プラズマアーク電流フィードバックループにおけるコモンモードノイズ制御

プラズマアーク電流フィードバックループにおけるコモンモードノイズ制御

抽象

アーク電流は切断幅、切断速度、ノズル寿命を決定するため、それを測定するループは25kVの点火環境下で0.1%の精度を維持する必要があります。コモンモード電圧はセンスリードの不均衡によって誤った差動値に変換され、アンプの除去比はノイズが発生する箇所で正確に低下します。この記事では、誤差予算を項目ごとに構築し、4つの課題、6つの設計手順、およびループを維持するコンデンサパラメータを示します。

はじめに

電流フィードバックループはアーク電流を測定し、インバータにその値を設定値に維持するよう指令する。切断幅制御においては、定常状態の精度が0.1%に達する必要があり、また、このループは貫通時やコーナリング時の過渡現象にも耐えなければならない。

この回路は、シャント抵抗、増幅器、変換器、制御アルゴリズムというシンプルな構成で構成されている。プラズマカッター内部では、産業用電子機器の中でも最も過酷な電磁環境の一つの中で動作する。

点火段では20～25kVの振動が発生し、主スイッチでは100～400Aの電流が切り替えられ、プラズマ柱自体は可変負荷として機能し、測定電流を1～100kHzの周波数で変調します。これらの各要素は、両方の検出リードにコモンモード電圧を注入します。

コモンモードノイズは、差動増幅器が単独では克服できない唯一の脅威です。非対称性によって差動誤差に変換され、増幅器の除去比が限界に達する領域で広帯域にわたって発生します。この記事では、250μΩのシャント抵抗を用いた200Aのアーク放電について解説します。

2. コアメカニズム

2.1 アーク電流から許容誤差まで

検出電圧と許容誤差は、シャント抵抗と精度目標値から導き出される。

V_err ≤ R_shunt · I_arc · (ΔI/I)

ここで、V_errは許容誤差電圧、R_shuntはシャント抵抗、I_arcはアーク電流、ΔI/Iは相対精度目標値です。250 µΩの抵抗に200 Aの電流が流れる場合、センス信号は50 mVとなり、0.1%の目標値では50 µVが許容されます。この値が設計上の制約条件全体となります。

2.2 不均衡項が支配的

2本のセンスリード線は寄生容量が全く同じになることはなく、その差によってコモンモード電圧が差動信号に変換される。

V_err,imb = V_cm · 2πf · ΔC · R_src

ここで、V_cm はアンプ入力におけるコモンモード電圧、ΔC は 2 つのリード間の静電容量差、R_src はセンスソース抵抗です。コモンモードが 10 V、不平衡が 0.2 pF、抵抗が 100 Ω、周波数が 100 kHz の場合、誤差は 125.7 µV に達し、これは許容値全体の 2.5 倍になります。この項はレイアウト特性であるため、部品の選択ではなく形状によって決まります。

2.3 コモンモードチョークがもたらすもの

チョークコイルはコモンモードソースインピーダンスを上昇させ、アンプ入力に到達する電圧を低下させる。

V_cm' = V_cm · R_src / (R_src + 2πf · L_cm)

ここで、V_cm' はチョーク後のコモンモード電圧、L_cm はチョークのインダクタンスです。1.6 mH のチョークは 100 Ω のソースに対して 100 kHz で 1005 Ω を示すため、アンプでのコモンモード電圧は 0.91 V に低下します。同じ 0.2 pF の不平衡は、125.7 µV ではなく 11.4 µV を生成します。

2.4 増幅器項と差動フィルタ

増幅器は残りの信号を除去する必要があり、その除去率は周波数とともに低下する。

V_err,amp = V_cm' / 10^(CMRR/20)

ここで、V_err,amp はアンプの寄与、CMRR はアンプの除去比 (dB) です。精密部品は DC で 120 dB、100 kHz で 80 ～ 100 dB を謳っていますが、この項は表のページから読み取るのではなく、動作周波数で計算する必要があります。残留コモンモードが 0.91 V の 100 dB では、寄与は 9.1 µV です。この 2 つの項を合計すると 20.5 µV となり、許容値の 41% になります。

f_c = 1 / (2π · R_s · C_diff)

ここで、f_c は差動フィルタのコーナー周波数、R_s は直列抵抗、C_diff は差動容量です。10 Ω の抵抗器と 100 nF のクラス I セラミックを組み合わせると 159 kHz が得られ、これは制御帯域を通過し、それより上の周波数帯域を遮断します。セラミックはクラス I でなければなりません。容量が 15% 変化すると、コーナー周波数と遮断周波数が一緒に移動してしまうためです。

図1 — チョークがない場合、不平衡変換された誤差は40kHzで50µVを超えますが、1.6mHのチョークを使用すると、帯域全体で11.4µV付近に抑えられます。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：アンプのノイズ除去性能が、ノイズが存在する場所で低下する

高精度アンプは、直流で120dB、100kHzで通常60～80dBの減衰量を謳っています。点火帯域はこの減衰量の崩壊と一致するため、ループは最もエネルギーの高い周波数で保護が最も弱くなります。

問題点2：センスリードの非対称性によりコモンモードがエラーに変換される

配線長、ビア数、接地クリアランスの不均一性により、0.5～2 pFの静電容量の不均衡が生じます。100 kHzで100 Ωのソース抵抗と10 Vのコモンモード電圧の場合、この不均衡だけで314～1257 µVの電圧降下が発生し、これは許容値の6～25倍であり、許容値のごく一部ではありません。

問題点３：シャント基準がスイッチノードと共に移動する

シャント抵抗は電源ループ内に設置されており、その基準電圧は整流時に数ボルト変動する。この動的なコモンモード電圧は、50mVの検出信号の数百倍にもなるため、電源ループは測定対象の2桁も大きな外乱を除去する必要がある。

問題点4：クラスII差動フィルターがソリューションから外れてしまう

X7R差動フィルターは、温度とバイアスによってコーナーが15%変化します。点火バンドにおける除去率は変化に伴って低下し、電流制御は目に見える原因もなく悪化しますが、部品の故障がないためアラームは鳴りません。

4. 設計手順

戦略1：サブピコファラド精度でセンシング経路のバランスを取る

2本のセンスリード線を、同一の形状、鏡像対称のビア、および整合したクリアランスを持つ、密接に結合されたペアとして配線します。差動プローブを使用して不均衡を確認し、静電容量の差が0.2 pF以下になるまで調整します。

戦略2：独自のセンスグランドを備えた4線式ケルビン接続を使用する

シャント検出端子を、専用の検出グランドを基準としたツイストペア線として、スターポイントに接続してください。この基準を電源リターン線や、アンプ入力への整流ステップリターン線と共有しないでください。

戦略3：コモンモードチョークを最低次高調波に合わせてサイズ調整する

最低点火高調波におけるチョークのインピーダンスが電源抵抗を十分に上回るようにインダクタンスを選択してください。20 kHz では 4 mH 以上、100 kHz では 1.6 mH のチョークでも 100 Ω に対して 1005 Ω となります。

戦略4：コンバータに差動クラスIフィルタを追加する

コンバータの前に、10 Ω と 100 nF の 2 段フィルタと 10 Ω と 10 nF の 2 段フィルタを配置します。 N4700 全体を通して各部が良好です。159 kHz コーナーは制御帯域を通過し、100 kHz で 40 dB 以上になります。

戦略5：残留コモンモードをデジタル的に減算する

2番目のコンバータチャネルでコモンモードノードをサンプリングし、ファームウェアでスケーリングされた残差を差し引きます。12ビットの分解能で最後の20～30dBを除去しますが、両方のチャネルが同時にサンプリングする必要があります。

戦略6：システムレベルでの注入テストで検証する

機械が切削加工を行っている間、検出リードに20Vのコモンモード電圧を10kHzから10MHzまで掃引して印加します。測定された電流誤差を記録し、あらゆる周波数、あらゆる温度範囲において、誤差が0.1%未満であることを要求します。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
シャント抵抗	250 µΩ	200 Aアーク、50 mVセンス信号
許容されるエラー	50 µV	規制目標0.1％
感覚先行不均衡	0.2 pF以下	差動プローブ検証
コモンモードチョーク	1.6 mH	100kHzで1kΩ
残留コモンモード	0.91 V	100kHzのチョークの後
差動フィルタコーナー	159kHz	10 Ω、100 nF、クラスI
ループエラーの合計	20.5 µV、許容値の41%	100 kHz、25 °C
温度係数	±30ppm /°C	−40℃～+125℃
誘電正接	0.1％以下	1 MHz、1 V rms
部分放電	5 pC以下	定格電圧で

5. フィードバックフィルタ用のHVCコンデンサ

差動フィルタは、そのコーナーが満たされている場合にのみ、計算誤差を測定値に変換します。HVCは、東莞にある自社工場で、1kVから100kVまでのクラスIセラミックコンデンサをこの用途向けに製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 安定したフィルタコーナー。±30 ppm/℃の温度係数により、159 kHzのコーナーは、コールドスタートからホットスタートまで5%以内に収まるため、ループ精度はマシン出荷時にすでに確保されています。
• 検出経路における損失が低い。0.1%未満の損失率により、フィルタの熱特性が安定し、温度依存性の抵抗が測定結果に影響しない。
• センシングと電源供給を一つの製品ファミリーで実現。1kVから100kVまでの定格電圧に対応し、低電圧差動フィルタと点火段のkVスナバを一つの認証ファイルでカバーします。
• 5 pC以下の部分放電。フィルタコンデンサをkVノードの近くに配置する必要がある場合、遮蔽された部品は、保護対象のループに電荷バーストを注入しません。
• マッチドペアのための厳しい公差。HVCは、バランス型フィルタバンクに必要な、公称インピーダンス曲線と厳しい容量公差を備えたN4700部品を供給します。
• 現場で実証済みの代替品。40 kV / 441 pF ドアノブコンデンサ 0.1%未満の安定性が契約で求められる現場サービスプログラムにおいて、輸入された一次部品を置き換えた。 クロスリファレンス この表は、一般的な輸入部品番号をHVC相当品にマッピングしたものです。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、マッチング済みフィルタペアは6～10週間で出荷されます。アプリケーションエンジニアリングでは、不均衡測定、チョークコイル選定、フィルタサイズ選定をサポートします。シャント構成、ノイズスペクトル、精度目標をお送りください。HVCは5営業日以内にフィルタ値と予測除去曲線を返送します。

6。 よくある質問

Q1：0.1％の規制では、どの程度の誤差が許容されますか？

250μΩのシャント抵抗に200Aのアーク放電が発生すると、50mVの検出信号が得られるため、0.1%の許容誤差は50μVとなる。ループ内のすべての項は、この値と比較して測定される。

Q2：どちらの項が最も大きいですか？

センスリードの不均衡変換は、圧倒的な余裕をもって実現されています。100 kHzにおいて、コモンモード電圧10 V、不均衡容量0.2 pF、ソース抵抗100 Ωの条件下で、この回路だけで125.7 µVを生成し、これは許容値全体の2.5倍に相当します。

Q3：コモンモードチョークはどれくらい必要ですか？

最低点火高調波における電源抵抗を上回るのに十分なインピーダンスが必要です。20 kHz では 4 mH が必要ですが、100 kHz では 1.6 mH のチョークで既に 1005 Ω が得られ、変換誤差を 125.7 µV から 11.4 µV に低減できます。

Q4：アンプの除去比を代わりに利用することはできますか？

いいえ。精密部品は100kHzで80～100dBのゲインを保持しますが、DCで謳われている120dBは実現しません。また、残留コモンモード電圧が0.91Vあるため、100dBのアンプでも9.1μVのゲインが残ります。チョークコイルと回路レイアウトが大きな役割を果たさなければなりません。

Q5：差動フィルタはどこに設置すべきですか？

コンバータの直前に、159 kHz コーナー用に 10 Ω と 100 nF を使用します。 フィルムコンデンサ またはクラスIセラミック部品の場合、静電容量が15%変化すると、点火帯域での除去比が変化するためです。

Q6：どの部分を1回の検証実行に含めるべきですか？

マッチド差動フィルタペアは、 サンプリング抵抗器 グレード別抵抗器したがって、2つの温度での1回の注入掃引で3つすべてをカバーできます。

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