Dimensionamento e recuperação de diodos de fixação em circuitos de saída de ignição de plasma

Dimensionamento e recuperação de diodos de fixação em circuitos de saída de ignição de plasma

Sumário

Um diodo de proteção limita as oscilações que reflexões do cabo, oscilações do enrolamento e colapso do entreferro enviam para a saída de ignição. Ele também absorve a energia retida no circuito de saída, precisa desligar corretamente em seguida e suporta essa função milhares de vezes por dia. Este artigo aborda a energia retida, a oscilação sem proteção, a absorção pelo diodo de proteção, a subida do capacitor de proteção, o pico de recuperação e a ressonância do cabo de proteção.

1. Introdução

O estágio de saída de um ignitor de plasma é composto pelo secundário do transformador, o capacitor de acoplamento e o cabo da tocha. Ele sofre variações que o projeto jamais previu: pulsos refletidos devido a uma incompatibilidade de impedância do cabo, oscilações entre a fuga do transformador e as capacitâncias parasitas, e o transiente de colapso quando a folga se rompe ou o arco se extingue.

Sem uma braçadeira, essas excursões atingem duas a três vezes a tensão nominal de ignição. Isso sobrecarrega o isolamento do cabo, o capacitor de acoplamento e os enrolamentos do transformador, e as falhas ocorrem meses depois e em outra parte da máquina.

O circuito de proteção não é um componente gratuito. Ele precisa absorver a energia retida no circuito de saída, desligar corretamente quando o transiente termina e suportar a carga de absorção de uma máquina que dispara centenas de vezes por segundo. Circuitos de proteção mal instalados falham de maneiras visíveis: um que oscila durante a recuperação torna-se a fonte de transientes que deveria eliminar, e um que absorve mais energia do que sua capacidade nominal entra em curto-circuito e transforma a proteção em uma falha.

Este artigo aborda a energia retida, a sobrecarga que ela produz, a absorção do circuito de proteção e o aumento da tensão, bem como o pico de recuperação que determina se o circuito de proteção continua a funcionar como um elemento de proteção.

2. Mecanismo Central

2.1 Energia retida no circuito de saída

Quando o entreferro para de conduzir, a corrente na indutância de saída não tem para onde ir e sua energia precisa ser absorvida.

E_trapped = ½ × L_out × i_out²

onde E_trapped é a energia retida, L_out é a indutância total do circuito de saída e i_out é a corrente no instante em que o gap para de conduzir. Com 1.2 mH de fuga secundária e indutância do cabo de 8 A, o circuito armazena 38.4 mJ.

2.2 Ultrapassagem sem grampo

Sem um circuito de proteção, essa energia carrega a capacitância parasita da saída e a tensão aumenta até que o circuito parasita se rompa.

V_peak = V_nominal + i_out × √(L_out / C_par)

onde V_pico é a excursão sem limitação, V_nominal é a tensão de saída de trabalho, i_saída é a corrente de extinção e C_par é a capacitância parasita que o circuito carrega. Um caminho parasita de 300 pF com 1.2 mH apresenta 2000 Ω, portanto, 8 A de corrente adicionam 16 kV a uma saída de 10 kV. A oscilação atinge 26 kV, que é 2.6 vezes o valor nominal e onde começam as falhas no isolamento do cabo e do enrolamento.

2.3 O que a braçadeira tem que absorver

Assim que a pinça condutora entra em condução, a corrente de circuito decai para dentro da pinça enquanto esta mantém sua tensão de limiar, e o tempo extra em que a fonte continua a fornecer corrente faz com que a pinça absorva mais energia do que a armazenada.

E_clamp = ½ × L_out × i_out² × V_clamp / (V_clamp − V_nominal)

onde E_clamp é a energia que o dispositivo absorve por evento, V_clamp é o limiar do dispositivo e V_nominal é a tensão de saída de operação. Um limiar de 13 kV contra uma saída de 10 kV resulta em uma proporção de 4.33, de modo que os 38.4 mJ de energia retida se tornam 166 mJ no dispositivo. Essa proporção é o motivo pelo qual um limiar de dispositivo definido próximo à tensão de operação é caro: a 11 kV, o mesmo evento fornece 422 mJ ao dispositivo.

2.4 Elevação da tensão do capacitor de fixação

O capacitor de fixação absorve essa energia, e o aumento de tensão por evento determina a estabilidade do limiar.

ΔV_clamp = E_clamp / (C_clamp × V_clamp)

onde ΔV_clamp é a variação na tensão do capacitor de fixação, E_clamp é a energia por evento, C_clamp é a capacitância de fixação e V_clamp é o limiar de fixação. Para manter a variação abaixo de 3% de 13 kV, que é 390 V, são necessários 33 nF. Nesse valor, a variação é de 387 V, ou 2.98%, e cada operação de fixação deixa o limiar a poucos volts do valor inicial.

2.5 Recuperação e o pico que ela produz

Quando a saída cai abaixo do limite, o diodo desliga e sua carga armazenada precisa ser removida primeiro.

V_rr = L_par × (di/dt)_rr

onde V_rr é o pico produzido pela recuperação, L_par é a indutância da espira de fixação e (di/dt)_rr é a taxa de queda da corrente reversa. A fixação suporta os 8 A de corrente da espira, portanto sua carga armazenada atinge 4 µC e a corrente reversa atinge um pico próximo a 8 A.

Uma peça que se desprende em 25 ns gera 3.2 × 10⁸ A/s através de 1 µH de indutância de loop e coloca 320 V acima do limite de fixação. Uma peça com recuperação suave que se desprende em 1.5 µs gera 5.3 × 10⁶ A/s e produz 5.3 V.

2.6 Ressonância da braçadeira com o cabo

O capacitor de fixação e a indutância do cabo formam um ressonador que vibra após cada evento, a menos que seja amortecido.

Q = (1 / R) × √(L / C)

onde Q é o fator de qualidade dessa ressonância, R é a resistência de amortecimento em série, L é a indutância do cabo e C é a capacitância do capacitor de fixação. Um capacitor de fixação de 33 nF com 1.2 mH de indutância do cabo ressoa a 25.3 kHz com uma impedância característica de 191 Ω. Os mesmos 191 Ω de resistência em série levam o Q a 1 e interrompem a oscilação, portanto, um elemento de 200 Ω em série com 100 nF em paralelo com o capacitor de fixação é suficiente para impedir que o diodo reconduza em sua própria cauda.

Figura 1 — O diodo de fixação mantém a saída em 13 kV enquanto um capacitor de 33 nF absorve 166 mJ por evento.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: Desvio do limiar de fixação

Se a referência atrás do limiar de fixação se mover com a temperatura, o limiar se moverá junto. Uma deriva ascendente permite a passagem da variação, enquanto uma deriva descendente corta o pulso de ignição útil e desperdiça energia que o gap nunca recebe. Um capacitor de ±30 ppm/°C no filtro de referência mantém seu valor dentro de 0.15% em uma variação de 50 °C, o que mantém o limiar onde o projeto o definiu.

Ponto Crítico 2: Tarefa de absorção de energia

A pinça absorve 166 mJ por ativação. Com 400 eventos de ignição por segundo, uma pinça que dispara em 5% deles consome 3.3 W, e um disparo em metade deles consome 33 W. Um resistor dimensionado para o primeiro número falha no segundo, e o diodo falha junto, geralmente em curto-circuito, o que transforma a proteção em uma falha.

Problema 3: Recuperação difícil com injeção de ruído

Uma peça de recuperação rápida com um corte abrupto gera o pico de 320 V da equação de recuperação, e esse pico se acopla ao transformador de ignição e ao plano de controle. O dispositivo de supressão de transientes, instalado para suprimir transientes, torna-se uma fonte de transientes, e a falha aparece na placa de controle, não no dispositivo de supressão.

Problema 4: Ressonância do capacitor de fixação com o cabo

O capacitor de fixação oscila contra a indutância do cabo a 25.3 kHz com um fator Q de 190 quando nada o amortece. A oscilação prolonga o transiente, leva o diodo de volta à condução e adiciona um segundo e um terceiro evento de absorção a cada excursão. O diodo então absorve três vezes a energia prevista pelo cálculo.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Dimensionar o capacitor de fixação a partir da energia do evento

Calcule a energia por evento na corrente de saída máxima e na indutância de malha máxima que a máquina poderá apresentar, e então escolha a capacitância de forma que a elevação de tensão permaneça abaixo de 3% do limiar de fixação. Com um limiar de 13 kV e 166 mJ por evento, isso corresponde a 33 nF, e a elevação é de 387 V.

Estratégia 2: Escolha um diodo de proteção com recuperação suave.

Especifique uma peça com recuperação reversa controlada e verifique a forma de onda de recuperação em bancada. Um grau de recuperação suave reduz a inclinação da corrente reversa de 3.2 × 10⁸ A/s para 5.3 × 10⁶ A/s e o pico de 320 V para 5.3 V. Use um diodo de recuperação rápida Apenas onde o circuito necessita de velocidade, e adiciona-se indutância em série para controlar a inclinação quando isso for necessário.

Estratégia 3: Construir o limiar a partir de partes estáveis

Implemente o limiar de fixação com uma referência de precisão e um capacitor estável. N4700 Um componente com fator de dissipação inferior a 0.1% e coeficiente de ±30 ppm/°C mantém tanto o capacitor de fixação quanto o filtro de referência em suas posições durante toda a faixa de temperatura de operação, de modo que a margem de proteção medida a frio corresponde à margem fornecida a quente.

Estratégia 4: Amortecer a ressonância do cabo de fixação

Adicione um resistor de 200 Ω em série com um capacitor de 100 nF no terminal do capacitor de fixação. Essa derivação eleva o fator Q da ressonância de 25.3 kHz de 190 para 1, o que impede a condução do diodo após o evento principal e evita as absorções repetidas que o cálculo de energia não considerou.

Estratégia 5: Monitorar o ciclo de trabalho do controlador

Conte as ativações da pinça por evento de ignição e acompanhe a tendência dessa contagem ao longo das semanas. Uma contagem crescente significa que o circuito de saída está se degradando, seja pelo aumento da indutância de fuga ou por danos no cabo, e indica a necessidade de manutenção antes que a pinça seja destruída. A contagem também é o indicador mais barato de um cabo que foi redirecionado ou danificado.

Estratégia 6: Validar considerando as piores falhas de saída possíveis.

Dispare o diodo em curto-circuito, em circuito aberto e em uma folga marginal, e confirme em cada caso que o circuito de proteção mantém o pico dentro da margem de projeto e que a junção do diodo permanece abaixo de 75% de sua capacidade nominal. O curto-circuito e o circuito aberto são os dois casos que um teste de bancada em uma folga adequada nunca simula.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Tensão reversa de pico repetitiva	VRRM de 10 kV, dois em série	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
Capacitância de fixação	33 nF, aumento abaixo de 3%	166 mJ por evento
Temperatura de operação	-55°C a +125°C	Tj max, 75% de redução de potência

5. Capacitores HVC N4700 (T3M) para o circuito de fixação

A braçadeira mantém seu limite apenas enquanto sua referência mantiver seu valor. A HVC fabrica a família N4700 (T3M) Classe I para essa função, com o resistores de classificação que compartilham a tensão de fixação em uma série de diodos, provenientes de uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, em uma faixa de 1 kV a 100 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Capacitância de fixação estável. Um coeficiente de ±30 ppm/°C mantém o limiar de fixação e o comportamento de absorção constantes em toda a faixa de temperatura, de modo que o aumento de 387 V medido em bancada permanece o mesmo em uma câmara aquecida.
• Um caminho de absorção que permanece frio. Um fator de dissipação abaixo de 0.1% faz com que a energia absorvida permaneça no resistor, onde deveria estar, em vez de aquecer o capacitor e alterar seu valor.
• Cobertura de toda a faixa de saída. As classificações de 1 kV a 100 kV correspondem às tensões de fixação dos estágios de arco piloto e principal com um dielétrico qualificado, e uma série de componentes de 10 kV cobre o limite de 13 kV com margem.
• Descarga abaixo de 5 pC. O capacitor de fixação permanece na tensão de limiar máxima em todos os eventos, e um componente sem descarga não adiciona ruído próprio a um nó que deve ser silencioso.
• Baixa indutância do circuito. Uma autoindutância abaixo de 8 nH mantém o circuito de fixação curto, o que sustenta o pico de recuperação produzido pela indutância do circuito.
• Comprovado em serviços transitórios de alta tensão. A série 441 de 40 kV. capacitores maçaneta substituiu peças de marcas de primeira linha em programas de serviço de campo de alta tensão, e um referência cruzada contra um capacitor de filme Mostra a deriva que uma referência fixa teria que absorver de outra forma.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas e os conjuntos de grampos combinados em 6 a 10 semanas. A engenharia de aplicações da HVC oferece suporte para cálculo de energia retida, dimensionamento do capacitor de grampo, projeto do ramo de amortecimento e testes de falha em condições extremas. Envie a tensão de saída, a indutância do loop, a corrente de operação e o limite de grampo, e a HVC retornará uma planilha de seleção de grampo com dados de absorção e relatórios de descargas parciais em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

Q1: Quanta energia o circuito de saída retém?

Metade da indutância da espira multiplicada pelo quadrado da corrente no momento em que o entreferro para de conduzir. Com 1.2 mH de fuga secundária e indutância do cabo a 8 A, isso resulta em 38.4 mJ, e a tensão sem proteção sobe então 16 kV acima do nível de operação, chegando a 26 kV em uma saída de 10 kV.

Q2: Por que a braçadeira absorve quatro vezes a energia retida?

Como a corrente de loop decai lentamente enquanto o circuito de fixação mantém seu limiar, e a fonte continua a injetar corrente no circuito durante esse decaimento, a energia é proporcional a V_clamp dividido por V_clamp menos V_nominal, que é 4.33 para um circuito de fixação de 13 kV em uma saída de 10 kV. Ajustar o circuito de fixação para um valor mais próximo da tensão de operação piora a situação: 11 kV resulta em 11.

Q3: Qual deve ser o tamanho do capacitor de fixação?

Um capacitor suficientemente grande para que o aumento de tensão por evento permaneça abaixo de 3% do limite. Com 166 mJ por evento e um limite de 13 kV, isso corresponde a 33 nF, o que resulta em um aumento de 387 V, ou 2.98%. Um capacitor menor permite que o limite aumente a cada evento.

Q4: O que torna um pico de recuperação significativo?

A indutância do circuito e a inclinação da corrente reversa são analisadas em conjunto. A pinça suporta a corrente total de 8 A do circuito, portanto, sua carga armazenada atinge 4 µC. Uma peça que se desprende em 25 ns gera 3.2 × 10⁸ A/s através de 1 µH e produz 320 V. Uma peça com recuperação suave que se desprende em 1.5 µs produz 5.3 V.

Q5: Por que a braçadeira vibra após o evento?

Como o capacitor de fixação e a indutância do cabo formam um ressonador, e nada na fixação o amortece, um capacitor de 33 nF com 1.2 mH oscila a 25.3 kHz com um fator Q de 190, o que leva o diodo de volta à condução e adiciona absorções repetidas. Um resistor de 200 Ω em série com 100 nF eleva o fator Q para 1.

Q6: Que testes comprovam que a braçadeira funciona?

Dispare contra um curto-circuito, um circuito aberto e uma folga marginal, e confirme se o pico permanece dentro da margem de projeto e se a junção do diodo permanece abaixo de 75% de sua capacidade nominal em cada caso. Adicione um contador de ativações do circuito de proteção por evento e monitore a tendência, pois uma contagem crescente detecta danos no cabo semanas antes da falha do diodo.

7. Referências

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