia do evento único triplica, o capacitor de fixação sobrecarrega, o diodo de fixação entra em ruptura e o interruptor então detecta o pico total sem fixação.

Problema 2: A indutância do circuito de fixação cancela a fixação.

Um circuito de proteção só é tão bom quanto seu circuito. Com 50 mm de trilha entre o capacitor de proteção e a chave, os 20 nH adicionais permitem que a sobretensão residual atinja 17% do nível de proteção de 480 V em uma borda de falha de 4 × 10⁹ A/s, e a chave absorve a diferença.

Problema 3: A proteção ativa é muito lenta para um evento de 100 ns

Um circuito clássico de proteção contra sobretensão de 1 µs responde muito tempo depois da passagem de um pico de 100 ns. Quando o comparador é acionado, a chave já suportou a sobrecarga. O circuito de proteção precisa ser passivo e instantâneo; a proteção ativa só pode servir como apoio.

Problema 4: Os anéis de fixação com fuga de corrente do transformador

O capacitor de fixação e a indutância de fuga do transformador formam um circuito LC que oscila a 211 kHz, a menos que seja amortecido. Um único pico se transforma então em uma oscilação decrescente que sobrecarrega o interruptor repetidamente e adiciona ruído audível ao processo.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Dimensionar a braçadeira para a falha no pior cenário possível

Caracterize a energia máxima de evento único no pior ponto de operação, com corrente de soldagem máxima e indutância de loop mínima, e adicione uma margem de segurança de 2×. No exemplo acima, um capacitor de fixação de 220 nF com uma capacidade de dissipação de duas vezes a potência média de fixação fornece essa margem.

Estratégia 2: Mantenha a alça de fixação abaixo de 10 nH.

Posicione o diodo de proteção e o capacitor diretamente nos terminais do dispositivo de comutação com a menor área de espira e a maior largura de cobre. A tensão V_os = L_loop × dI/dt mantém o valor residual abaixo de 10% do nível de proteção na borda da falha.

Estratégia 3: Combine o diodo com a velocidade do pico.

Selecione uma braçadeira diodo de recuperação rápida Com tempo de recuperação inferior a 75 ns e recuperação suave para evitar oscilações repentinas. Também precisa suportar a corrente de pico de fixação, portanto, para 40 A de corrente chaveada, um diodo com classificação de 60 A e margem de transientes de 2× é o ideal.

Estratégia 4: Amortecer a ressonância da pinça

Adicione um resistor em série de 2 Ω a 5 Ω com um pequeno capacitor em paralelo com o capacitor de fixação. Isso converte o anel de 211 kHz em um estabilizador criticamente amortecido sem alterar a função de regime permanente do capacitor de fixação.

Estratégia 5: Fixe também o trilho de saída de alta tensão.

Para um barramento de 10 kV, coloque um capacitor de fixação de alta tensão de aproximadamente 1 nF e 20 kV diretamente no secundário do transformador, com um diodo de alta tensão de recuperação rápida em série para absorver transientes de fuga do multiplicador. N4700 A parte com descarga parcial abaixo de 5 pC e ±30 ppm/°C mantém o limiar de fixação em toda a faixa de temperatura, e um capacitor de filme Abrange o mesmo nó onde a energia do pulso é maior.

Estratégia 6: Verificar a pinça com teste de pulso duplo

Qualifique cada projeto de clamp com um teste de pulso duplo na corrente máxima e meça o pico de sobretensão e o tempo de estabilização em um osciloscópio de 200 MHz. Isso transforma o projeto do clamp em uma margem mensurável, normalmente confirmando uma folga de 2× em relação à capacidade nominal do interruptor.

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 fixação de picos

O capacitor de fixação absorve a energia que, de outra forma, destruiria a chave, portanto, precisa suportar falhas repetidas sem deriva ou aquecimento. A HVC fabrica esses componentes com o dielétrico N4700 (T3M) Classe I, à base de titanato de estrôncio, para tensões de 1 kV a 100 kV.

Seis parâmetros importantes neste nó

• Absorção de energia de pulso. A estrutura de Classe I armazena e libera energia sem a fadiga de polarização das cerâmicas de Classe II, de modo que um capacitor de fixação de 20 kV suporta eventos repetidos de 100 mJ sem deriva de capacitância.
• Descarga parcial abaixo de 5 pC na tensão nominal, testada na fábrica, para que o dispositivo de fixação não adicione um transiente próprio durante o pico.
• Limiar de fixação estável com a temperatura. Um coeficiente de temperatura de ±30 ppm/°C e um fator de dissipação de 0.1% ou inferior mantêm a tensão de fixação estável à medida que a superfície de soldagem aquece durante um turno.
• Baixa ESL para condução rápida. Os encapsulamentos com terminais radiais e de parafuso mantêm a indutância em série equivalente abaixo de 30 nH, permitindo que o circuito de fixação reaja dentro da janela de pico de 100 ns.
• Tensões nominais compatíveis com o barramento, desde terminais auxiliares de 1 kV até terminais de saída de 40 kV, com dados consistentes de descargas parciais e térmicas de um único fornecedor.
• Registro de substituição. O capacitor de terminal de parafuso de 40 kV / série 441 foi qualificado como substituto direto para capacitores de parafuso Murata japoneses no programa de reparo de fontes de luz de máquinas de litografia da ASML.

O circuito de fixação do trilho de saída suporta a tensão total do barramento, portanto, HVCT8G Um contorno com um terminal de 40 mm e uma indutância de loop de 8 nH cobre essa posição e mantém o loop de fixação curto.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas e os conjuntos de fixação correspondentes em 6 a 10 semanas. A HVC oferece suporte ao cálculo do dimensionamento da fixação, à verificação da energia do pulso, ao plano de teste de pulso duplo e a combinações personalizadas de tensão e capacitância.

Envie a corrente comutada, o tempo de comutação, a indutância parasita, a tensão do barramento e a taxa de repetição. O HVC retorna um projeto de fixação com uma previsão de sobreimpulso, um relatório de energia de pulso e amostras para validação de pulso duplo. Os componentes HVC correspondem aos parâmetros elétricos e dimensões da embalagem de Vishay e outras gamas de alta tensão de primeira linha.

6. Perguntas frequentes

Q1: Qual é a magnitude do pico de 40 A em 100 ns?

V_spike = L × dI/dt. Com uma corrente de 4 × 10⁸ A/s e uma indutância parasita de 5 µH, o pico atinge 2,000 V, o que corresponde a 20% de uma barra de 10 kV e 5 vezes a tensão de um link CC de 400 V.

Q2: Quanta energia um evento carrega?

E_spike = 0.5 × L × I². Com 5 µH e 40 A, isso corresponde a 4 mJ por evento, o que, a uma taxa de repetição de 6 kHz, resulta em 24 W de potência média de fixação. Um transiente de falha pode fornecer mais de 100 mJ em um único evento.

Q3: Como é calculada a capacitância de fixação?

C_clamp = L I² / [(V_bus + ΔV)² − V_bus²]. Para 5 µH, 40 A, um barramento de 400 V e uma tolerância de 80 V, o valor é 114 nF, portanto, utilize 220 nF para cobrir a falha com margem de segurança.

Q4: A que distância a braçadeira deve ficar do interruptor?

Suficientemente próximo para manter V_os = L_loop × dI/dt abaixo de 10% do nível de fixação. Em uma borda de falha de 4 × 10⁹ A/s, isso significa um loop abaixo de 12 nH, e 50 mm de trilha já adicionam 20 nH.

Q5: Por que existe o anel de fixação e como ele é amortecido?

f_ring = 1 / (2π√(L_leak C_clamp)). Com 5 µH e 114 nF, o circuito ressoa a 211 kHz. Um resistor em série de 2 Ω a 5 Ω com um pequeno capacitor em paralelo converte a oscilação em um amortecimento de estabilização.

Q6: A proteção ativa contra sobretensão pode substituir o grampo?

Não. Um caminho de proteção de 1 µs não consegue responder dentro de uma janela de pico de 100 ns, e a chave sofre a sobrecarga antes que o comparador dispare. O circuito de proteção precisa ser passivo e instantâneo, com proteção ativa como backup.

7. Referências

1. E. Kuffel, WS Zaengl, J. Kuffel, Fundamentos de Engenharia de Alta Tensão, 2ª ed., Newnes, 2000.
2. N. Mohan, TM Undeland, WP Robbins, Eletrônica de Potência: Conversores, Aplicações e Projeto, 3ª ed., Wiley, 2003.
3. Aviso MIL-HDBK-217F 2, Previsão da confiabilidade de equipamentos eletrônicos 1995.
4. IEC 62477-1:2022, Requisitos de segurança para sistemas e equipamentos de conversores eletrônicos de potência - Parte 1: Geral, 2ª ed. Genebra: IEC, 2022.
5. IEC 61000-4-5:2014+AMD1:2017 CSV, Compatibilidade eletromagnética (EMC) - Parte 4-5: Técnicas de teste e medição - Teste de imunidade a surtos, Ed. 3.1. Genebra: Comissão Eletrotécnica Internacional, 2017.
6. GB/T 7247.1-2024, 激光产品的安全 第1部分:设备分类和要求. 北京: 中国标准出版社, 2024.
7. B. Khanzadeh, Y. Okazaki e T. Thiringer, Comparação das dimensões de capacitores e chaves em conversores CC-CC de média tensão e alta potência com transformador trifásico de média frequência., IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 9, no. 3, pp. 3331-3338, 2021. https://doi.org/10.1109/jestpe.2020.2999726.
8. M. Xiao e outros, Pesquisa sobre as características de descarga parcial e autorreparação de filmes metalizados em capacitores., em 2024 IEEE 5th International Conference on Dielectrics (ICD), pp. 1-4, 2024. https://doi.org/10.1109/icd59037.2024.10613348
9. Capacitores de pulso de filme metalizado MKP — Destaque do produto, KEMET Electronics, https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors .
10. EUA 6,760,215, Capacitor com alto limite de tensão de ruptura, DF DeVoe (relacionado ao Presidio), concedido em 2004, https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
11. Equipe de Engenharia de Aplicações HVC, Capacitor Cerâmico De Alta Tensão Recursos técnicos, https://www.hv-caps.com