ESUインバータスイッチング用RCスナバマトリックス設計

ESUインバータスイッチング用RCスナバマトリックス設計

抽象

ESUインバータは、300kHzから500kHzのキロボルト級波形を切り替えますが、そのたびにトランス、ケーブル、基板の浮遊インダクタンスが励起されます。スパイクはDCバスの30%から60%上昇します。この記事では、RCスナバ回路を計算式に変換し、ループ方程式、固有振動数、減衰比、R_sの臨界減衰値、蓄積エネルギー、抵抗電力を、400W、400kHzのユニットで測定したデータを用いて算出します。

はじめに

高周波ESUユニットは300kHz～500kHzで動作し、100Ω～2kΩの組織負荷に100W～400Wの電力を供給します。DC-ACインバータは、キロボルト級の波形を出力トランスの一次側に切り替えます。

あらゆる遷移によって、トランス、ケーブル、基板配線の浮遊インダクタンスが励起されます。それに続くスパイクは、DCバス電圧の30%～60%増しになります。スイッチが定格領域を超えるdV/dtを検出すると、動作が劣化し、最終的に処理中に故障します。

出力容量の約3倍のコンデンサと、サージインピーダンスに近い抵抗器を選ぶという経験則が今でもよく知られています。しかし、この法則は電流伝達を支配する連立方程式を無視しており、製造ばらつき、熱ドリフト、出力ネットワークにおける多数の共振も考慮に入れていません。

ESUメーカーのHVCフィールドデータによると、インバーターの保証返品の28%はスナバ回路のストレスに起因しており、現場で故障したパワーモジュール1台につき、物流費と病院でのダウンタイムを含めて1,500米ドル以上のコストがかかることが示されています。この記事では、マトリックス法、測定されたトラップ、および量産設計を支える部品セットについて説明します。

2. コアメカニズム

2.1 ループ方程式

このループには、直流電源V_dc、浮遊インダクタンスL、負荷抵抗R_l、およびt = 0で開くスイッチが含まれています。RCスナバ回路はスイッチの両端に接続されています。スイッチが開くと、インダクタ電流がスナバ回路に流れ込み、キルヒホッフの式は次のようになります。

R_s · I(t) + L · dI(t)/dt + R_l · I(t) = V_dc

ここで、R_sはスナバ抵抗、R_lは負荷抵抗、Lは浮遊インダクタンス、I(t)はループ電流、V_dcはDCバス電圧である。

2.2 2次形式と行列ステップ

スナバコンデンサ電圧V_CはI(t) = C_s · dV_C/dtで表されます。これを微分すると標準的な2次式が得られ、そこから2つの量が導かれます。

ω_n = 1 / √(L · C_s)

ここで、ω_nは固有角周波数、Lは浮遊インダクタンス、C_sはスナバ容量である。

ζ = (R_s + R_l) / (2 · √(L/C_s))

ここで、ζは減衰比、R_sはスナバ抵抗、R_lは負荷抵抗、Lは浮遊インダクタンス、C_sはスナバ容量である。

行列形式を用いると、同じ問題を線形代数のステップに変換できます。状態ベクトル X = [V_C, I_L] を構築し、dX/dt = A · X + B · V_dc と記述し、A の固有値を読み取ります。判別式がゼロになったときに、モードは臨界減衰します。

(R_s + R_l)² / (4L²) = 1 / (L · C_s)

ここで、R_s はスナバ抵抗、R_l は負荷抵抗、L は浮遊インダクタンス、C_s はスナバ容量です。トランスの一次側では R_l が R_s よりはるかに小さいので、条件は R_s ≈ √(L/C_s) に簡略化されます。

この手順は、経験則に代わるものです。R_sは浮遊インダクタンスと選択したC値から求められ、ζは設計が理想的な応答からどれだけ離れているかを示します。

2.3 スナバが消費しなければならないエネルギー

コンデンサは、電源オフ時に浮遊インダクタンスが蓄積するエネルギーを保持する必要がある。

C_s ≥ 2 · E_L / (V_clamp² − V_dc²)

ここで、E_L は浮遊インダクタンスに蓄積されたエネルギー、V_clamp はスイッチが受ける可能性のある最高電圧、V_dc は DC バス電圧、C_s はスナバ容量です。蓄積されたエネルギー自体は、E_L = ½ · L · I_peak² で表されます。

2.4 抵抗器の電力

スナバ回路は1サイクルにつき1回R_sを通して放電するため、平均電力は次のようになります。

P_R = ½ · C_s · V_clamp² · f_sw

ここで、P_R はスナバ抵抗の平均電力、C_s はスナバ容量、V_clamp はクランプ電圧、f_sw はスイッチング周波数です。400 kHz、C_s = 470 pF、V_clamp = 720 V の場合、P_R は 0.49 W となるため、1 W の部品は限界に達し、2 倍のディレーティングが必要になります。

図1 — 測定された210 nHループからサイズが決定されたスナバ分岐：C_s 470 pFとR_s 22 Ωにより、減衰比は1近くになり、抵抗器では0.49 Wになります。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：浮遊インダクタンスの測定値が低い

設計者はしばしばデータシートに記載されているトランスの漏洩電流値を参照するだけで、それ以上のことはしません。DCリンクコンデンサのESLと基板配線によって、さらに漏洩電流が増加します。ある300W ESUでは、データシートの値は80nHでしたが、実測値は215nHと、ほぼ3倍も高くなっていました。80nH用に設計されたスナバ回路では、必要な減衰量の半分しか得られず、スイッチは45%もオーバーシュートしました。

問題点2：エッジ部分で部品が誘導性になる

スナバコンデンサは、スイッチング周波数とその高調波において容量性を維持する必要があります。リード付きMLCCは8 nHから20 nHのESLを持ち、470 pFの部品の自己共振点は50 MHzから120 MHzの間に位置します。400 kHzの搬送波はそれよりもはるかに低い周波数にあり、高速エッジはそうではありません。10 MHzを超えるフーリエ成分は遷移中に部品を誘導性に変え、リンギングが増加します。

問題点３：抵抗器の定格は平均電力に基づいて設定される

R_sにおける平均電力は小さいですが、サイクルあたりのピーク電力は大きく異なります。1Wの金属皮膜部品は、500Wの繰り返しパルスを受けると数ヶ月以内にドリフトします。連続定格の10～20倍のパルス定格を持つ、非誘導性のセラミックまたは厚膜部品を使用してください。

問題点4：生産のばらつきが橋を壊す

フルブリッジには4つのスナバ回路があり、それらは一致していなければなりません。各回路間のC値の差が10%あると、デッドタイム中に電圧の分担が不均一になり、1つのスイッチにほとんどの負荷がかかります。部品を選別してペアリングしないと、ベンチテストでは合格した設計でも量産段階では不合格になります。

4. 設計手順

戦略1：実際のループインダクタンスを測定する

データシートは脇に置いて、ループを測定してください。合計値は、トランスの漏洩電流、DCリンクループ、およびスイッチとトランス間の配線の合計です。200Wから400WのESUの場合、これら3つを合計すると150nHから250nHになります。ベクトルネットワークアナライザまたはスイッチ経路上の電流プローブでこの値が得られます。

戦略2：エネルギーとC_ossからC_sを設定する

スイッチの出力容量の2～5倍から始めて、エネルギー関係を確認してください。C_oss = 120 pFの900 V MOSFETの場合、C_sは240 pFから600 pFの範囲になります。V_clampがV_DS定格の0.8未満になるように値を選択し、スイッチがアバランシェ状態にならないようにしてください。

戦略3：減衰条件からR_sを計算する

R_l が R_s より十分に低い値になった場合は、R_s = √(L/C_s) を使用します。L = 210 nH、C_s = 470 pF の場合、21 Ω となるため、標準シリーズから 22 Ω を指定します。すると減衰比は 1 付近になり、わずかなオーバーシュートが残りますが、リングは発生しません。

戦略4：容量性を維持する部品を選択する

低ESLのディスクまたはバレル部品を使用してください。 HVCA-471-10KV 10 kVdcで470 pFを保持し、ESLは5 nH以下、tan δは1 MHzで0.1%以下なので、エッジ全体で容量性を維持します。より高いレールの場合、 HVCHF-B-301-15KV 15 kVdcで300 pFの容量を提供し、自己共振点は250 MHz以上で、同じものをベースに構築されています。 N4700 クラスI誘電体。

戦略5：パルスに合わせて抵抗器のサイズを決め、熱をチェックする

式からP_Rを確認し、連続定格の10倍から20倍のパルス定格を持つ部品を選択します。 HVR-HTE 5Wの部品は、0.49Wのケースを十分な余裕をもってカバーします。抵抗器とコンデンサーをサーマルカメラで30分間、最大出力で測定し、最悪の負荷条件下でも両方の値が定格値内に収まる場合にのみ設計を承認します。

戦略6：橋脚用に同じデザインのものを注文する

容量値のばらつきを±1%以内とし、4個または8個の部品全体でΔC/Cが0.5%未満のマッチングセットを要求してください。これにより、最も弱いリンクとなる故障モードが排除され、電圧の分散が均等になり、手作業で部品を交換するのにかかるベンチ時間を節約できます。

戦略7：ハードスイッチングブリッジのエネルギーを制限する

ハードスイッチングまたは位相シフトブリッジでは、RCDクランプを追加します。 高速回復ダイオード 6 kVの逆電圧でt_rrが75 ns以下の場合、誘導エネルギーがスナバコンデンサに送られ、スイッチがアバランシェ状態になるのを防ぎます。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. ESUスナバネットワーク用HVC部品

HVCは、東莞にある一つの工場から、1kVから150kVまでの電圧に対応するクラスI部品、厚膜抵抗器、高速ダイオードなど、スナバ回路全体を供給しています。

ここで重要な5つのスペック

• ESLは5 nH未満です。 HVCA-471-10KV 10 kVdcで470 pFを保持し、1 MHzでtan δが0.1%以下であるため、分岐はエッジ全体で容量性を維持し、ループインピーダンスは低いままです。
• 250MHzを超える自己共振点。 HVCHF-B-301-15KV ドアノブコンデンサ 15 kVdcで300 pFの容量を流すことができ、600 Wの一次スナバ回路のための余裕が確保されます。
• ΔC/Cが0.5%未満で一致するセット。±1%のビンニングにより、4つのブリッジレッグが均等に保たれるため、デッドタイム中に単一のスイッチにストレスがかかることはありません。
• 脈拍定格 厚膜抵抗器 部品。 HVR-HTE 5Wまたは10Wのケースでは、連続定格の10倍から20倍の容量を保持するため、500Wの繰り返しパルスでもドリフトしません。
• 1つのオーダー、3つのファミリー。HVD高速リカバリダイオードと HVRGXP サンプリング抵抗器は、スナバ回路部品と同じ封筒で出荷されます。

300Wフルブリッジの場合、HVCは4つのマッチング済みスピーカーを出荷します。 HVCA-471-10KV 部品、4 HVR-HTE 5Wのダンピング抵抗器と4 HVD-06 クランプダイオードを1つのキットとして提供します。同じキットで フィルムコンデンサ スナバ分岐では、巻線部のESLがエッジ応答を制限する。

部品は、 ビシェイ 715C/660R、AVX HP/HW/HK、村田製作所 DHR/DHS、TDK Dシリーズなどに対応しているため、設計の残りの部分はそのままにして、一度に1つの位置だけを移動させることができます。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、マッチングセットは6～10週間で出荷されます。HVCは、ループインダクタンス測定、スナバ回路のサイズ決定、SPICEチェック、およびTÜV認証審査で求められる最悪ケース仕様書に対応しています。

トポロジー、スイッチの部品番号、スイッチング周波数、測定された浮遊インダクタンス、およびトランスの図面をお送りください。HVCは、C値とR値、減衰比、電力値、および2つのサンプルキットを記載したスナバシートを5営業日以内に返送します。

6。 よくある質問

Q1：浮遊インダクタンスはどのように測定すればよいですか？

スイッチを既知の負荷に接続し、電流プローブでリング周波数を読み取るか、ループにベクトルネットワークアナライザを使用してください。DCリンクループと基板配線が大部分を占めるため、設置状態での値を取得してください。300WのESUでは、データシートの80nHに対し、215nHの測定​​値が得られました。

Q2：どのくらいの減衰比を目指すべきでしょうか？

ζは1に近い値で、これは臨界減衰です。ζの値が低いとリンギングが発生し、値が高いとエッジが遅くなり、損失が増加します。条件R_s = √(L/C_s)により、負荷抵抗がR_sよりはるかに低い場合、ζは1に近づき、その後の波形には小さなオーバーシュートが1つだけ残ります。

Q3：なぜエッジ時にコンデンサが誘導性になるのですか？

リード付き部品は8 nH～20 nHのESLを持ち、そのエッジは10 MHzを超える周波数のフーリエ成分を伝送します。自己共振点を超えると、部品はインダクタのように動作し、スナバ回路は機能しなくなります。低ESLのディスク型またはドアノブ型の部品を使用し、リード線を短くしてください。

Q4：抵抗器はどれくらいの電力を消費しますか？

P_R = ½ · C_s · V_clamp² · f_sw。400 kHz、470 pF、720 V の場合、平均 0.49 W で、各サイクル内のピークは数百ワットに達します。連続定格の 10 倍から 20 倍のパルス定格を持つ部品を選択し、平均を 2 倍にディレーティングします。

Q5：フルブリッジ全体に1つのスナバ値を使用することはできますか？

4つのスイッチを使用し、それらを一致させてください。レッグ間で10%のCのばらつきがあると、デッドタイム中に負荷の分散が不均一になり、1つのスイッチにストレスがかかります。容量ビンニングを±1%で行い、セット全体でΔC/Cが0.5%未満になるように注文し、量産前にベンチテストでセットをチェックしてください。

Q6：製造前に設計を検証するにはどうすればよいですか？

100 MHz 以上のプローブを使用してスイッチで dV/dt を測定し、その後、両方の部品を最大出力で 30 分間サーマルカメラで撮影します。400 W、400 kHz のケースでは、再加工により dV/dt が 180 V/μs から 38 V/μs に、ピークが 1.15 kV から 820 V に改善されました。

7。 リファレンス

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, 医用電気機器 ― 第１部：基本安全及び必須性能に関する一般要求事項ジュネーブ：IEC、2012年。
2. IEC 60601-2-54、 医用電気機器 ― 第2-54部：放射線撮影および放射線検査用X線装置の基本安全および必須性能に関する個別要求事項ジュネーブ：IEC、2018年。
3. IEC 60384-8、 電子機器用固定コンデンサ ― 第8部：セラミック誘電体固定コンデンサ、クラス1ジュネーブ：IEC、2015年。
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