磁気パルス圧縮段におけるダイオードのソフトネス係数

磁気パルス圧縮段におけるダイオードのソフトネス係数

抽象

磁気パルス圧縮段では、高速回復ダイオードが電流反転を阻止し、過渡現象を抑制します。このダイオードに蓄積された電荷によって、結合コンデンサが吸収するストレス量が決まります。ハードリカバリダイオードが瞬時にオフになり、4kVのスパイク電圧と50%のリンギングをループに注入します。このスパイク電圧は、10MHz以上の周波数で誘電体を励起します。この周波数帯では、部分放電開始電圧が直流よりも低いため、ショットごとに損傷が蓄積されます。

はじめに

磁気パルス圧縮段では、結合コンデンサが充電される間、飽和スイッチによって電荷経路が遮断され、その後コンデンサが飽和してパルスが次の段に渡される。高速回復ダイオードは、スイッチングダイオードと逆直列、または結合コンデンサと並列に接続される。

このダイオードは電流の反転を防ぎ、電圧の過渡現象を抑制し、磁気スイッチの逆電流からコンデンサを保護します。その回復特性によって、この段がパルスをどれだけ圧縮できるかが決まります。

ダイオードの特性において重要なのは、回復時間trr、蓄積電荷Qrr、およびソフトネス係数の3つの数値です。ハードリカバリーダイオードは、スイッチングの瞬間にコンデンサに鋭い電流スパイクを注入します。

このスパイクは100V/nsを超える傾斜を持ち、設計動作電圧を10～20%上回る電圧オーバーシュートを生じます。6kHzで繰り返されるこのストレスにより、誘電体に部分放電による侵食が蓄積され、部品の寿命が桁違いに短くなります。

2. コアメカニズム

2.1 蓄積電荷とピーク回復電流

ダイオードが順方向導通から逆方向バイアスに移行する際、接合部が遮断される前に蓄積された少数電荷を掃き出す必要があります。ピーク回復電流は、電荷量と回復時間によって変化します。

I_rr_peak = 2 × Qrr / trr

ここで、I_rr_peakは逆方向のピーク電流（アンペア）、Qrrは蓄積電荷（クーロン）、trrは逆回復時間（秒）です。

蓄積電荷が5 µCで回復時間が30 nsの場合、ピーク電流は333 Aです。コスト最適化されたダイオードでは、蓄積電荷が20 µCで回復時間が100 nsの場合、400 Aに達します。

回復電流は、ピークまで上昇し、その後ゼロまで下降する三角形の形状をしています。ループインダクタンスに発生する電圧の大きさは、ピーク値ではなく、下降率によって決まります。

2.2 コンデンサにかかる電圧スパイク

回復電流は結合コンデンサとローカルループを流れ、2つの部分からなる過渡電圧を発生させる。

ΔV = I_rr_peak × ESR + L_loop × dI_rr/dt

ここで、ΔVは過渡電圧（ボルト）、I_rr_peakはピーク回復電流（アンペア）、ESRはコンデンサの直列抵抗（オーム）、L_loopはループインダクタンス（ヘンリー）、dI_rr/dtは電流勾配（アンペア/秒）です。

抵抗項は小さいままです。10 mΩ を 333 A で通過すると 3.3 V になります。誘導項が支配的です。ダイオードとコンデンサの周囲に 60 nH のループがあり、回復時間が 5 ns だとすると、60×10^-9 × 333 / 5×10^-9、つまり 4.0 kV が発生します。

定格電圧の95%で保持されている30kVのコンデンサに4.0kVの電圧スパイクが発生すると、誘電体の電圧は32.5kVまで上昇します。これが、スイッチングサイクルで部分放電を開始させる過渡現象です。

2.3 柔らかさの係数とスパイクの形状

軟化係数は、回復電流がどのように減衰するかを表します。

SR = trr_2 / trr_1

ここで、SRはソフトネス係数、trr_1は現在のゼロ交差から逆ピークまでの時間（秒）、trr_2はピークからゼロに戻るまでの時間（秒）です。

SRが0.3未満のハードダイオードは、電荷を短時間で除去するため、ループは急峻な傾斜を示す。一方、SRが0.5を超えるソフトダイオードは、電荷除去をより長い時間にわたって分散させ、ループ内の減衰によって吸収される。

5 µC と 30 ns の固定値の場合、スパイクは ΔV = L × I_rr_peak × (1 + 1/SR) / trr に従います。SR が 0.2 の場合、これは 4.0 kV になります。SR が 0.5 の場合、これは 2.0 kV になります。SR が 1.0 の場合、これは 1.33 kV になります。

この強いスパイクは、ループインダクタンスと結合容量間のループ共振も励起します。この共振は最初のオーバーシュートに50%加算されるため、4.0kVのスパイクがコンデンサ端子で6kVになります。

2.4 コンデンサ端子における傾斜

回復電流は結合容量を直接充電するため、端子における電圧勾配は電流に追従する。

dV/dt_cap = I_rr_peak / C_coupling

ここで、dV/dt_cap はコンデンサ端子における傾き（ボルト/秒）、I_rr_peak はピーク回復電流（アンペア）、C_coupling は結合容量（ファラッド）です。

3 nFの容量に333 Aを流した場合、傾きは111 V/nsです。400 Aのハードリカバリダイオードを使用すると、傾きは133 V/nsに上昇します。10 MHzを超える周波数では、空間電荷がサイクル間で再分布する時間がないため、誘電体の部分放電開始電圧は直流よりも低くなります。

2.5 コンデンサにおけるエネルギー回収

回復電流はコンデンサESRにも熱を蓄積する。1つの三角波パルスにおけるエネルギーは次のようになる。

E_rr = I_rr_peak² × ESR × trr / 3

ここで、E_rrは回復あたりのエネルギー（ジュール）、I_rr_peakはピーク電流（アンペア）、ESRは回復周波数における直列抵抗（オーム）、trrは回復時間（秒）である。

400 A、100 ns、回復周波数におけるESRが50 mΩの場合、1ショットあたり267 µJのエネルギーが蓄積されます。6 kHzでは、これは部品内部で1.6 Wの熱量に相当しますが、既存の熱計算ではこの熱量は考慮されていません。

2.6 接合部温度による蓄積電荷のドリフト

少数キャリアの寿命は温度の上昇とともに長くなるため、蓄積される電荷​​量も増加する。

Qrr(Tj) = Qrr_25 × (1 + 0.01 × ΔTj)

ここで、Qrr(Tj)は動作接合部温度における蓄積電荷（クーロン）、Qrr_25は25℃における値（クーロン）、ΔTjは25℃を超える接合部温度の上昇（ケルビン）である。

温度が40K上昇すると、蓄積電荷が40%増加し、それに伴って回復電流も増加します。そのため、動作温度におけるコンデンサのストレスは、試運転時の測定値よりも大きくなり、その変化は現場で数ヶ月経過してから初めて現れます。

図1 — 60 nHのループは、333 Aの回復電流を、ソフトネス0.2で4.0 kV、0.5で2.0 kVのスパイクに変換し、3 kVの過電圧制限に対抗します。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：定格値のみに基づいてダイオードを選定する

コスト最適化設計では、多くの場合、電圧と電流の定格に基づいて高速リカバリダイオードを選定し、trrやQrrの仕様は考慮しません。例えば、trrが100 ns、Qrrが20 µCの部品は、100 nsの間、400 Aのリカバリ電流を供給します。

コンデンサの端子間における傾斜は133V/nsである。直流定格で製造された部品が数千時間以内に故障し、報告書にはランダムな品質欠陥が記載されている。

問題点２：ハードな回復によるループリンギング

急激な回復スパイクによって、ループインダクタンスと結合容量間の共振が励起される。リンギングは初期オーバーシュートの50%増に達する。

すると、コンデンサはショットごとに設計動作電圧の15%～25%増しの電圧を吸収する。このリンギングはトリガー回路に伝わり、ステージのスイッチングタイミングをずらす。

問題点３：温度上昇に伴い蓄積電荷が増加する

Qrrは接合部温度の上昇に伴い、6kHzにおける室温値より20%～50%上昇する。したがって、動作温度における回復電流は、試運転時に測定された値よりも大きくなる。

コンデンサにかかるストレスはそれに応じて増大する。設計段階ではその変化は見過ごされ、数ヶ月の稼働後に故障が発生する。

問題点4：熱設計外の回復加熱

回復電流はコンデンサESRを流れ、回復周波数ではESRは直流値の数倍になります。400A、100ns、50mΩの負荷において、1ショットあたりのエネルギーは267µJです。

6kHzでは、これは1.6Wの連続的な発熱量に相当します。これは熱計算には含まれておらず、誘電体の熱劣化を加速させます。

4. 設計手順

戦略1：trr、Qrr、およびソフトネス係数を指定する

選択する 高速回復ダイオード 逆回復時間が35ナノ秒以下、蓄積電荷が5マイクロキャパシティ以下、ソフトネス係数が0.5以上であること。これらの3つの数値によって、回復電流と端子勾配が誘電体の許容範囲内に収まります。

trrとQrrは、動作接合部温度で測定してください。室温におけるデータシートの数値は、密閉型モジュールが到達する温度において、蓄積電荷を20%～50%過小評価しています。

戦略2：回復時の過渡現象を抑制する

0.5Ωを2Ωに追加する 厚膜抵抗器 ピーク回復電流を制限し、そのエネルギーの一部を吸収するために、カップリングコンデンサと直列に接続します。抵抗器はESLを10 nH未満に維持する必要があります。そうでない場合、ループインダクタンスが増加し、スパイクが発生します。

試作品において、最大電圧での減衰特性を確認してください。次に、蓄積電荷が増加した動作接合部温度で再度確認してください。

戦略3：回復ストレス用のカップリングコンデンサを選択する

選択する N4700 DFが0.1%未満、DCにおけるESRが10mΩ未満の部品を選び、回復周波数でESRを再度測定し、その値を損失計算に使用します。部分放電は5pC以下に指定し、誘電体が放電を開始することなく傾斜を吸収するようにします。

温度係数を±30 ppm/℃に維持してください。温度によって変化する結合容量は、ループ共振周波数を移動させ、ひいてはリンギング振幅を変化させます。これが、問題点2のメカニズムです。

戦略4：ダイオードにスナバ回路を追加する

ダイオードの両端に低インダクタンスのRCスナバ回路を接続し、回復エネルギーを吸収してコンデンサにおける傾斜を制限します。スナバコンデンサの容量はダイオードの接合容量の少なくとも10倍とし、スナバ抵抗はループインピーダンスに整合させます。

スナバ回路とカップリングコンデンサには同じ誘電体クラスを使用することで、両方の部品が同じ劣化曲線に沿って劣化し、ステージの経年劣化に関わらずスナバ回路が正常に動作し続けることができます。

戦略5：回復を波形モデルに組み込む

回路シミュレーションにtrr、Qrr、およびソフトネス係数を入力し、回復過渡応答とコンデンサにおける傾きを予測します。予測値と測定値を比較し、その差をモデル化されていないループインダクタンスとQrrの温度ドリフトの合計として扱います。

シミュレーションによる傾きが部品の定格限界値より少なくとも20%低くなるまで、ダイオードとコンデンサの選択を繰り返します。 フィルムコンデンサ セラミック部品はそのような限界値を持つことは稀なので、選択を確定する前に両方を試してみるのが良いでしょう。

戦略6：ダイオードの温度とコンデンサのESRを監視する

この故障モードの最も初期の兆候として、ダイオードのケース温度とコンデンサのESRを追跡してください。ダイオード温度の上昇は、Qrrの増加と回復過渡現象の増大を意味し、コンデンサのESRの上昇は、これらの過渡現象による累積的な疲労を意味します。

メンテナンスのトリガーを、いずれかのパラメータについて試運転時の基準値から20%の偏差に設定し、低インダクタンスのサンプリング抵抗器を使用して、パルスごとの測定を再現可能にする。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
繰り返しピーク逆電圧	10 kV VRRM	2CLシリーズ、25℃
平均順電流	0.8 A IF(AV)	矩形波、Tcは85℃以下
順方向サージ電流	100msで8.3A	単一サージ、IFSM
逆回復時間	1 µs未満 trr	ソフトリカバリーグレード
接合容量	標準値：25 pF	VR = 4 kV、1 MHz
動作温度	−55℃～+125℃	Tj最大値
リーク電流	VRRMで5mA未満	25℃、定格値

5. 磁気パルス圧縮用HVC N4700コンデンサ

このノードでの選択を左右する要件は4つあります。回復電流による発熱が最小限に抑えられるほどESRが十分に低いこと、端子傾斜が111V/nsとなるほど部分放電が十分に低いこと、ループ共振が移動しないほど容量が十分に安定していること、そしてコンデンサがスパイクを発生させるループに寄与しないほどESLが十分に低いことです。HVCは、東莞にある6,000m²の自社工場で、1kVから150kVまでの電圧範囲に対応する製品を製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• DCにおけるDFが0.1%未満、ESRが10mΩ未満であれば、誘電体が放出しなければならない回復エネルギーは1ショットあたり267µJに減少します。
• 5 pC以下の100%部分放電試験は、3 nFに333 Aを印加したときに端子に加わる111 V/nsの傾斜をカバーします。
• ±30 ppm/℃の温度係数により、結合容量、ひいてはループ共振が一定に保たれるため、リンギング振幅は予測可能な値に維持される。
• HVCT8GパッケージからのESLは30 nH以下で、 ドアノブコンデンサ 回復電流を電圧に変換する60nHループにおけるコンデンサの占有率を制限する。
• HVRGXP ESLが10 nH未満のダンピング抵抗器が回復時の過渡現象を吸収し、trrが25 nsから35 ns、SRが0.5以上のソフトリカバリ高速ダイオードが、このステージを1つの認定セットとして完成させる。
• 40 kVまでのネジ端子ボディは、光源現場修理プログラムにおいて日本の村田製作所製ネジ式コンデンサの代替品として認定されています。HVC部品は、 村田TDKおよびVishayの高電圧シリーズ。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、適合圧縮セットは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部門は、ダイオード特性評価、回路シミュレーション、ダンピングおよびスナバ設計レビューをサポートします。

ダイオードのQrrとtrr、ループインダクタンス、結合容量、動作電圧、繰り返し周波数をお送りください。HVCは、回復周波数におけるESR値、ダンピング抵抗値、スナバ回路の提案、および2つのサンプルからなる評価キットを5営業日以内に返送します。

6。 よくある質問

Q1：ハードリカバリダイオードはどの程度のスパイクを発生させますか？

SR 0.2、蓄積電荷5 µC、回復時間30 nsの場合、ループインダクタンスはΔV = I_rr_peak × ESR + L_loop × dI_rr/dtから4.0 kVを発生させます。ループリンギングが50%加算され、コンデンサに6 kVの電圧がかかります。SR 0.5のソフトダイオードにより、最初のスパイクは2.0 kVに低減されます。

Q2：なぜ、trrよりも柔らかさの要素が重要なのでしょうか？

降下速度によって誘導項が決まるからです。電荷と回復時間が一定の場合、スパイクは L × I_rr_peak × (1 + 1/SR) / trr に比例します。したがって、他の条件がすべて同じであれば、SR 0.2 で 4.0 kV、SR 0.5 で 2.0 kV となります。trr が長く、スナップが硬いダイオードは、短くて柔らかい部品よりも大きなスパイクを生成する可能性があります。

Q3：コンデンサ端子における傾斜の大きさはどれくらいですか？

dV/dt_cap = I_rr_peak / C_coupling。3 nF に 333 A を流すと 111 V/ns となり、400 A のハードリカバリダイオードを使用すると 133 V/ns になります。10 MHz を超えると、誘電体の部分放電開始電圧は DC よりも低くなるため、傾斜が侵食を駆動し、ピーク電圧は駆動しません。

Q4：回復過程でどれくらいの熱が発生しますか？

E_rr = I_rr_peak² × ESR × trr / 3。回復周波数で 400 A、100 ns、50 mΩ の場合、1 回のショットで 267 µJ が蓄積され、6 kHz のパルス列で 1.6 W が蓄積されます。この負荷は、メイン パルスのみから構築された熱計算の範囲外にあります。

Q5：なぜ蓄積電荷を温度で測定するのですか？

少数キャリアの寿命は温度の上昇とともに増加するため、Qrr(Tj) = Qrr_25 × (1 + 0.01 × ΔTj) となります。40 K の温度上昇は、蓄積電荷と回復電流を 40% 増加させます。したがって、25 °C で取得したデータシートの数値は、密閉型モジュール内のコンデンサにかかるストレスを過小評価していることになります。

Q6：コンデンサーを保護する最も安価な方法は？

0.5Ω～2Ωの直列ダンピング抵抗（ESL10nH未満）と、SR0.5以上のソフトリカバリダイオードを直列に接続します。ダイオードの接合容量の少なくとも10倍の容量を持つコンデンサを備えたRCスナバ回路をダイオードの並列に接続することで、残りの電圧を吸収します。これらを組み合わせることで、30kV定格において、スパイク電圧を3kVの過電圧ライン以下に抑えることができます。

7。 リファレンス

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