プラズマ点火制御信号ループの高周波絶縁

プラズマ点火制御信号ループのための高周波絶縁

工学的な回答

100 kV/µs で 20 pF の絶縁バリアが 2 A のコモンモード電流を注入します。50 nH の共有リファレンスパスを介して 3.8 V となり、3.3 V ロジックをラッチします。専用の 2 nH リターンを介して 0.15 V に維持されます。絶縁体は 200 kV/µs の耐性を持つものを指定し、バリア容量のバジェットを設計記録に残してください。

すべてのガルバニック経路の抵抗値を10 MΩ以上に保って、5 kVの電圧で0.5 mA以下の漏洩電流となるようにしてください。
CMTIは200 kV/µs、つまり点火エッジレートの2倍が必要である。
コモンモード電流には、専用の2 nHの帰還経路を設ける。
絶縁型DC-DCコンバータを選択する際は、電力定格ではなく、結合容量に基づいて選択してください。
分離されたモジュールを、明確に定義された1つの結合部を持つスペーサーに取り付けます。
境界を越えて1,000回の過渡的な注入を行い、検証してください。

抽象
点火領域はキロボルトの電圧でナノ秒単位のエッジを持ち、制御領域は3.3Vの電圧でミリボルト単位の信号で動作します。これらの間の経路には必ず損傷が生じます。この記事では、ガルバニック結合、容量結合、磁気結合の式、20pFのバリアが100kV/µsで通過する2Aのコモンモード電流、およびロジック回路の健全性を決定する帰還経路について説明します。

はじめに

プラズマ点火システムは矛盾を孕んでいる。制御エレクトロニクスは点火サブシステムを監視し、制御する必要があるが、両者は導電経路を共有できない。片側はキロボルトの電位でナノ秒単位のエッジを持ち、もう片側は3.3ボルトの電圧でミリボルト単位の信号が測定される。

両者間のあらゆるガルバニック、容量性、または磁気的な経路は破壊をもたらす。点火時の過渡現象は検出線を通って制御入力に伝わり、帰還電流は制御基準に流れ込み、共通の接地によって制御基板は点火エネルギーのコレクターとなる。

不十分な絶縁は、現場で最もよく見られる問題です。沿面距離を長くしたり、絶縁体を厚くしたり、フィルタを大きくしたりしても、経路自体はそのまま残り、症状が移動するだけです。経路自体を設計段階で遮断する必要があり、すべての交差部は点火エッジの周波数成分に対応できるように定格する必要があります。

この記事では、3つの結合メカニズム、絶縁要件を設定する方程式、4つの問題点、および点火電位を制御領域から排除するアーキテクチャについて説明します。

2. コアメカニズム

分離境界の役割はただ一つ、目的の信号を通過させながら、3つの結合機構を遮断することです。各機構には番号が割り当てられており、それぞれの番号が仕様となります。

2.1 ガルバニック伝導

ドメイン間の導電経路（電線、アースストラップ、取り付けボルトなど）はすべて点火電流を直接流します。電流は経路のインピーダンスによってのみ制限されます。

i_fault = V_ign / Z_path

ここで、i_faultは伝導電流（A）、V_ignは点火電位（V）、Z_pathは経路インピーダンス（Ω）です。1 kΩのボンディングに5 kVの電圧をかけると、制御側に5 Aの電流が流れます。一方、10 MΩのバリアに同じ5 kVの電圧をかけると、0.5 mAの漏洩電流が発生し、制御入力はこの電流に耐えます。絶縁要件は、この10 MΩという値から始まります。

2.2 障壁を介した容量結合

すべての絶縁素子には、そのバリアを挟んで寄生容量が存在します。例えば、フォトカプラの結合容量、トランスの巻線間容量、絶縁型DC-DCコンバータの内部容量などです。点火エッジによって電流が流れます。

i_CM = C_barrier · (dV_ign/dt)

ここで、i_CM はコモンモード電流 (A)、C_barrier はバリア容量 (F)、dV_ign/dt は点火エッジレート (V/s) です。20 pF のバリアと 100 kV/µs の点火エッジは 2 A の電流を注入します。信号フィルタは、電流が流れるべき場所が見つかるまでこの電流を処理しないため、アーキテクチャはリターンパスを定義する必要があります。

リターンパスによって損傷の程度が決まります。インダクタンス2 nHの専用リターンパスは6 MHzで0.075 Ωとなるため、2 Aの電流で0.15 Vの電圧が発生します。一方、50 nHの共有リファレンスパスは1.88 Ωとなるため、同じ電流で3.8 Vの電圧が発生し、ロジック回路がラッチされます。どちらの場合も電流は同じですが、リターンパスが異なります。

2.3 交差ループへの磁気結合

電源経路内の点火電流は、境界を横切る信号ループに結合する。

V_coup = M · (di_ign/dt)

ここで、V_coup は結合電圧 (V)、M は相互インダクタンス (H)、di_ign/dt は点火電流勾配 (A/s) です。ループ面積 0.005 m² を形成する撚り合わせていないペアは 0.02 µH を拾い、100 A/µs のエッジによって 2 V に変換されます。ペアを撚り合わせて面積を 0.0005 m² に閉じると、0.2 V に減少します。

2.4 免疫要件

アイソレータの性能指標はコモンモード過渡耐性であり、点火エッジによってその要件が定められます。

CMTI_required > V_ign_max / t_edge_min

ここで、CMTI_requiredはV/s単位の耐性、V_ign_maxはV単位の最高点火電位、t_edge_minはs単位の最短エッジです。5 kVの点火エッジが50 nsの場合、100 kV/µsが要求され、その2倍の値の設計ルールでは仕様が200 kV/µsに設定されます。多くのアイソレータはこの数値に達しておらず、データシートだけではそれを証明することはできません。

あと3つの数値を加えると、バリア設計が完成します。バリアネットワークの特性インピーダンスは以下のとおりです。

Z_loop = 31.6 · √(L[nH] / C[pF])

ここで、Z_loopはインピーダンス（Ω）、Lは漏れインダクタンス（nH）、Cはバリア容量（pF）です。500 nHのトランス漏れと20 pFの容量では158 Ωとなり、この値によってバリアが過渡現象をどのように分割するかが決まります。結合エネルギーを終端するフィルタは、次の周波数で自己共振します。

f_r [MHz] = 5033 / √(L[nH] · C[pF])

ここで、f_r は共振周波数 (MHz) です。500 nH のチョークコイルと 470 pF のフィルタ部品を組み合わせると 10.4 MHz となり、このペアは点火エッジバンド全体にわたって有効性を維持します。最後に、絶縁レールへの電流ダンプは次のようになります。

ΔV = I · Δt / C

ここで、ΔVはkV単位のレールシフト、IはA単位の電流、Δtはμs単位のパルス持続時間、CはnF単位の静電容量です。アンペア、マイクロ秒、ナノファラッドはキロボルトに相当するため、50 nsにわたって2 Aの電流を100 nFの局所静電容量に流すと、レールは0.001 kV、つまり1 Vだけシフトします。3.3 Vのロジックレールに対して1 Vのシフトが生じるため、局所静電容量が必要となります。

図1 — 100 kV/µsの20 pFのバリアが2 Aのコモンモード電流を注入し、帰還経路によってロジックにおける電圧が3.8 Vになるか0.15 Vになるかが決まります。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：絶縁体が電圧定格のみに基づいて選定されている

オプトカプラやデジタルアイソレータは絶縁耐圧に基づいて選定されますが、点火回路の真の負荷はエッジレートとそれが駆動するコモンモード電流です。耐電圧は十分でも過渡耐性が低すぎる部品では、過渡現象がそのまま通過してしまいます。

問題点2：隠れた経路としての孤立したDC-DC

絶縁側を駆動するコンバータは、バリアを挟んで独自の結合容量を有している。点火エッジによって電流がコンバータを通って制御側に流れ込み、絶縁を目的としていた電源が、装置内で最大の結合経路となってしまう。

問題点3：マウントによりグランドループが回復

絶縁されたモジュールが共通のシャーシにボルトで固定されると、絶縁によって遮断されるはずだった導電経路がボルトによって再び形成されてしまう。ループはすべての症状を伴って再発し、回路図は依然として正しく見える。

問題点4：孤立を迂回させるフィルタリング

交差部にあるフィルタコンデンサは、制御グランドを基準としています。その帰還線が長かったり、感度の高い回路と共有されていたりすると、フィルタ処理された電流が感度の高い基準グランドを流れてしまい、フィルタはノイズを除去するのではなく、ノイズを移動させてしまうことになります。

4. 設計手順

戦略1：一時的な免疫による隔離を特定する

境界を越えるすべての要素について、少なくとも最悪ケースのエッジレートの2倍以上のコモンモード過渡耐性を要求し、実回路で検証する必要があります。5 kVのエッジが50 nsの場合、これは200 kV/µsを意味し、データシートの記述はテストの代わりにはなりません。

戦略2：障壁容量を合計する

絶縁体、DC-DCコンバータ、カップリングトランスなど、すべての交差部分のバリア容量を合計します。次に、全コモンモード電流に対して専用の低インダクタンスのリターン回路を設け、そのリターン回路を敏感な回路から離れた場所に配線します。2 nHのリターン回路はレイアウト上の特徴であり、部品ではありません。

戦略3：低容量コンバータを使用して絶縁側を給電する

結合容量とコモンモード特性に基づいて絶縁電源を選択し、容量が大きい場合は出力にコモンモードチョークを接続してください。HVC セラミックディスクコンデンサ 2 Aのダンプ電流を1 Vのレールシフトまで保持するローカル100 nFを提供します。

戦略4：分離されたモジュールの結合を制御する

絶縁されたモジュールを絶縁スペーサーに取り付け、絶縁されたグランドと制御グランドの間に単一の接続を定義します。この単一の接続は、既知のインピーダンスを持つ意図的な設計要素であり、取り付け金具によって誤って2つ目の経路が形成されることはありません。

戦略5：各交差点でフィルタリングする

交差点自体にフィルタネットワークを追加し、グレード別抵抗器分圧器と結合エネルギーを終端する容量を設定する。フィルタのリターンは感度の高い基準信号とは分離し、フィルタの自己共振を点火エッジバンドと比較して確認する。

戦略6：注入によって境界を限定する

機械が通電状態の状態で、バリアに最悪の点火エッジを印加し、制御側のすべての信号を監視してください。1,000回の注入にわたって、ロジックエラー、ラッチアップ、および設計されたリターンパス内のコモンモード電流がすべてゼロであることを要求します。症状を観察するのではなく、リターン周辺の電流プローブを使用してコモンモード電流を測定してください。

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	25°C
ループインダクタンス（E40コード）	< 8nH	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	定格電圧で

5. このノード用のHVCコンデンサ

絶縁境界のコンデンサ側は、点火周波数においてコンデンサのように動作する必要があります。HVC部品は、この動作を実現します。

±30 ppm/℃以内のドリフトであれば、クロスフィルターは機械の熱的範囲全体にわたって設計どおりに動作します。
tanδが0.1%以下であれば、結合されたコモンモードエネルギーはフィルター内で循環するのではなく散逸する。
1kVから100kVまでの定格は、点火側フィルタリングと低電圧交差の両方をカバーしています。
部分放電は5 pC以下に抑えられているため、フィルタ部とカップリング部は境界に放電ノイズを付加しない。
コンパクトなパッケージにより、フィルター自体のESL（等価直列長）が小さく抑えられ、点火端周波数における効果を維持できる。
そのフィルムコンデンサレンジおよび4.7 nFのディスク部品は、高電圧システムで動作し、高電圧電力と精密制御の境界は部品レベルで設計されています。

配送とサポート をカバークロスリファレンス現在使用しているフィルタリングおよびカップリング部品に対する、納入ロットの100MHzまでの測定インピーダンスデータ、注入テスト用サンプル、バリアレイアウトおよびリターンパスルーティングに関するアプリケーションサポート。点火エッジレート、各要素のバリア容量、ロジック電源電圧、およびドアノブコンデンサ点火側で使用されます。

6。よくある質問

Q1：アイソレーターにはどのようなコモンモード耐性が必要ですか？

最悪の場合の点火エッジレートの2倍。5 kVのエッジで50 nsの場合、100 kV/µsとなるため、200 kV/µsを指定し、実際の基板で確認してください。データシートの数値は、レイアウトの異なるテスト基板で測定されたものです。

Q2：100 kV/µsの条件下で、20 pFのバリアが問題となるのはなぜですか？

バリアコンデンサには2Aの電流が流れるため、その電流はどこかに戻る必要があり、その戻り経路のインピーダンスによって電圧が決まります。0.075Ωの場合は0.15V、1.88Ωの場合は3.8Vとなり、ロジック回路がラッチされます。

Q3：どの程度のガルバニック漏洩が許容されますか？

経路の抵抗値を10 MΩ以上に保てば、5 kVのリーク電圧が0.5 mA未満で済みます。一方、取り付けボルトのような1 kΩのボンディングでは、5 Aの電流が流れてしまいます。

Q4：フィルタコンデンサはどこに配置すべきですか？

交差点では、信号リターンは高感度基準信号から分離されています。信号基準信号とリターンを共有するフィルタコンデンサは、ノイズを除去するのではなく、基準信号に移動させてしまいます。

Q5：マウント時にループが復元されないようにするにはどうすればよいですか？

絶縁スペーサーを使用して、絶縁グランドと制御グランドの間に1つの接続部を定義します。この接続部は設計上コモンモード電流を流すため、ハードウェアによって2つ目の経路が追加されることはありません。

Q6：注射試験は何を測定するのですか？

論理応答とコモンモード電流の両方を測定します。設計されたリターンパスの周囲に電流プローブを配置し、最悪のエッジを1,000回印加し、そのパス内のすべての電流において論理エラーがゼロであることを要求します。

7。リファレンス

IEC 60384-1:2021、 電子機器用固定コンデンサ - パート1：一般仕様第6版。ジュネーブ：IEC、2021年。
Kuffel, E.、Zaengl, WS、および Kuffel, J.、 高電圧工学：基礎第2版。オックスフォード：ニューンズ、2000年。
N. モハン、TM アンダーランド、WP ロビンス、 パワーエレクトロニクス：コンバータ、応用、設計、第3版。ホーボーケン：ワイリー、2003年。
MIL-HDBK-217F 通知 2、 電子機器の信頼性予測ワシントンDC：米国国防総省、1995年。
IEC 61010-1:2010+AMD1:2016 CSV, 計測、制御、実験用電気機器の安全要件 – パート1：一般要件、第3.1版。ジュネーブ：国際電気標準会議、2017年。
IEC 61000-4-4：2012、 電磁両立性（EMC）– パート4-4：試験および測定技術– 電気的高速過渡現象/バースト耐性試験、第3.0版。ジュネーブ：国際電気標準会議、2012年。
UL 810、 コンデンサの安全規格第6版。ノースブルック：UL規格・エンゲージメント、2019年。
AM ガウダ、A. エル・ハグ、TK アブデル・ガリル、MMA サラマ、R. バルトニカス、 ノイズ環境下における部分放電信号のオンライン検出および測定、IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation、vol. 15、no. 4、pp. 1162-1173、2008年。https://doi.org/10.1109/tdei.2008.4591239。
US 8,570,711、 多層セラミック電子部品 (1～5 kV MLCC のアーク放電抑制)、サムスン電機株式会社、2013 年特許取得、https://www.freepatentsonline.com/8570711.html。
AN2001_06 — IGBTの直列接続, Infineon Technologies, AN2001_06, http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN2001_06_Series_connection_of_IGBTs-AN-v1.0-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b40f000d12f7 .
セラミックコンデンサーの利用 3 kV (C0G/NP0 vs X7R/Y5S の安定性に関する議論)、Forum Retrotechnique、https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 。
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

このアプリケーションには、検証済みのコンポーネントが必要ですか？

電圧、静電容量、周波数、取付図、数量をお送りください。HVCは最適な製品をご提案し、サンプルをご提供いたします。

部品表の送信／技術見積もりの依頼 →

プラズマ点火制御信号ループのための高周波絶縁

プラズマ点火制御信号ループのための高周波絶縁