YAGドライバDCバスEMI：低ESLセラミックコンデンサ

YAGドライバDCバスEMI：低ESLセラミックコンデンサ

抽象

パルスNd:YAGレーザーは、DCバスを20～50kHzでチョッピングし、主放電経路をハードスイッチングし、20～30kVのトリガーパルスをランプに照射します。バスにはこれらのノイズがすべて含まれています。この記事では、コーナー周波数と挿入損失の式、1MHzを超える周波数でバルク部品の性能を低下させる自己共振限界、4つのフィールド故障モード、および150kHzから30MHzまで6dBのマージンを維持する2段フィルタ設計について説明します。

はじめに

パルスNd:YAGレーザーは、短いバーストでエネルギーを取り込む。充電電源はバスを20～50kHzでチョッピングする。メインスイッチは誘導パルス形成ネットワークに対してスイッチングを行う。トリガー回路は20～30kVのパルスをフラッシュランプに照射し、ランプは数十マイクロ秒で数百ジュールのエネルギーを放電する。

各イベントは広範囲にわたってバスにエネルギーを供給します。バスは共通のノードであるため、同じノイズが主電源入力、シャーシ、およびQスイッチ同期回路に到達します。これらの同期回路は、パルス間のエネルギー安定性を維持するために、低いジッタ値を必要とします。

効果的なフィルタは、相反する2つの機能を同時に果たす必要がある。1つは、di/dtが1 A/nsに近い値で数十アンペアの電流を流し、電圧降下をほとんどなくすこと。もう1つは、同じ帯域で広帯域ノイズを40～80 dB減衰させることである。1種類の部品で両方の機能を満たすことは稀である。

この記事では、ドライバのノイズスペクトル、CEおよびFCC規制の根拠となるカットオフおよび挿入損失の式、実機で確認された3つの故障モード、および低ESLセラミックコンデンサを使用した多段フィルタについて説明します。

2. コアメカニズム

2.1 ノイズ源とスペクトル成分

YAGフラッシュランプドライバにおけるノイズは、主に2つのデバイスによって発生します。IGBTチョッパは20～50kHzでスイッチング動作を行い、その周波数の倍数となる高調波を生成します。SCRまたはIGBTメインスイッチは誘導性ネットワークに対してスイッチング動作を行い、10kHzから100MHzまでの周波数範囲でエネルギーを分配します。

台形エッジには2つのスペクトル勾配があります。コーナー周波数は、ロールオフが急峻になる点を示します。

f_corner = 1 / (π · t_r).

ここで、f_cornerはコーナー周波数（Hz）、t_rはエッジ立ち上がり時間（秒）です。t_r = 100 nsのエッジの場合、f_corner ≈ 3.2 MHzとなります。

エッジレートは転流電流に比例する。

di/dt = I_switch / t_r.

ここで、di/dtは電流スルーレート（A/ns）、I_switchは転流電流（A）、t_rは立ち下がり時間（ns）です。100Aの主経路電流を100nsでスイッチングすると、1A/nsのレートが得られます。このレートにより、ループインダクタンスがわずか40nHでも、VHF帯域に測定可能な放射が発生します。

2.2 2極LCフィルタ

第1段は、整流器とチョッパの間にある差動モードLCローパス回路である。そのカットオフ周波数とカットオフ周波数以上の減衰量は以下のとおりである。

f_c = 1 / (2π · √(L · C)).

ここで、f_cはカットオフ周波数（Hz）、Lはフィルタのインダクタンス（H）、Cはフィルタの容量（F）である。

IL(f) = 40 · log10(f / f_c).

ここで、ILは挿入損失（dB）、fは測定周波数（Hz）です。L = 100 µH、C = 4.7 nFのステージでは、f_c = 232 kHzとなります。同じステージでは、1 MHzで25 dB、10 MHzで65 dBの損失が得られます。

レーザー機器は、EN 55011規格のクラスA（準ピーク値79 dBµV）またはクラスB（150 kHz～30 MHzの周波数帯域で56～66 dBµV）を満たす必要があります。FCC Part 15 Subpart Bも同様の基準を採用しています。一般的には、すべての周波数で6 dBのマージンを確保することが推奨されるため、2極段1段では不十分な場合がほとんどです。

2.3 バイパスが自己共振を超えると崩壊する理由

すべてのコンデンサは直列RLC回路です。自己共振周波数を超えると、コンデンサはインダクタとして動作します。

f_SR = 1 / (2π · √(L_ESL · C)).

ここで、f_SRは自己共振周波数（Hz）、L_ESLは等価直列インダクタンス（H）、Cは静電容量（F）である。1 nFの部品でESLが10 nHの場合、50 MHzで自己共振する。同じ部品でESLが2 nHの場合、112 MHzで自己共振する。

リップル電圧下での損失は、次の2つの項から構成される。

P_loss = I_rms² · ESR + 2π · f · C · V_rms² · tanδ.

ここで、P_lossは消費電力（W）、I_rmsは実効リップル電流（A）、ESRは等価直列抵抗（Ω）です。fはリップル周波数（Hz）、Cは静電容量（F）、V_rmsは実効電圧（V）、tanδは損失正接です。

1 MHzのリップル電圧100 Vrms下の4.7 nF部品では、分割が見られます。誘電率項はtanδ = 0.0002で59 mW、tanδ = 0.02で5.9 Wに達します。この100倍の差によって、バイパスネットワークが冷却されるか、筐体が加熱されるかが決まります。

2.4 コモンモードパス

2つ目の経路はコモンモードです。IGBTモジュールは50～200pFのコンデンサを介してヒートシンクに接続され、ヒートシンクはシャーシグランドに接続されます。この電流は主電源配線を通って流れ、Yコンデンサまたはコモンモードチョークを通して戻ります。Y値はアースリークの制限に従います。

I_leak = 2π · f · C_y · V_mains.

ここで、I_leakは漏電電流（mA）、fは線間周波数（Hz）、C_yはYコンデンサの値、V_mainsは線間電圧（V）です。C_y = 4.7 nF、230 V、50 Hzの場合、I_leak = 0.34 mAとなります。この値は、対称的なレイアウトと2～5 mHのチョークを備えた医療機器の0.5 mA制限内に収まります。

図1 — 150kHz以下の2段のLC回路は1MHzで25dB、10MHzで65dBに達するが、バルク部品は7MHz付近で誘導性になる。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：伝導性放射がクラスAの制限値を15～25dB超過している

フィルタなしのYAGドライバは、150kHzから30MHzの周波数帯域において、79dBµVのクラスAラインより15～25dB高い値を示します。20～50kHzのチョッパは、f_swの倍数ごとに高調波クラスターを生成します。1A/nsのエッジによって、そのエネルギーは数十メガヘルツに拡散されます。

認証機関はこのユニットを不合格とした。バルク電解コンデンサを追加する修正策は効果がない。なぜなら、それらの部品は自己共振周波数を超えると減衰しなくなるからである。

問題点2：高周波バイパスが自己共振周波数を超えると崩壊する

電解コンデンサまたは金属化フィルム部品で構成された10 nFのバイパス回路は、20～50 nHの等価直列インダクタンス（ESL）を持ちます。この回路は7 MHz～15 MHzの周波数帯で自己共振します。この帯域を超えると、この部品は誘導性となるため、ノイズを遮断するのではなく、ノイズを伝達してしまいます。

150kHzから1MHzまでは正常に動作するが、10MHz以上で動作しなくなるユニットは、通常この現象を示す。コンデンサを追加しても不具合は解消されない。なぜなら、追加された部品が同じ場所で自己共振するからである。

問題点３：高周波リップル下でフィルタコンデンサが自己発熱する

フィルタコンデンサはリップル電流全体を流し、I_rms²·ESR の項はその電流の二乗に比例して増加します。ESR が 100 mΩ の 10 µF 電解コンデンサは、2 A rms で 0.4 W、10 A rms で 10 W を消費します。

その10Wの出力によって、コア温度は30～50℃上昇する。この熱によって静電容量が変化し、ESRがさらに上昇して、次のサイクルへと繋がる。高PRFで動作するレーザーでは、動作開始から30分以内にドリフトが発生する。

問題点4：バスノイズ結合によるQスイッチ同期ジッター

Qスイッチ同期線は、パワーステージと同じシャーシ内部にある低レベル・高インピーダンスの経路です。この線上のバスノイズにより、±10～50ナノ秒のトリガージッタが発生します。100～300マイクロ秒のフラッシュランプパルスと比較すると、タイミングのずれは小さく見えます。

ポンプエネルギーもそれに伴って変動します。ポンプエネルギーが±1～3%変化すると、レーザー出力も同じように変化し、溶接や切断作業における±2%の安定性基準を満たせなくなります。

4. 設計手順

戦略1：f_cが150kHz以下の2段フィルタを構築する

差動モードLC回路を2段直列接続し、各段のf_cは150kHz以下とする。さらにコモンモードチョークコイルを追加する。セクション2.4のリーク数に合わせてサイズを決定した平衡Yコンデンサペアを追加する。第1段を電源入力に、第2段をチョッパ入力に配置する。

2つのステージはグランドプレーンで分離し、共通のリターンを介して結合しないようにしてください。ラインインピーダンス安定化ネットワークで検証し、全帯域にわたって6dBのマージンを確保してください。

戦略2：すべてのスイッチングノードで低ESLセラミックコンデンサを使用する

IGBTおよびSCR端子に直接接続された、ESLが10 nH以下の並列ネジ端子N4700セラミック部品。PFN充電バスにも同じ部品を追加できます。これらの部品は、バルク部品では対応できない1～100 MHz帯域をカバーします。

トリガー回路とゲート駆動電源の負荷点バイパスとして、HVCT8GおよびHVCT9Gディスクセラミックコンデンサを取り付けてください。これにより、5 pC未満の部分放電によって制御経路へのノイズ混入を防ぐことができます。バイパスループは小さく保ち、コンデンサ端子はデバイス端子から10 mm以内に配置してください。

戦略3：共通モードパスを発生源で管理する

IGBTヒートシンクを絶縁パッドで絶縁し、低インダクタンスのストラップでシャーシに一点固定します。この手順により、コモンモード電流を駆動する50～200pFの結合が低減されます。

同期線とフィードバック線はシールド付きツイストペア線で配線し、シールドはコントローラ側で接地してください。また、100 MHzで100 Ωのフェライトビーズを追加してください。入力電流全体に対応した2～5 mHのコモンモードチョークを使用し、各ユニットのリーク電流を確認してください。

戦略4：DCバスにRC制振ネットワークを追加する

バスに直列接続されたR_damp–C_damp分岐回路を配置し、残留リンギングのエネルギーを吸収します。C_dampはバスのセラミックバイパスの約10倍、R_dampは特性インピーダンス√(L_loop/C_damp)付近に設定します。

分岐回路を調整して、スイッチングオーバーシュートがバス電圧の10%未満になるようにします。次に、デバイス端子で最初のリンギングピークが1サイクル以内に減衰することを確認します。

戦略5：レイアウト、熱経路、検証を同時に設計する

バスコンデンサからスイッチ、ダイオード、そして再びバスコンデンサに戻るまでの電力ループは、できるだけ小さく保ってください。ループインダクタンスが10 nH増加するごとに、スパイクとエミッションが同時に上昇します。コンデンサケースの温度は85℃以下に保ってください。つまり、周囲温度55℃ではΔTが30℃未満になるようにしてください。

誘電体からケース、ヒートシンク、周囲環境までの熱伝導経路を明確に定義する。レイアウト変更のたびに伝導性エミッションを再テストする。バスバイパスに温度モニタを取り付け、ESRの変動が現場での故障となる前に検出できるようにする。

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直流。	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	50mΩ以下でなければなりません。	4端子測定。
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH以下に抑えなければならない。	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試験。
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上。	定格電圧時。

5. DCバスフィルタノード用のHVCコンデンサ

フィルタノードには、1 MHz 以上の周波数で低損失、低パッケージインダクタンス、温度変化に対する安定した静電容量が必要です。HVC は、 N4700 （T3M）中国東莞にある6,000平方メートルの自社工場で、1kVから150kVまでのクラスIセラミックコンデンサを製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 誘電正接は0.1%以下、ESRは100kHzで10mΩ以下。誘電率項はクラスII部品よりも2桁低いため、バイパス回路は低温で動作します。
• ネジ端子接続時における等価直列インダクタンス（ESL）は10 nH未満です。この部品は100 MHzにおいても容量性を維持しており、これはフィルタが動作する周波数帯域であり、鉛入りフィルム部品が誘導性に転じる周波数帯域でもあります。
• 温度係数は0±30 ppm/℃付近です。静電容量のドリフトは-25℃から+125℃の範囲で±0.35%以内に収まるため、レーザーの温度上昇に伴ってカットオフ周波数とバイパスインピーダンスは維持されます。
• 電解液は使用せず、エポキシ樹脂でパッケージ化されています。液体が乾燥しないため、フィルターは長期間のアイドル状態や湿度の高い床下でも、電解槽の劣化の原因となるESRドリフトを起こすことなく動作します。
• 容量整合は±1%以内、部分放電は5pC以下。20～30kVのトリガーパルス下でも、回路は一定のインピーダンスと安定したバイパス状態を維持します。
• 同じフィルターの関連部品には以下が含まれます。 HVR-BSP スナバ抵抗器 減衰分岐と 高速回復ダイオード 整流段用。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、カスタム制振セットは6～10週間で出荷されます。HVCアプリケーションエンジニアリングでは、フィルタカットオフと挿入損失の計算、LISN測定ガイダンス、コモンモードネットワーク設計をサポートします。

バス電圧、スイッチング周波数、電流波形、および目標放射クラスを送信します。HVC は、部品番号、スイッチング周波数での ESR および tanδ データ、 クロスリファレンス Vishay、Murata、TDKの部品との比較、および2つのサンプルキットを5営業日以内にお届けします。

6。 よくある質問

Q1：なぜこの装置は1MHz未満では合格し、10MHz以上では不合格になるのですか？

バイパスコンデンサが誘導性になったためです。ESLが20～50 nHのフィルムまたは電解コンデンサは、7 MHz～15 MHzの周波数帯で自己共振するため、その帯域を超えるとノイズを遮断するのではなく、ノイズを伝達してしまいます。ESLが10 nH未満の低ESLセラミックは、100 MHzを超えても容量性を維持し、その周波数帯での減衰効果を保ちます。

Q2：3kWのレーザー電源には、いくつのLCステージが必要ですか？

原則として2段構成です。f_c = 232 kHzの2極シングルステージでは、1 MHzで25 dB、10 MHzで65 dBのゲインが得られ、79 dBµVのクラスA制限に対してマージンが少なすぎます。f_cが150 kHz未満のステージを2段直列接続し、150 kHzから30 MHzまでのすべての周波数で6 dBのマージンを確保してください。

Q3：バイパス回路を冷却するには、コンデンサの損失正接はどのくらい必要ですか？

誘電正接が0.1%以下であること。1MHzリップル、実効値100Vの4.7nF部品は、tanδ=0.0002の場合、59mWの電力を消費する。tanδ=0.02の同じ部品は5.9Wの​​電力を消費するため、放熱経路が必要となり、寿命が短くなる。

Q4：Y型コンデンサペアはどの程度の漏電を許容できますか？

医療機器の場合は、0.5 mA以下に抑えてください。230 V、50 Hzの電源ラインに2つの4.7 nFのY型コンデンサを接続すると、0.34 mAの電流が流れます。これらを対称に配置し、2～5 mHのコモンモードチョークで残りの減衰を担わせてください。

Q5：減衰分岐はどこに接続しますか？

DCバスのすぐそば、スイッチの近くに設置します。C_dampをセラミックバイパスの約10倍、R_dampを√(L_loop/C_damp)付近に設定し、オーバーシュートがバス電圧の10%以下になるまで調整します。 フィルムコンデンサ この分岐では、デューティ比が低く、実効電流も低いため、正常に動作します。

Q6：認証前にフィルターを検証するにはどうすればよいですか？

150kHz～30MHzの周波数範囲でラインインピーダンス安定化ネットワークを用いて測定し、ピーク値だけでなく全ての周波数を記録します。次に、デバイス端子におけるスイッチングスパイク、リーク電流、およびバイパス部のケース温度を確認します。 HVCT8G ドアノブ スイッチ端子の部品は、そのテストでパッケージインダクタンスが最も低くなります。同期ラインの共振をログに記録します。 サンプリング抵抗器 放電経路において。

7。 リファレンス

1. IEC 60825-1:2014、 レーザー製品の安全性 ― パート1：機器の分類と要件ジュネーブ：IEC、2014年。
2. IEC 61071:2017、 パワーエレクトロニクス用コンデンサジュネーブ：IEC、2017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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10. IEC 61071-2014 規格 Конденсаторы силовые электронные (パワーエレクトロニクス用コンデンサ)。 Москва: Стандартинформ、2014。
11. 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