CO2レーザー電源用高電圧コンデンサの封止と沿面距離

CO2レーザー電源用高電圧コンデンサの封止と沿面距離

抽象

CO2レーザー電源は、湿度が高く粉塵の多い工場内で10kV～50kVの電圧で稼働しており、乾燥ベンチテストに合格したモジュールでも数ヶ月以内にフラッシュオーバーを起こします。故障の原因は、バルク破壊、表面フラッシュオーバー、部分放電の3つです。電圧定格に従うのはバルク破壊のみです。この記事では、汚染度ごとの沿面距離と空間距離のルール、電界と寿命の方程式、4つの電界故障、そしてその結果を裏付けるコンデンサデータについて説明します。

はじめに

CO2レーザー電源は10kVから50kVの電圧で動作し、高電圧タンクには変圧器、電圧増倍器、コンデンサバンクが一体化されたブロックとして収められている。このブロックは、22℃のドライラボで行われるベンチテストにすべて合格する。しかし、6か月後、同じ設計のレーザーが工場現場や沿岸部のプラントでフラッシュオーバーを起こす。

ほとんどのプロジェクトで最初に試みられる対策は、定格電圧を上げることです。この変更によって絶縁破壊限界は移動しますが、表面経路はそのまま残ります。しかし、現場からの報告によると、損傷は表面、角、または内部の空洞部分に存在するため、定格電圧を上げても問題は解決しません。

絶縁破壊には3つの異なるメカニズムがあります。バルク破壊は誘電体を貫通して貫通チャネルを形成します。フラッシュオーバーはバルク内部に侵入することなく表面を通過します。部分放電（PD）は、小さな空隙または鋭利なエッジをパルスごとに焼き切り、最終的に3つのチャネルが壁を貫通します。

この記事では、汚染度ごとの沿面距離に関する規則、レーザー電源で発生する4つの主要な故障、それらを防止する設計手順、そしてその結果を証明する試験データについて説明します。

2. コアメカニズム

2.1 空間距離と沿面距離は2つの異なる経路です

クリアランスとは、2つの導体間の空気中を通る最短距離のことです。これは、空気ギャップの絶縁破壊電圧を決定します。20℃、101.3kPaの乾燥空気では、約3kV/mmで絶縁破壊が起こりますが、高度の上昇や湿度の上昇に伴い、この値は低下します。

沿面距離とは、絶縁体表面に沿った最短経路のことです。これは、フラッシュオーバー電圧と表面漏洩電流を決定します。沿面距離は、絶縁体の形状だけでなく、塵埃、水分、表面抵抗率にも依存します。

L_creep = k_p · k_a · U

ここで、L_creepは最小沿面距離（mm）、k_pは汚染度係数（mm/kV）、k_aは高度補正係数、Uは​​動作電圧（kV）である。

粉塵の多い工場内の20kV母線の場合、1,500m地点でのk_pは20mm/kV、k_aは1.15です。したがって、配線経路は460mmまで延長する必要があります。300mmで描かれた配線図では、テスト実行前にこの条件を満たしません。

2.2 部分放流と樹木水路

エポキシ樹脂内部の空隙には、周囲の樹脂よりも誘電率の低いガスが閉じ込められている。空隙内部の電界は樹脂内部の平均電界よりも高いため、ガスが先に絶縁破壊を起こす。

E_void = E_bulk · 3 · ε_r / (2 · ε_r + 1)

ここで、E_voidは球状空隙内部の電界、E_bulkはエポキシ樹脂中の平均電界、ε_rは樹脂の比誘電率（充填グレードの場合は約3.5）である。E_bulkが8 kV/mmの場合、E_voidは10.5 kV/mmに達し、これはその圧力における空気の絶縁破壊電界を超える値である。

各部分放電イベントは数ピコクーロンの電流しか持たないため、保護装置は作動しません。損傷は累積的です。100 kHzのスイッチング周波数と20 kVの電圧では、モジュールは毎秒200,000万サイクルのサイクルを受け、0.1 mmの空隙が10⁸～10⁹回のイベント後には樹状のチャネルへと成長します。

t_life = N_0 · (V_rated / V_applied)^n

ここで、t_lifeは破壊までの時間（h）、N_0は定格電圧における基準寿命（h）、V_ratedは定格電圧（kV）、V_appliedは印加電圧（kV）、nは耐電圧指数であり、エポキシ層の場合は9～12です。n=10で20%の過電圧を加えると、寿命は6分の1に短縮されます。

2.3 コーナー部および界面における電界集中

鋭角な角では等電位線が互いに押し合わされるため、局所的な電場は同一導体上の平均電場の5～10倍に達する。

E_max = β · E_avg

ここで、E_maxは角における最大電界、βは電界増強係数、E_avgはギャップ全体の平均電界である。正方形のピンエッジではβ = 8に達するが、同じエッジを半径2 mmに丸めるとβ = 1.6に低下する。

20 kVの電圧を4 mmの隙間に印加した場合、平均電界は5 kV/mmとなる。すると、角張った部分では電界が40 kV/mmに達し、空気は3 kV/mm付近で絶縁破壊を起こし、充填エポキシ樹脂は20 kV/mm付近で絶縁破壊を起こす。この角の部分では、どちらの限界値も超えている。

2.4 湿気と塵埃が同じ表面に作用する

乾燥したエポキシ表面の表面抵抗は10¹³Ωから10¹⁴Ωである。相対湿度85%ではその値は10¹⁰Ωまで低下し、導電性の粉塵膜によって10⁸Ωまで低下する。

I_surface = U / R_s

ここで、I_surfaceは表面漏洩電流（μA）、Uは動作電圧（kV）、R_sは表面抵抗（GΩ）です。0.1 GΩの抵抗に20 kVの電圧を印加すると、表面電流は200 µAに達し、フィルムが加熱されてカーボントラックの形成が始まります。

図1 — 20kVモジュールにおける3つの絶縁メカニズム：バルク破壊のみが定格電圧に従い、フラッシュオーバーと部分放電は表面経路に従います。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：パイロット運用から6か月後にフラッシュオーバーが発生する

乾燥ベンチテストに合格したモジュールでも、工場内で相対湿度85%の環境下で6ヶ月経過するとフラッシュオーバーが発生し始めます。表面が水分を吸収し、表面抵抗が10¹³Ωから10¹⁰Ωに低下し、ピン端の漏洩電流がカーボントラックの発生レベルを超えます。

最初のフラッシュオーバーでは損傷は発生しないため、生産は継続される。その後、フラッシュオーバーが発生するたびに、配線はより深く焼損し、それに伴って抵抗値が低下する。10回から20回フラッシュオーバーが発生すると、動作電圧の半分で表面がフラッシュオーバーする。

問題点２：粉塵が有効な沿面経路を遮断する

切断工場では、金属粉や炭素粉がタンク表面に付着する。0.5mmから2mmの厚さの膜がリブと溝を覆い、有効沿面距離が50%から80%減少する。

クリーンルーム内で300mmと測定された設計が、1年後には60mmから150mm程度にまで劣化する。20mm/kVルールでは400mmが求められるため、モジュールは要求される経路長の半分以下で動作してしまう。

問題点３：植え付け後の空隙から部分的な排出が始まる

弱い脱ガス工程により、ブロック内部に0.1mmから1mmの空隙が生じる。それぞれの空隙は初期電圧で部分放電を開始し、その周囲のエポキシ樹脂は10⁸回の放電ごとに0.01mmから0.1mmずつ侵食される。

欠陥は巧妙に隠蔽されている。3 pCのPDレベルは通常の耐電圧試験に合格し、絶縁抵抗はツリーチャネルが開くまで10¹²Ω以上を維持する。その後、ユニットは表面に目に見える損傷がないにもかかわらず、高電圧試験に不合格となる。

問題点4：部品は認定されているが、レイアウトが認定されていない

10kVのコンデンサと10kVのダイオードは、それぞれ独自の型式試験に合格しています。基板上に3mm離して配置すると、沿面距離は3mmとなり、汚染度3において1kV未満の電圧を許容します。

この不具合は、20kVモジュールを5kV部品から構成した場合に最も頻繁に発生します。各部品はそれぞれ定格容量を持ち、組み立てられたモジュールはシステム要件の15%を担います。

4. 設計手順

戦略1：汚染度から沿面距離を決定する

最終設置場所の汚染度を使用してください。汚染度1はクリーンルーム（5～8 mm/kV）に対応します。汚染度2はオフィスまたは通常の工場（10～16 mm/kV）に対応します。汚染度3は導電性粉塵と高湿度（20～32 mm/kV）に対応します。汚染度4は継続的な汚染（40～50 mm/kV）に対応します。

1,000mを超える場合は、1,000mごとに10～15%を加算してください。汚染度3、距離2,000mの20kV母線では、460mm～530mmの表面経路が必要です。この経路は、平面図ではなく、3Dモデルの表面に沿って測定してください。

戦略2：あらゆる角を回り、あらゆる接合部を覆う

高電圧銅配線の端部はすべて半径2mm以上に丸めてください。ピンとパッドのはんだ接合部は、半球状のフィレットで覆ってください。高電圧配線と接地配線の間は、平行または円弧状の接続部を設け、点と点の間の隙間は避けてください。

丸め処理によってβの値は5～10から1.5～2に低下する。20kVモジュールの場合、この変更だけでフラッシュオーバー電圧が25kVから60kVに上昇する。

戦略3：鋳造前にエポキシ樹脂の脱気を行う

混合樹脂を10ミリバール以下に15～30分間脱気してから注型する。大きなブロックを2～3層に分けて鋳造し、各層の後に再度脱気することで、下部の空隙が新しい樹脂で塞がれないようにする。

粘度を下げるために金型を40℃～50℃に予熱し、樹脂が片側から流れ込むように15°～30°傾けます。20kVブロックで1cm³あたり1個を超えるボイドがあると、定格電圧の1.5倍でPDレベルが5pCを超えます。

戦略4：エポキシ樹脂を熱サイクルに合わせる

標準的なビスフェノールA樹脂は18kV/mm～22kV/mmの導電率を持ち、中程度の耐湿性を備えています。変性脂環式樹脂は22kV/mm～28kV/mmの導電率を持ち、優れた耐湿性を備えています。ナノ粒子充填樹脂は25kV/mm～35kV/mmの導電率を持ち、耐湿性と耐熱性の両方を備えています。

樹脂の熱膨張係数（CTE）は約30 ppm/℃、銅ピンのCTEは約17 ppm/℃である。この13 ppm/℃の差が、界面におけるせん断応力を決定する。ガラス転移温度が150℃を超える樹脂は、-40℃から+125℃の範囲で応力を低く抑えることができる。

戦略5：リブとコンフォーマルコーティングを追加する

高電圧領域と低電圧領域の間に、沿面方向に高さ2mm以上のリブを追加する。リブによって表面経路が迂回され、実効距離が50%～100%増加する。

高電圧領域に、25 µm以上の厚さのポリウレタンまたはシリコーンのコンフォーマルコーティングを施します。このコーティングにより表面抵抗が2～3桁向上するため、10¹⁰ Ωの表面抵抗が10¹² Ωに戻ります。

各重要ギャップにFR4またはセラミックバリアを配置します。乗算段では、DCブロッキングを取り付けます。 フィルムコンデンサ 本体が障壁をまたぐようにし、抵抗チェーンを用いて障壁表面に沿って電界を勾配化する。

戦略6：4つの測定で設計を検証する

3Dモデルの表面に沿って沿面距離を測定します。定格電圧の1.5倍で部分放電試験（PD試験）を実行し、レベルを5 pC以下に維持します。85℃、相対湿度85%で1,000時間の湿熱試験を実施した後、PD試験を繰り返します。

−40℃から+125℃までの温度サイクルを1,000回繰り返し、再度PDレベルを確認してください。サイクル後に2 pCを超える上昇が見られた場合は、界面での剥離が発生していることを示しています。

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. 高電圧タンク用HVCエポキシ封止コンデンサ

HVCは、CO2レーザー電源の高電圧タンク向けに、ポッティング処理済みのクラスI部品を製造しています。東莞にある6,000平方メートルの自社工場から、1kVから150kVまでの幅広い電圧範囲の製品を、産業用および医療用レーザーのOEMメーカーに大量出荷しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 定格電圧の1.5倍で5 pC以下の部分放電を実現。多層真空封止によりブロック内に目に見える空隙がないため、内部のガス溜まりからツリーチャネルが分岐することはない。
• 体積抵抗率が 10¹⁴ Ω·cm を超える場合。バルク経路は表面経路よりも高い位置にあるため、沿面距離のレイアウトが故障限界を決定し、誘電体は決定しません。
• 20 kV/mmを超える絶縁耐力。20 kVの部品は、ポッティングされたブロック内部で定格耐力を維持するため、ポッティング樹脂自体が電界強度を負担する必要はありません。
• −40℃から+125℃までの温度サイクルを1,000回繰り返した後でも、部分放電（PD）の変化は2pC未満です。界面は熱サイクルに耐えるため、初期電圧は10～20年の耐用年数にわたって維持されます。
• 85℃、相対湿度85％の条件下で1,000時間試験を行った結果、断熱性能の低下率は10％未満であった。 N4700 これらの部品は、表面からの漏洩が支配的となる熱帯植物においても、絶縁抵抗を維持する。
• 連携した部品。 HVCT8G HVCT9G パーツは、 HVR-BSP グレード別抵抗器, HVRGXPサンプリング抵抗器 と 高速回復ダイオード 乗算器段と整流器段について。

配送とサポート

標準部品は4〜8週間で出荷され、カスタム容量、リードピッチ、またはポッティング形状は6〜10週間で出荷されます。レーザー注文には、5 pCでのPDレポート、定格電圧の1.5倍での高耐圧試験記録、および クロスリファレンス Vishay HVCC、TDK UHV、Murata DHSシリーズとの比較表。

動作電圧、汚染度、設置場所の標高、筐体図面、湿度範囲をお送りください。HVCは沿面距離配分表、各位置の部品番号、および湿熱再試験用のサンプルユニットを返送します。

6。 よくある質問

Q1：定格電圧を高くすると、フラッシュオーバーは防止できますか？

いいえ。バルク絶縁破壊は定格電圧に従い、フラッシュオーバーは表面経路に従います。定格電圧40kVの20kV部品でも、沿面距離が100mmで角が直角であれば、25kVでフラッシュオーバーします。まず形状を修正してから、定格を確認してください。

Q2：20kVの母線にはどれくらいの沿面距離が必要ですか？

汚染度3、海抜0mでは400mm。2,000mでは20～30%増しで460～530mm。汚染度1のクリーンルームでは、同じバスでも100～160mm必要。測定は隙間を横切るのではなく、表面に沿った経路で行ってください。

Q3：3 pCのユニットが現場で故障するのはなぜですか？

部分放電による損傷は累積的であるため、100 kHz、20 kV の条件下では、モジュールは毎秒 200,000 万サイクルを受け、ボイドは 10⁸ 回ごとに 0.01 mm ～ 0.1 mm ずつ樹脂を侵食します。0.1 mm のボイドは 10⁸ ～ 10⁹ 回の動作後にツリーチャネルを形成しますが、これは数時間の動作であり、数年ではありません。

Q4：植え付け後の空隙をなくすにはどうすればよいですか？

10 mbar以下で15～30分間脱気し、2層または3層に分けて鋳造し、各層の後に脱気し、金型を40℃～50℃に予熱し、15°～30°傾ける。1 cm³あたり1個を超えるボイド数があると、PDレベルが5 pCを超え、1.5倍のスクリーニングに不合格となる。

Q5：レーザー関連機器メーカーはどのエポキシ樹脂を使用すべきですか？

通常の工業用設備には、22 kV/mm～28 kV/mmの改質脂環式グレード、屋外や高信頼性が求められる用途には、25 kV/mm～35 kV/mmのナノ粒子充填グレードが用意されています。どちらも、18 kV/mm～22 kV/mmにしか達しない標準的なビスフェノールAよりも耐湿性に優れています。

Q6：どのような試験手順で絶縁設計の妥当性が証明されますか？

4つの試験：3Dモデル表面に沿った沿面距離測定、定格電圧の1.5倍での5 pC制限のPD試験、85 °Cおよび85 % RHでの1,000時間の湿熱試験（PD試験の繰り返しを含む）、および-40 °Cから+125 °Cまでの1,000回の熱サイクル（2 pCドリフト制限）。

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 60664-1:2020、 低電圧電源システム内の機器の絶縁協調 ― パート1：原理、要件および試験ジュネーブ：IEC、2020年。
3. IEC 60384-8:2015、 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。
4. IEC 60270:2015、 高電圧試験技術 ― 部分放電測定ジュネーブ：IEC、2015年。
5. エリクソン、RW、マクシモビッチ、D.、 パワーエレクトロニクスの基礎第3版。Cham: Springer、2020年。
6. モハン、N.、アンダーランド、TM、ロビンス、WP、 パワーエレクトロニクス：コンバータ、応用、設計第3版。ニュージャージー州ホーボーケン：ワイリー、2003年。
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11. GB/T 6346.1-2024、 電子機器用固定コンデンサ 第1部：总规范 (電子機器で使用する固定コンデンサ – パート 1: 一般仕様)。北京: 国家市场监督管理总局、2024 年。
12. HVCアプリケーションエンジニアリングチーム、 高電圧セラミックコンデンサ 技術リソース、https://www.hv-caps.com