プラズマチョッパ用ダイオード逆回復スナバ回路のサイズ選定

プラズマチョッパ用ダイオード逆回復スナバ回路のサイズ選定

抽象

プラズマチョッパは、毎秒数万回、各ダイオードを逆回復遷移へと強制的に移行させます。この記事では、50kHz、600Vの段における蓄積電荷の計算、反転を分散させる整流インダクタンス、残留エネルギーを吸収するスナバ回路の値、そして動作確認のための熱特性およびスペクトル特性のテスト結果について解説します。

はじめに

プラズマ切断機の電力段では、直流電流を20～100kHzでチョッピングしてアーク電流を整形する。各サイクルごとに、各ダイオードは逆回復遷移を経る。

順方向バイアスされたダイオードを流れる電流がスイッチングエッジで反転する場合、ダイオードはすぐに遮断するわけではありません。まず接合部に蓄積された電荷が除去される必要があり、その間、ダイオードは逆方向の電流スパイクを流します。

このスパイクは整流ループの寄生インダクタンスを励起する。50kHz、フリーホイール電流30Aの場合、回復損失はダイオード1個あたり10Wを超え、スパイクは数百ボルトに達する。

SiCショットキーダイオードを使えば問題は解決するが、高電圧点火経路で使用される電圧と電流に対応するものは入手できない。そのため、エネルギー管理に重点を置く必要がある。具体的には、ソフトダイオードを選択し、逆電流を遅くし、残留エネルギーを制御された経路に導く必要がある。

2. コアメカニズム

2.1 蓄積電荷と回復電流

回復プロセスは、蓄積電荷Qrrと回復時間t_rrによって記述される。逆回復電荷は、回復電流波形の下の面積である。

Qrr = 0.5 × I_rrm × t_rr

ここで、Qrrは回復中に除去される蓄積電荷、I_rrmはピーク逆回復電流、t_rrは全回復時間である。

ピーク電流は、蓄積された電荷と反転速度によって決まります。

I_rrm = √(2 × Qrr × di/dt_r)

ここで、I_rrmはピーク逆電流、Qrrは蓄積電荷、di/dt_rは順方向電流が反転する速度（アンペア/秒）である。

Qrr = 1 µC、di/dt_r = 150 A/µs の場合、ピーク値は 17.3 A です。これは順方向電流 30 A の半分以上なので、このスパイクはループ挙動に対する小さな補正ではありません。

2.2 ダイオードで失われるエネルギー

各回復イベントでは、ダイオード接合部にエネルギーが蓄積されます。蓄積フェーズが短くテールが長い回復波形の場合、イベントごとの損失は次のようになります。

E_rr = 0.25 × Qrr × V_R  ,  P_rr = E_rr × f_sw

ここで、E_rrは回復イベントあたりのエネルギー、Qrrは蓄積電荷、V_Rはダイオードが保持しなければならない阻止電圧、P_rrは平均損失、f_swはチョッピング周波数である。

Qrr = 1 µC、V_R = 600 V の場合、各イベントのエネルギー消費量は 0.15 mJ です。50 kHz では、これは単一部品で 7.5 W に相当し、接合部の温度はヒートシンクによって熱が放散されるまで上昇します。

損失は​​自己フィードバックする。シリコン高速リカバリ部品の場合、蓄積電荷は接合部温度の上昇に伴い、1℃あたり約0.5～1%増加するため、高温のダイオードはリカバリがより困難になり、発熱量も増加する。85℃では電荷は25℃の値より約50%増加し、損失は11.3Wとなる。

2.3 スパイクと整流インダクタンス

回復電流が遮断されると、ループインダクタンスによって電流ステップが電圧スパイクに変換される。

V_spike = L_loop × dI_rrm / dt

ここで、V_spikeはノード電圧に加算されるスパイク、L_loopは整流ループのインダクタンス、dI_rrm/dtは逆電流がゼロになる速度である。

I_rrm = 17.3 A、ループインダクタンス 300 nH の場合、20 ns で電流を遮断する高速ダイオードは 259 V を生成します。同じ電流が 200 ns のテールに分散されると、26 V が生成されます。

反転速度自体はループによって決まります。直列インダクタンスを追加すると、反転速度は遅くなります。

di/dt_r = V_R / L_com

ここで、di/dt_r は反転率、V_R は阻止電圧、L_com はダイオードと直列に接続された整流インダクタンスである。

600Vで150A/µsの電流を流す場合、必要なインダクタンスは4µHです。この値は使用可能な範囲内にあり、スイッチング速度のごく一部を犠牲にする以外にコストはかかりません。

2.4 残留エネルギーの吸収

ダイオードに並列に接続されたRCスナバ回路は、ダイオードとインダクタが残す回復エネルギーの一部を吸収します。

E_absorb = 0.5 × C_s × ΔV_snub²  ,  R_s = √(L_loop / C_s)

ここで、E_absorbはスナバが蓄積するエネルギー、C_sはスナバの静電容量、ΔV_snubはその両端の電圧上昇、R_sは減衰抵抗、L_loopはループインダクタンスである。

0.15 mJのエネルギーを吸収しながら電圧上昇を100 Vに維持するには、コンデンサの容量は少なくとも30 nFでなければなりません。33 nFの部品を使用すれば余裕が生まれ、ダンピング抵抗は3.0 Ωになります。

コンデンサ自体のESRはオーバーシュートを発生させます。V_ov = I_rrm × ESR。17.3 A、50 mΩの場合、余分な電圧は0.87 Vで、これは無視できる値です。ESRが重要なのは、温度によって増加してはならないためであり、その値は誘電体によって決まります。

図1 — 17.3 Aの回復カットオフを20 nsから200 nsに広げると、300 nHでのターンオフスパイクが259 Vから26 Vに低下します。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：急速放電ダイオードは蓄積された電荷をスパイク状に変化させる

急激な回復を伴う高速な部品は、数ナノ秒でI_rrmを遮断します。ループに300 nHの抵抗がある場合、定格600 Vのノードでは数百ボルトの電圧がかかります。

このスパイクはスイッチに負荷をかけ、整流ループから広帯域の電磁干渉を放射する。これらの影響はどちらも、蓄積電荷量だけではなく、遮断速度に比例する。

問題点２：損失がダイオード本体に集中する

50～100kHzでは、1イベントあたり0.15～0.5mJの損失が、1つのパッケージ内で数十ワットに達する。接合部の温度が上昇し、蓄積電荷が温度とともに増加するため、損失は螺旋状に増加していく。

故障箇所は、見た目には正常なはんだ接合部を持つダイオードの短絡であり、製造上の欠陥は見られない。原因は熱回路の異常であり、試験ベンチで使用した周囲温度をはるかに上回る温度で回路が閉じている。

問題点３：スナバーが吸収する代わりにリング状に音を発する

スナバコンデンサのESLが大きすぎる場合、またはダンピング抵抗の調整がずれている場合、スナバループは1～10MHzで共振します。その結果、回復過渡応答が持続的な振動になります。

吸収によって現象は終了するはずだった。しかし、振動によって毎サイクルごとにダイオードにエネルギーが再注入される。

問題点4：クラスIIスナバコンデンサが解決策から外れてしまう

X7Rスナバ回路は、DCバイアスと温度変化によって静電容量が約15%減少します。吸収容量が縮小し、減衰角が移動します。

変化は緩やかで、ダイオードの故障率は稼働開始後数ヶ月で上昇する。25℃でのベンチテストでは、そのような兆候は見られない。

4. 設計手順

戦略1：ソフトリカバリダイオードを選択し、テール比を確認する

候補の回復波形を比較する 高速回復ダイオード 実際の順方向電流と反転速度において。テール時間と蓄積時間の比であるソフトネス係数が0.8以上であることを要求する。

柔らかい部品が17.3Aのカットオフを200nsにわたって分散させ、スパイクを26V付近に維持する。同じ電流カットを20nsで行うと、259Vになる。

戦略2：整流インダクタンスで反転速度を制御する

ダイオードの電流経路に1～5μHの抵抗を直列に接続します。測定されたdi/dtがV_R / L_com（600V、150A/µsの場合、4μH）と一致することを確認してください。

追加されたインダクタンスがチョッピング周波数でレイアウトと共振しないことを確認してください。浮遊容量が2 nFの4 µH部品は1.8 MHzでリング状に共振しますが、これは50 kHzをはるかに下回るため、リスクは低いです。

戦略3：測定損失に基づいてスナバのサイズを決定する

最悪ケースの動作点において電流プローブを用いてE_rrを測定し、エネルギーバランスから50%のマージンを考慮してC_sを選択します。0.15 mJのイベントでは30 nFとなるため、33 nFをフィッティングします。

R_sを√(L_loop / C_s)（3.0Ω）付近に設定し、単一減衰スナバ波形を確認してください。ビートパターンが見られる場合は、抵抗器が間違った帯域にあることを意味します。

戦略4：クラスIセラミックスナバコンデンサを使用する

選択 N4700 部品。これらの部品は、±30 ppm/°Cの係数と0.1%以下のtanδにより、温度に関わらず吸音容量と減衰角が一定に保たれます。

損失が少ないため、50～100kHzの周波数帯でもコンデンサは低温に保たれます。オーバーシュート項I_rrm × ESRを決定するESRは、温度上昇に伴って増加しません。

戦略5：ブリッジ出力部に局所的なセラミック層を追加する

ブリッジ出力に直接、100 nF～1 µFのN4700セラミックコンデンサを配置します。この層が回復電流の高周波成分を局所的に供給するため、スパイクを発生させるループが小さくなります。

とペアリングします フィルムコンデンサ バルクエネルギーがセラミックの定格を超える場合、セラミック層が端部を処理し、フィルム部分が電荷を処理します。

戦略6：熱および分光テストで検証する

スナバ回路を取り付ける前と後で、ダイオードのケース温度と1～30MHzのスペクトルを測定してください。ケース温度が少なくとも20℃低下し、スペクトルが20dB低下することが必要です。

両方の手順を500回の熱サイクル後に繰り返してください。サイクル後にマージンが消失するスナバ回路は、機械の温度ではなく、実験室の温度に合わせて調整されたものです。

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 ≤ 85 °C
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	25 pF 標準値	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. 回復吸収ノード用のHVCコンデンサ

ここで選定の決め手となるのは、ダイオードが発熱しても容量値が維持されること、マシン内の最も高いdv/dtノードでの損失が低いこと、そしてゲート駆動部付近で静音性を保つ筐体という3つの要件です。HVCはこれらの要件を満たすN4700部品を製造しています。

このノードで重要な6つのパラメータ

• N4700（T3M）クラスI誘電体、誘電率±30 ppm/℃。吸収エネルギーと減衰コーナーは設計通りに維持されます。
• tanδは0.1%未満です。スナバ回路は内部損失がほとんどないため、回復時の過渡現象を吸収し、50～100kHzの周波数で低温を維持します。
• 電圧範囲は1kVから100kVまでです。1つの製品ファミリーには、600Vチョッパスナバと25kV点火段スナバが含まれています。
• 遮蔽されたすべての部分において、PDは5 pC未満です。吸収ネットワークは、ゲート回路および検出回路に広帯域バーストを放出しません。
• 公開されているインピーダンス曲線に基づき、ESRが低く安定しています。オーバーシュートチェックV_ov = I_rrm × ESR_sは計算式となり、R_sは紙上で調整可能です。
• 高周波パルスシステムにおいて実証済みのHVC 40kV/441pFネジ端子部品は、高電圧フィールドサービスプログラムにおいて一流ブランドのコンデンサに取って代わり、国内のOEMメーカーの間で採用が拡大しています。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、マッチングセットは6～10週間で出荷されます。同じファミリーにはラジアルリードディスクと ドアノブコンデンサ より高い電流を流すノード向け。

HVC部品は、電気的パラメータとパッケージ寸法に適合します。 KEMETとMurataの部品を使用しているため、相互参照チェックには1回のデータ交換で済みます。

2つのスナバコンデンサを積み重ねてノード電圧に到達する場合、 グレード別抵抗器 各部分に分散させることで、スタックが過渡現象を均等に分散します。

チョッピング周波数、ダイオード回復データ、およびループ形状を送信してください。HVCは、スナバ値、予想されるスパイクエンベロープ、および検証プランを返します。

6。 よくある質問

Q1：なぜ1μCの蓄積電荷が17.3Aの逆電流を生み出すのですか？

I_rrm = √(2 × Qrr × di/dt_r) であるため、1 µC と 150 A/µs の場合、根号内の積は 300 であり、根号は 17.3 A です。ピーク電流は反転速度の平方根に比例するため、di/dt を半分にしてもピークは 29% しか減少しません。

Q2：逆回収システムは実際にどれくらいの電力を浪費するのでしょうか？

E_rr = 0.25 × Qrr × V_R であり、1 µC および 600 V ではイベントあたり 0.15 mJ です。50 kHz では、1 つのダイオードで 7.5 W になります。蓄積電荷は °C あたり約 0.5～1% 増加するため、85 °C の値は 50% 高く、それに伴う損失は 11.3 W になります。

Q3：必要な整流インダクタンスはどれくらいですか？

目標レートで反転を維持するのに十分な値です。di/dt_r = V_R / L_com なので、4 µH で 600 V の場合、150 A/µs になります。1 から 5 µH の値はほとんどのチョッパ段をカバーし、部品はチョッピング周波数でレイアウトとリンギングしてはなりません。

Q4：スナバコンデンサのサイズはどのように決定されますか？

保持しなければならないエネルギーから、E_absorb = 0.5 × C_s × ΔV_snub² となります。100 V の立ち上がりで 0.15 mJ を吸収するには 30 nF が必要なので、33 nF が実用値となり、ダンピング抵抗は √(300 nH / 33 nF)、つまり 3.0 Ω になります。

Q5：スナバコンデンサの誘電体がそれほど重要な理由は？

スナバ回路の有効性は、静電容量と温度の積で表されるためです。バイアスと熱によって値が15%低下する部品は、吸収容量が縮小し、減衰角が移動します。N4700部品は100℃の範囲で0.3%変化するため、85℃でのスナバ回路の性能は、ベンチテスト時のものと同様になります。

Q6：回復エネルギーが吸収されたことを証明するものは何ですか？

測定項目は3つ。ダイオードのケース温度、8時間動作させたスナバ抵抗の表面温度、および1～30MHzの放射スペクトルである。目標は、ケース温度が定格の80%以下であること、抵抗温度が安定していること、およびスナバを取り付けた状態でスペクトルが20dB低下することである。

7。 リファレンス

1. E. クッフェル、WS ザングル、J. クッフェル、 高電圧工学の基礎第2版​​、ニューネス、2000年。
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