Dimensionamento de circuitos de proteção contra recuperação reversa de diodos para picadores de plasma.

Dimensionamento de circuitos de proteção contra recuperação reversa de diodos para picadores de plasma.

Sumário

Um chopper de plasma força cada diodo a passar por uma transição de recuperação reversa dezenas de milhares de vezes por segundo. Este artigo apresenta os cálculos de carga armazenada para um estágio de 50 kHz e 600 V, a indutância de comutação que distribui a reversão, os valores dos circuitos de amortecimento que absorvem a energia residual e os testes térmicos e espectrais que comprovam o sucesso do processo.

1. Introdução

O estágio de potência de uma máquina de corte a plasma modula a corrente contínua (CC) a uma frequência de 20 a 100 kHz para moldar a corrente do arco. Cada ciclo aciona cada diodo através de uma transição de recuperação reversa.

Quando a corrente através de um diodo polarizado diretamente se inverte na borda de comutação, o diodo não bloqueia imediatamente. A carga armazenada na junção precisa ser removida primeiro, e durante esse intervalo o diodo conduz um pico de corrente reversa.

O pico excita a indutância parasita do circuito de comutação. A 50 kHz com uma corrente de roda livre de 30 A, a perda de recuperação ultrapassa 10 W por diodo e o pico atinge centenas de volts.

Diodos Schottky de SiC resolveriam o problema, mas não estão disponíveis nas tensões e correntes utilizadas em um circuito de ignição de alta tensão. A solução é gerenciar a energia: escolher diodos de baixo consumo, reduzir a velocidade de inversão e garantir um caminho controlado para a energia residual.

2. Mecanismo Central

2.1 Carga armazenada e corrente de recuperação

O processo de recuperação é descrito pela carga armazenada Qrr e pelo tempo de recuperação t_rr. A carga de recuperação reversa é a área sob a curva da corrente de recuperação:

Qrr = 0.5 × I_rrm × t_rr

onde Qrr é a carga armazenada removida durante a recuperação, I_rrm é a corrente de pico de recuperação reversa e t_rr é o tempo total de recuperação.

A corrente de pico resulta da carga armazenada e da taxa de reversão:

I_rrm = √(2 × Qrr × di/dt_r)

onde I_rrm é a corrente reversa de pico, Qrr a carga armazenada e di/dt_r a taxa na qual a corrente direta se inverte, em amperes por segundo.

Com Qrr = 1 µC e di/dt_r = 150 A/µs, o pico é de 17.3 A. Isso representa mais da metade da corrente direta de 30 A, portanto, o pico não é uma pequena correção ao comportamento do circuito.

2.2 A energia perdida no diodo

Cada evento de recuperação deposita energia na junção do diodo. Para uma forma de onda de recuperação com uma fase de armazenamento curta e uma cauda longa, a perda por evento é:

E_rr = 0.25 × Qrr × V_R  ,  P_rr = E_rr × f_sw

onde E_rr é a energia por evento de recuperação, Qrr a carga armazenada, V_R a tensão de bloqueio que o diodo deve suportar, P_rr a perda média e f_sw a frequência de chaveamento.

Com Qrr = 1 µC e V_R = 600 V, cada evento consome 0.15 mJ. A 50 kHz, isso corresponde a 7.5 W em um único componente, e a temperatura da junção aumenta até ser dissipada pelo dissipador de calor.

A perda retroalimenta o processo. A carga armazenada aumenta com a temperatura da junção a uma taxa de aproximadamente 0.5–1% por °C para componentes de silício de recuperação rápida; portanto, um diodo quente se recupera mais rapidamente e opera em temperaturas mais altas. A 85 °C, a carga é cerca de 50% maior do que o valor a 25 °C, o que resulta em uma perda de 11.3 W.

2.3 O pico e a indutância de comutação

Quando a corrente de recuperação é interrompida, a indutância do circuito converte o degrau de corrente em um pico de tensão:

V_spike = L_loop × dI_rrm / dt

onde V_spike é o pico adicionado à tensão do nó, L_loop é a indutância do circuito de comutação e dI_rrm/dt é a taxa na qual a corrente reversa cai para zero.

Com I_rrm = 17.3 A e indutância de loop de 300 nH, um diodo de resposta rápida que corta a corrente em 20 ns produz 259 V. A mesma corrente distribuída ao longo de um período de 200 ns produz 26 V.

A taxa de reversão em si é determinada pelo circuito. Adicionar indutância em série a retarda:

di/dt_r = V_R / L_com

onde di/dt_r é a taxa de reversão, V_R a tensão de bloqueio e L_com a indutância de comutação em série com o diodo.

Para 150 A/µs a 600 V, a indutância necessária é de 4 µH. Esse valor está dentro da faixa útil e representa apenas uma pequena parcela da velocidade de comutação.

2.4 Absorção da energia residual

Um circuito RC de proteção em paralelo com o diodo absorve parte da energia de recuperação deixada pelo diodo e pelo indutor:

E_absorb = 0.5 × C_s × ΔV_snub²  ,  R_s = √(L_loop / C_s)

onde E_absorb é a energia armazenada pelo circuito snubber, C_s a capacitância do circuito snubber, ΔV_snub a elevação de tensão através dele, R_s a resistência de amortecimento e L_loop a indutância do circuito.

Para manter a tensão em 100 V enquanto absorve 0.15 mJ, o capacitor deve ter pelo menos 30 nF. Um capacitor de 33 nF oferece margem de segurança, e seu resistor de amortecimento é de 3.0 Ω.

A própria resistência série equivalente (ESR) do capacitor adiciona sobretensão: V_ov = I_rrm × ESR. Com 17.3 A e 50 mΩ, o valor adicional é de 0.87 V, o que é desprezível. A ESR é importante porque não deve aumentar com a temperatura, e isso é determinado pelo dielétrico.

Figura 1 — A expansão do corte de recuperação de 17.3 A de 20 ns para 200 ns reduz o pico de desligamento em 300 nH de 259 V para 26 V.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: Diodos de resposta rápida transformam a carga armazenada em picos.

Uma parte rápida com recuperação abrupta interrompe I_rrm em poucos nanossegundos. Com 300 nH no circuito, isso representa centenas de volts em um nó com tensão nominal de 600 V.

O pico de tensão sobrecarrega o interruptor e irradia interferência eletromagnética de banda larga do circuito de comutação. Ambos os efeitos são proporcionais à taxa de corte, e não apenas à carga armazenada.

Problema 2: A perda se concentra no corpo do diodo.

Em frequências de 50 a 100 kHz, perdas por evento de 0.15 a 0.5 mJ se transformam em dezenas de watts em um único encapsulamento. A junção se eleva, a carga armazenada aumenta com a temperatura e a perda se multiplica em espiral.

A falha se manifesta como um diodo em curto-circuito com uma solda aparentemente íntegra e sem sinais de defeito de fabricação. A causa é o circuito térmico, que se fecha bem acima da temperatura ambiente utilizada na bancada de testes.

Problema 3: Os anéis amortecedores em vez de absorverem o impacto.

Se o capacitor de amortecimento apresentar muita ESL (interferência equivalente de nível) ou se o resistor de amortecimento estiver desafinado, o circuito de amortecimento entrará em ressonância entre 1 e 10 MHz. O transiente de recuperação se transformará então em uma oscilação sustentada.

A absorção deveria encerrar o evento. Em vez disso, a oscilação reinjeta energia no diodo a cada ciclo.

Problema 4: Capacitores snubber Classe II se deslocam para fora da solução

Um circuito snubber X7R perde cerca de 15% de sua capacitância com polarização CC e temperatura. A capacidade de absorção diminui e o ponto de amortecimento se desloca.

A mudança é lenta e a taxa de falhas dos diodos aumenta meses após o comissionamento. Nada em um teste de bancada a 25 °C demonstra isso.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Selecionar diodos de recuperação suave e verificar a relação de cauda.

Compare as formas de onda de recuperação do candidato. diodos de recuperação rápida na corrente direta real e na taxa de reversão. Requer um fator de suavidade, a razão entre o tempo de cauda e o tempo de armazenamento, de 0.8 ou mais.

Uma parte flexível distribui o corte de 17.3 A ao longo de 200 ns e mantém o pico próximo de 26 V. O mesmo corte de corrente em 20 ns resulta em 259 V.

Estratégia 2: Controlar a taxa de reversão com a indutância de comutação

Adicione 1–5 µH em série com o caminho da corrente do diodo. Verifique se o di/dt medido corresponde a V_R / L_com, que é 4 µH para 150 A/µs a 600 V.

Confirme se a indutância adicionada não entra em ressonância com o circuito na frequência de modulação. Um componente de 4 µH com 2 nF de capacitância parasita oscila a 1.8 MHz, bem abaixo de 50 kHz, portanto o risco é baixo.

Estratégia 3: Dimensionar o amortecedor com base na perda medida

Meça E_rr com uma sonda de corrente no ponto de operação mais crítico e, em seguida, escolha C_s a partir do balanço de energia com uma margem de 50%. O evento de 0.15 mJ resulta em 30 nF, portanto, ajuste para 33 nF.

Ajuste R_s próximo de √(L_loop / C_s), que é 3.0 Ω, e verifique se a forma de onda do circuito snubber apresenta um único decaimento. Um padrão de batimento indica que o resistor está na banda errada.

Estratégia 4: Utilizar capacitores snubber cerâmicos de Classe I

Selecionar N4700 partes. Seu coeficiente de ±30 ppm/°C e tanδ abaixo de 0.1% mantêm a capacidade de absorção e o canto de amortecimento fixos em toda a faixa de temperatura.

A baixa perda mantém o capacitor resfriado na faixa de 50 a 100 kHz. Sua ESR, que define o termo de sobretensão I_rrm × ESR, não aumenta com a temperatura.

Estratégia 5: Adicionar uma camada cerâmica local na saída da ponte

Coloque um capacitor cerâmico N4700 de 100 nF a 1 µF diretamente na saída da ponte. Essa camada fornece a parte de alta frequência da corrente de recuperação localmente, de modo que o laço que gera o pico seja menor.

Emparelhe-o com um capacitor de filme onde a energia volumétrica excede a capacidade da cerâmica. A camada cerâmica então lida com a borda e a parte em filme lida com a carga.

Estratégia 6: Verificar com testes térmicos e espectrais

Meça a temperatura da carcaça do diodo e o espectro de 1 a 30 MHz antes e depois da instalação do circuito snubber. É necessário obter uma redução de pelo menos 20 °C na temperatura da carcaça e uma queda espectral de 20 dB.

Repita ambos os procedimentos após 500 ciclos térmicos. Um amortecedor cuja margem desaparece após a ciclagem foi calibrado para uma temperatura de laboratório, não para a temperatura da máquina.

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. Capacitores HVC para o nó de recuperação-absorção

Três requisitos norteiam essa escolha: uma capacitância que mantenha seu valor enquanto o diodo aquece, baixa perda no nó de maior dv/dt da máquina e uma carcaça silenciosa próxima ao circuito de acionamento do gate. A HVC fabrica componentes N4700 para esse conjunto.

Seis parâmetros importantes neste nó

• O dielétrico N4700 (T3M) Classe I possui um coeficiente de ±30 ppm/°C. A energia de absorção e o ponto de amortecimento permanecem onde o projeto os definiu.
• tanδ abaixo de 0.1%. O circuito snubber absorve o transiente de recuperação com perda interna desprezível, mantendo-se assim frio na faixa de 50 a 100 kHz.
• Faixa de tensão de 1 kV a 100 kV. Uma família abrange os circuitos de proteção contra sobretensão (snubbers) para choppers de 600 V e os circuitos de proteção contra sobretensão (snubbers) para estágios de ignição de 25 kV.
• PD abaixo de 5 pC em todas as partes blindadas. A rede de absorção não emite pulsos de banda larga nos circuitos de porta e de detecção.
• Baixa e estável ESR com curvas de impedância publicadas. A verificação de sobreimpulso V_ov = I_rrm × ESR_s torna-se um cálculo, e R_s pode ser ajustado no papel.
• Comprovado em campo em sistemas pulsados ​​de alta frequência. Os componentes com terminais de parafuso HVC 40 kV / 441 pF substituíram capacitores de marcas líderes em programas de serviço de campo de alta tensão e estão sendo adotados por um número crescente de OEMs nacionais.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas e os conjuntos combinados em 6 a 10 semanas. A mesma família abrange discos com terminais radiais e capacitores maçaneta para os nós de corrente mais alta.

Os componentes HVC correspondem aos parâmetros elétricos e às dimensões da embalagem de TDK, peças KEMET e Murata, portanto, uma verificação de referência cruzada requer apenas uma troca de dados.

Onde dois capacitores de amortecimento são empilhados para atingir a tensão do nó, ajuste resistores de classificação em cada parte, de forma que a pilha compartilhe o transiente uniformemente.

Envie a frequência de chaveamento, os dados de recuperação do diodo e a geometria do circuito. O HVC retorna os valores do circuito snubber, o envelope do pico esperado e um plano de verificação.

6. Perguntas frequentes

Q1: Por que 1 µC de carga armazenada produz 17.3 A de corrente reversa?

Como I_rrm = √(2 × Qrr × di/dt_r), com 1 µC e 150 A/µs, o produto dentro da raiz quadrada é 300, e a raiz quadrada é 17.3 A. A corrente de pico é proporcional à raiz quadrada da taxa de reversão, portanto, reduzir di/dt pela metade reduz o pico em apenas 29%.

Q2: Quanta energia a recuperação reversa realmente desperdiça?

E_rr = 0.25 × Qrr × V_R, que é 0.15 mJ por evento a 1 µC e 600 V. A 50 kHz, isso corresponde a 7.5 W em um diodo. Como a carga armazenada aumenta cerca de 0.5–1% por °C, o valor a 85 °C é 50% maior, e a perda correspondente é de 11.3 W.

Q3: Qual é a indutância de comutação necessária?

Suficiente para manter a inversão na taxa desejada. di/dt_r = V_R / L_com, portanto, 600 V em 4 µH resulta em 150 A/µs. Valores de 1 a 5 µH abrangem a maioria dos estágios do chopper, e o componente não deve oscilar com o circuito na frequência de chaveamento.

Q4: Qual é o dimensionamento do capacitor snubber?

A partir da energia que deve suportar. E_absorb = 0.5 × C_s × ΔV_snub². Para absorver 0.15 mJ com uma subida de 100 V, são necessários 30 nF, portanto, 33 nF é o valor prático, e o resistor de amortecimento fica em √(300 nH / 33 nF), ou 3.0 Ω.

Q5: Por que o dielétrico do capacitor snubber é tão importante?

Isso ocorre porque a eficácia do circuito snubber é proporcional à capacitância e à temperatura. Um componente que perde 15% do seu valor com a polarização e o calor reduz a capacidade de absorção e desloca o ponto de amortecimento. Um componente N4700 desloca-se 0.3% em uma faixa de 100 °C, portanto, o circuito snubber a 85 °C apresenta o mesmo desempenho que o testado em bancada.

Q6: O que comprova que a energia de recuperação foi absorvida?

Três medições: a temperatura da carcaça do diodo, a temperatura da superfície do resistor snubber durante um período de 8 horas e o espectro de emissão de 1 a 30 MHz. Os objetivos são uma temperatura da carcaça igual ou inferior a 80% da nominal, uma temperatura estável do resistor e uma queda espectral de 20 dB com o snubber instalado.

7. Referências

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