交換後に高電圧整流器が過熱する理由

長年問題なく動作していた高電圧整流器を、見た目が同じ同等品（電圧、電流、サイズが同じ）に交換したところ、過熱するようになった。3か月後には再び修理に出される。直列接続の場合、原因は通常、定格ではなく、回復時間にある。

リバースリカバリーとは実際には何なのか

ダイオードが順方向電流を流しているとき、接合部は電荷キャリアで満たされています。ダイオードをオフにするには、接合部が再び電圧を遮断できるようになる前に、その電荷を掃き出す必要があります。グラフ上では、これが逆回復時間tで表されます。_rr —電流がゼロを横切る時点から、デバイスが実際に逆電圧を遮断するまでの間の時間幅。

その時間帯の間、ダイオードは逆方向に導通しています。回路が整流するたびに、短い電流スパイクが部品を逆方向に流れます。このスパイクに逆電圧を掛けると、瞬間的な電力損失が得られます。さらに、1秒あたりの整流回数を掛けると、継続的な発熱となります。

これが全体の仕組みです。特に変わったことは何もありません。データシートに回復率が記載されているのはそのためです。この製品ラインでは、他の製品ラインよりも回復率が重要になります。なぜなら、高電圧整流器はダイのストリングとして構築されており、ストリング内の回復挙動は単一のデバイス内の回復挙動とは異なるからです。

なぜシリーズスタックがそれを悪化させるのか

50kV整流器ブロックは、単一の接合部ではなく、複数の接合部が一列に並んだもので、それぞれの接合部が逆電圧を分担しています。整流器が転流すると、これらの接合部すべてが元の状態に戻る必要があります。

それらは全く同じ瞬間に回復するわけではありません。回復時間が最も短いダイが最初にクリアされ、ブロックを開始します。ごく短時間の間、まだ回復中のダイは実質的に短絡状態となるため、すでにクリアされたダイは、本来の持ち分よりもはるかに多くの逆電圧を保持することになります。

これは、ストリングのごく一部に発生する一時的な過電圧です。持続時間はマイクロ秒単位ですが、スイッチング電源では毎秒数千回、つまりすべての整流時に発生します。この余分なストレスを受けるダイが最も高温になり、最終的に最初に故障するダイとなります。

RC補償ブロックが存在するのも、これが理由です。ストリング全体にわたる抵抗・コンデンサネットワークは、直流時と高速過渡時の両方において、逆電圧を均等に分割するように強制します。これは、回路設計者ではなく部品内部で解決される同じ問題です。

置換ミス

ほとんどの代替品の不具合は同じパターンをたどります。エンジニアは元の部品番号の電圧と電流を照合し、リカバリーサフィックスを詳細事項として扱います。旧型シリーズではこのサフィックスは1文字で、メーカーによって文字が異なります。

K, F, UF ― 標準、高速、超高速のブロックファミリー。
S (NAIST) と U ―モジュールファミリーにおいて、標準的で高速な設計。
UF (NAIST) と S — 列ファミリーの 2 つのリカバリクラス: 高速バージョンでは 70 ns、標準グレード VMI の見積もりでは 3000 ns。

40ナノ秒の差はたいしたことないように聞こえるかもしれません。20kHzでは、1回のスイッチングサイクルは50マイクロ秒です。40ナノ秒はサイクルの0.08%に相当します。まさにそこが重要な点なのです。損失はサイクル全体に分散されるのではなく、スイッチングの瞬間に集中するため、わずかな時間差でも大きな損失差が生じるのです。

逆もまたよくあるが、あまり知られていない。高速回復部品をライン周波数の位置に取り付けると、費用はかかるものの機能はする。標準回復部品をスイッチングの位置に取り付けると、しばらくは機能するが、その後は機能しなくなる。

代わりに何をするか

元の部品番号の接尾辞は無視して、回路図に基づいて作業を進めてください。

機器の動作周波数ではなく、位置の整流周波数を設定してください。
元の部品に回復時間に関する記載があったかどうかを確認してください。記載がなかった場合、その部品はおそらくライン周波数または非スイッチング部品であり、標準回復部品を使用するのが妥当な答えです。
パーツがシリーズスタック内にある場合は、文字列全体のリカバリクラスと一致させてください。1つのスタック内でリカバリクラスを混在させないでください。
元の部品が故障し、その故障が熱によるものと思われる場合は、定格が間違っていたと決めつけるのではなく、復旧クラス自体に問題がある可能性を疑って対処してください。

元の部品番号と整流周波数をお送りいただければ、接尾辞ではなく周波数に基づいて選択された同等品をお返しします。定格表は整流器スタックの相互参照元の製造元が復旧時間を公表しているすべての部品番号について、復旧時間を一覧表示してください。

この範囲に該当する場合

HVC整流器の全製品ラインには、最も速いものから最も遅いものまで、3つの回復クラスが存在します。

整流器ブロック — 35ナノ秒から350ナノ秒まで、すべて同じ電圧および電流クラスの範囲内です。
モジュール整流器 — 同じ部品のSバージョンとUバージョン。Uバージョンは75ナノ秒で回復するが、元のカタログにはSバージョンの数値は記載されていない。
スリムパックとファットパックのコラム高速版は70ナノ秒、標準版は3000ナノ秒で、このシリーズで最も大きな差となっている。

これらのファミリーのいずれにおいても、回復クラスは電圧クラスおよび電流クラスとは別の選択肢です。この記事の要点は、回復クラスは接尾辞ではなく、3つ目のパラメータであるということです。