تحديد حجم ثنائيات التثبيت واستعادتها في دوائر خرج إشعال البلازما

تحديد حجم ثنائيات التثبيت واستعادتها في دوائر خرج إشعال البلازما

الملخص

يحدّ الصمام الثنائي المشبك من التذبذبات التي تُسببها انعكاسات الكابلات، واهتزازات الملفات، وانهيار الفجوة في خرج الإشعال. كما يمتص الطاقة المحتجزة في حلقة الخرج، ويجب أن ينقطع التيار بشكل كامل بعد ذلك، ويتحمل هذه المهمة آلاف المرات يوميًا. تتناول هذه المقالة الطاقة المحتجزة، والتجاوز غير المشبك، وامتصاص المشبك، وارتفاع جهد مكثف المشبك، وذروة الاستعادة، ورنين المشبك والكابل.

1. مقدمة

تتكون مرحلة الإخراج في مشعل البلازما من الملف الثانوي للمحول، ومكثف التوصيل، وكابل الشعلة. وتتعرض هذه المرحلة لظواهر غير متوقعة في التصميم: نبضات منعكسة ناتجة عن عدم تطابق مقاومة الكابل، وتذبذب بين تسرب المحول والسعات الطفيلية، والانهيار العابر عند انهيار الفجوة أو انطفاء القوس الكهربائي.

بدون مشبك، تصل هذه الارتفاعات إلى ضعفين أو ثلاثة أضعاف جهد الإشعال الاسمي. وهذا يُجهد عزل الكابل، ومكثف الاقتران، وملفات المحول، وتحدث الأعطال بعد أشهر وفي مكان آخر من الآلة.

المشبك ليس مكونًا مجانيًا. يجب أن يمتص الطاقة المحتجزة في حلقة الإخراج، وأن ينقطع التيار بسلاسة عند انتهاء الحالة العابرة، وأن يتحمل عبء امتصاص الطاقة في آلة تعمل مئات المرات في الثانية. تفشل المشابك المُستخدمة بشكل خاطئ بطرق واضحة: فالمشبك الذي يُصدر رنينًا عند استعادة التيار يصبح مصدرًا للحالة العابرة التي تم تركيبه لإزالتها، والمشبك الذي يمتص طاقةً تفوق قدرته يتعطل ويتحول نظام الحماية إلى عطل.

تتناول هذه المقالة الطاقة المحصورة، والزيادة الناتجة عنها، وامتصاص المشبك وارتفاع الجهد، وارتفاع الاستعادة الذي يحدد ما إذا كان المشبك سيظل عنصرًا وقائيًا.

2. الآلية الأساسية

2.1 الطاقة المحتجزة في حلقة الإخراج

عندما تتوقف الفجوة عن التوصيل، لا يجد التيار في محاثة الخرج مكانًا يذهب إليه، ويتعين امتصاص طاقته.

E_trapped = ½ × L_out × i_out²

حيث E_trapped هي الطاقة المحصورة، وL_out هي الحث الكلي لحلقة الخرج، وi_out هو التيار عند لحظة توقف التوصيل في الفجوة. مع وجود تسريب ثانوي قدره 1.2 ملي هنري وحث الكابل عند 8 أمبير، فإن الحلقة تحتفظ بطاقة قدرها 38.4 ملي جول.

2.2 تجاوز بدون مشبك

في حالة عدم وجود مشبك، فإن تلك الطاقة تشحن السعة الطفيلية للمخرج ويرتفع الجهد حتى ينهار المسار الطفيلي بدلاً من ذلك.

V_peak = V_nominal + i_out × √(L_out / C_par)

حيث V_peak هو مدى التذبذب غير المقيد، وV_nominal هو جهد الخرج التشغيلي، وi_out هو التيار عند الانطفاء، وC_par هي السعة الطفيلية التي تشحنها الحلقة. مسار طفيلي بسعة 300 بيكوفاراد وحث 1.2 ملي هنري يمثل مقاومة 2000 أوم، لذا فإن تيارًا مقداره 8 أمبير يضيف 16 كيلو فولت إلى خرج 10 كيلو فولت. يصل التذبذب إلى 26 كيلو فولت، أي 2.6 ضعف الجهد الاسمي، وعندها تبدأ أعطال عزل الكابل والملف.

2.3 ما يجب أن يمتصه المشبك

بمجرد أن يقوم المشبك بالتوصيل، يتلاشى تيار الحلقة داخل المشبك بينما يحتفظ المشبك بجهد العتبة الخاص به، والوقت الإضافي الذي يستمر فيه المصدر في توليد التيار يجعل المشبك يمتص طاقة أكثر من الطاقة المحتجزة.

E_clamp = ½ × L_out × i_out² × V_clamp / (V_clamp − V_nominal)

حيث تمثل E_clamp الطاقة التي يمتصها المشبك لكل حدث، وV_clamp عتبة المشبك، وV_nominal جهد الخرج التشغيلي. عند عتبة 13 كيلو فولت مقابل خرج 10 كيلو فولت، تكون النسبة 4.33، وبالتالي تتحول الطاقة المحتجزة البالغة 38.4 ملي جول إلى 166 ملي جول عند المشبك. هذه النسبة هي السبب في أن ضبط عتبة المشبك بالقرب من جهد التشغيل مكلف: عند 11 كيلو فولت، يمتص المشبك 422 ملي جول من نفس الحدث.

2.4 ارتفاع جهد مكثف التثبيت

يستوعب مكثف التثبيت تلك الطاقة، ويحدد ارتفاع الجهد لكل حدث مدى استقرار العتبة.

ΔV_clamp = E_clamp / (C_clamp × V_clamp)

حيث يُمثل ΔV_clamp ارتفاع الجهد على مكثف التثبيت، وE_clamp الطاقة لكل حدث، وC_clamp سعة مكثف التثبيت، وV_clamp عتبة التثبيت. يتطلب تثبيت ارتفاع الجهد أقل من 3% من 13 كيلو فولت، أي 390 فولت، سعة مكثف تبلغ 33 نانو فاراد. عند هذه القيمة، يكون ارتفاع الجهد 387 فولت، أو 2.98%، وتحافظ كل عملية تثبيت على العتبة ضمن نطاق بضعة فولتات من قيمتها الابتدائية.

2.5 التعافي والارتفاع المفاجئ الذي ينتج عنه

عندما ينخفض ​​الخرج مرة أخرى إلى ما دون العتبة، ينطفئ الصمام الثنائي ويجب إزالة الشحنة المخزنة فيه أولاً.

V_rr = L_par × (di/dt)_rr

حيث V_rr هي النبضة الناتجة عن عملية الاستعادة، وL_par هي محاثة حلقة التثبيت، و(di/dt)_rr هو معدل انخفاض التيار العكسي. تحمل حلقة التثبيت تيارًا كاملًا مقداره 8 أمبير، لذا تصل شحنتها المخزنة إلى 4 ميكروكولوم، ويبلغ التيار العكسي ذروته عند حوالي 8 أمبير.

جزء ينفصل خلال 25 نانوثانية يمرر تيارًا مقداره 3.2 × 10⁸ أمبير/ثانية عبر ملف حث حلقي مقداره 1 ميكروهنري، ويضع جهدًا مقداره 320 فولت فوق عتبة التثبيت. أما النوع ذو الاستعادة الناعمة الذي ينخفض ​​خلال 1.5 ميكروثانية، فيمرر تيارًا مقداره 5.3 × 10⁶ أمبير/ثانية وينتج جهدًا مقداره 5.3 فولت.

2.6 رنين المشبك مع الكابل

يشكل مكثف التثبيت وحث الكابل رنانًا يرن بعد كل حدث ما لم يتم تخميده.

Q = (1 / R) × √(L / C)

حيث Q هو عامل الجودة لهذا الرنين، وR هي مقاومة التخميد التسلسلي، وL هي محاثة الكابل، وC هي سعة المكثف. يرن مكثف تثبيت سعته 33 نانوفاراد مع محاثة كابل 1.2 ملي هنري عند تردد 25.3 كيلوهرتز بمقاومة مميزة 191 أوم. تؤدي نفس المقاومة التسلسلية البالغة 191 أوم إلى جعل Q يساوي 1 وإيقاف الرنين، لذا فإن عنصرًا بقيمة 200 أوم موصولًا على التوالي مع مكثف سعته 100 نانوفاراد عبر المكثف كافٍ لمنع الصمام الثنائي من إعادة التوصيل على طرفه.

الشكل 1 - يحافظ الصمام الثنائي المشبك على الخرج عند 13 كيلو فولت بينما يمتص مكثف 33 نانو فاراد 166 مللي جول لكل حدث.

3. نقاط الضعف الهندسية

نقطة الضعف الأولى: انحراف عتبة التثبيت

إذا تغيرت قيمة المرجع خلف عتبة التثبيت بتغير درجة الحرارة، فإن العتبة تتغير معها. يسمح الانحراف التصاعدي بمرور التغير، بينما يؤدي الانحراف التنازلي إلى قطع نبضة الإشعال المفيدة وتبديد طاقة لا تصل إلى الفجوة. يحافظ مكثف ±30 جزءًا في المليون/درجة مئوية في مرشح المرجع على قيمته ضمن نطاق تذبذب 50 درجة مئوية في حدود 0.15%، مما يُبقي العتبة عند القيمة المُحددة في التصميم.

نقطة الألم الثانية: مهمة امتصاص الطاقة

يمتص المشبك 166 مللي جول لكل عملية تشغيل. عند 400 عملية إشعال في الثانية، يستهلك تشغيل المشبك عند 5% منها 3.3 واط، بينما يستهلك تشغيله عند نصفها 33 واط. يتعطل المقاوم المصمم للعدد الأول عند العدد الثاني، ويتعطل معه الصمام الثنائي، وعادةً ما يكون ذلك بسبب قصر الدائرة، مما يحول الحماية إلى عطل.

نقطة الألم الثالثة: صعوبة التعافي بسبب ضجيج الحقن

يُنتج جزء سريع الاستجابة ذو فصل حاد ارتفاعًا مفاجئًا في الجهد مقداره 320 فولت في معادلة الاستجابة، وينتقل هذا الارتفاع إلى محول الإشعال ومن ثم إلى لوحة التحكم. يصبح المشبك المُثبَّت لكبح النبضات العابرة مصدرًا لها، ويظهر العطل على لوحة التحكم، وليس عند المشبك نفسه.

نقطة الضعف الرابعة: رنين المكثف المشبك مع الكابل

يتذبذب مكثف التثبيت مع محاثة الكابل عند تردد 25.3 كيلوهرتز بمعامل جودة (Q) يساوي 190 عندما لا يوجد ما يخمد هذا التذبذب. يؤدي هذا التذبذب إلى إطالة فترة الاستجابة العابرة، وإعادة توصيل الصمام الثنائي، وإضافة حدث امتصاص ثانٍ وثالث لكل تذبذب. عندئذٍ، يمتص الصمام الثنائي ثلاثة أضعاف الطاقة المتوقعة حسابيًا.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية 1: تحديد حجم مكثف التثبيت بناءً على طاقة الحدث

احسب الطاقة لكل حدث عند أعلى تيار خرج وأعلى حثّ حلقي قد يُظهره الجهاز، ثم اختر السعة بحيث يبقى ارتفاع الجهد أقل من 3% من عتبة التثبيت. عند عتبة 13 كيلو فولت و166 ملي جول لكل حدث، تكون السعة 33 نانو فاراد، ويكون الارتفاع 387 فولت.

الاستراتيجية الثانية: اختيار ثنائي تثبيت ذي استعادة ناعمة

حدد قطعة ذات استعادة عكسية مُتحكم بها، وتحقق من شكل موجة الاستعادة على جهاز الاختبار. تعمل درجة الاستعادة الناعمة على خفض ميل التيار العكسي من 3.2 × 10⁸ أمبير/ثانية إلى 5.3 × 10⁶ أمبير/ثانية، والارتفاع المفاجئ من 320 فولت إلى 5.3 فولت. استخدم ثنائي سريع الاستعادة فقط عندما تحتاج الدائرة إلى السرعة، وأضف محاثة متسلسلة للتحكم في الميل عندما تحتاج إليه.

الاستراتيجية الثالثة: بناء العتبة من أجزاء مستقرة

قم بتطبيق عتبة التثبيت باستخدام مرجع دقيق ومكثف مستقر. N4700 الجزء الذي يحتوي على عامل تبديد أقل من 0.1٪ ومعامل ±30 جزء في المليون / درجة مئوية يحافظ على كل من مكثف التثبيت ومرشح المرجع في مكانهما عبر درجة حرارة التشغيل، لذا فإن هامش الحماية المقاس باردًا هو الهامش الذي يتم تقديمه ساخنًا.

الاستراتيجية الرابعة: تخفيف رنين كابل المشبك

أضف مقاومة 200 أوم على التوالي مع مكثف سعته 100 نانو فاراد عبر مكثف التثبيت. يؤدي هذا الفرع إلى خفض عامل الجودة (Q) للرنين عند تردد 25.3 كيلو هرتز من 190 إلى 1، مما يمنع توصيل الثنائي بعد الحدث الرئيسي ويوقف عمليات الامتصاص المتكررة التي لم تُؤخذ في الحسبان عند حساب الطاقة.

الاستراتيجية الخامسة: مراقبة قوة التثبيت في وحدة التحكم

احسب عدد مرات تفعيل المشبك لكل عملية إشعال، وراقب هذا العدد على مدار أسابيع. يشير ارتفاع العدد إلى تدهور دائرة الخرج، إما بسبب زيادة الحث التسريبي أو تلف الكابل، مما يستدعي الصيانة قبل تلف المشبك. كما يُعد هذا العدد أرخص مؤشر على تغيير مسار الكابل أو تعرضه للتلف.

الاستراتيجية السادسة: التحقق من صحة النتائج في مواجهة أسوأ حالات أخطاء الإخراج

قم بتشغيل الدائرة في حالة قصر تام، وفي حالة دائرة مفتوحة، وفي حالة فجوة هامشية، وتأكد في كل حالة من أن المشبك يحافظ على ذروة الجهد ضمن هامش التصميم، وأن وصلة الثنائي تبقى أقل من 75% من قيمتها المقدرة. يُذكر أن حالتي القصر والدائرة المفتوحة هما الحالتان اللتان لا يتم اختبارهما على طاولة الاختبار في حالة الفجوة الهامشية.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
جهد عكسي متكرر الذروة	10 كيلو فولت VRRM، اثنان على التوالي	سلسلة 2CL، 25 درجة مئوية
متوسط ​​التيار إلى الأمام	0.8 A IF(AV)	موجة مستطيلة، درجة الحرارة الحرجة ≤ 85 درجة مئوية
تيار الاندفاع الأمامي	100 أمبير عند 8.3 مللي ثانية	ارتفاع مفاجئ واحد، IFSM
وقت الاسترداد العكسي	أقل من 1 ميكروثانية trr	درجة استعادة ناعمة
سعة الوصلة	25 بيكوفاراد نموذجي	VR = 4 كيلو فولت، 1 ميجاهرتز
سعة المشبك	33 نانو فاراد، ارتفاع أقل من 3%	166 مللي جول لكل حدث
درجة حرارة التشغيل	55 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية	Tj max، مخفض بنسبة 75%

5. مكثفات HVC N4700 (T3M) لدائرة التثبيت

لا يحتفظ المشبك بعتبته إلا بينما يحتفظ مرجعه بقيمته. تقوم شركة HVC بتصنيع عائلة N4700 (T3M) من الفئة الأولى لهذا الغرض، مع مقاومات التدرج التي تشترك في جهد التثبيت عبر سلسلة من الثنائيات المتصلة على التوالي، من مصنع مملوك بمساحة 6,000 متر مربع في دونغقوان عبر نطاق من 1 كيلو فولت إلى 100 كيلو فولت.

ستة معايير مهمة هنا

• سعة تثبيت مستقرة. يحافظ معامل ±30 جزء في المليون/درجة مئوية على عتبة التثبيت وسلوك الامتصاص ثابتين عبر درجات الحرارة، لذا فإن ارتفاع الجهد البالغ 387 فولت الذي تم قياسه على طاولة العمل يظل هو الارتفاع الذي تم الحصول عليه في خزانة ساخنة.
• مسار امتصاص يبقى بارداً. عامل تبديد أقل من 0.1% يُبقي الطاقة الممتصة في المقاوم حيث من المفترض أن تستقر، بدلاً من تسخين المكثف وتغيير قيمته.
• تغطية نطاق الإخراج بالكامل. تتوافق التصنيفات من 1 كيلو فولت إلى 100 كيلو فولت مع جهود التثبيت لمراحل القوس التجريبي والقوس الرئيسي باستخدام عازل مؤهل واحد، وتغطي سلسلة من الأجزاء ذات جهد 10 كيلو فولت عتبة 13 كيلو فولت بهامش أمان.
• التفريغ أقل من 5 بيكو كولوم. يبقى مكثف التثبيت عند جهد العتبة الكامل في كل حدث، ولا يضيف الجزء الخالي من التفريغ ضوضاء خاصة به إلى عقدة موجودة لتكون هادئة.
• انخفاض حث الحلقة. يحافظ الحث الذاتي الأقل من 8 نانو هنري على قصر حلقة التثبيت، وهو ما يمنع ارتفاع الاستعادة الناتج عن حث الحلقة.
• أثبتت كفاءتها في الخدمة ذات الجهد العالي العابر. سلسلة 441 بجهد 40 كيلو فولت المكثفات مقابض الابواب استُبدلت قطع غيار من علامات تجارية رائدة في برامج خدمة ميدانية للجهد العالي، و إشارة الصليب ضد مكثف الفيلم يوضح هذا مدى الانحراف الذي كان من المفترض أن يمتصه مرجع التثبيت لولا ذلك.

التوصيل والدعم

تُشحن القطع القياسية خلال 4 إلى 8 أسابيع، ومجموعات المشابك المتطابقة خلال 6 إلى 10 أسابيع. يدعم قسم هندسة تطبيقات HVC حساب الطاقة المحصورة، وتحديد حجم مكثف المشبك، وتصميم فرع التخميد، واختبار أسوأ حالات الأعطال. أرسل جهد الخرج، وحث الحلقة، وتيار التشغيل، وعتبة المشبك، وستُرسل لك HVC ورقة اختيار المشبك مع بيانات الامتصاص وتقارير التفريغ الجزئي في غضون خمسة أيام عمل.

6. أسئلة مكررة

س1: ما مقدار الطاقة التي تحتجزها حلقة الإخراج؟

نصف محاثة الحلقة مضروبة في مربع التيار لحظة توقف التوصيل في الفجوة. مع وجود تسريب ثانوي قدره 1.2 ملي هنري ومحاثة الكابل عند 8 أمبير، فإن ذلك يساوي 38.4 ملي جول، وبالتالي يتأرجح الجهد غير المثبت بمقدار 16 كيلو فولت فوق مستوى التشغيل، ليصل إلى 26 كيلو فولت على خرج 10 كيلو فولت.

س2: لماذا يمتص المشبك أربعة أضعاف الطاقة المحتجزة؟

لأن تيار الحلقة يتلاشى ببطء بينما يحافظ المشبك على عتبته، ويستمر المصدر في ضخ التيار إلى المشبك أثناء هذا التلاشي. تتناسب الطاقة طرديًا مع V_clamp مقسومًا على V_clamp ناقص V_nominal، وهو ما يساوي 4.33 لمشبك 13 كيلو فولت على خرج 10 كيلو فولت. ويزداد الأمر سوءًا عند ضبط المشبك بالقرب من جهد التشغيل: 11 كيلو فولت تعطي 11.

س3: ما هو حجم مكثف التثبيت المطلوب؟

كبيرة بما يكفي بحيث يبقى ارتفاع الجهد لكل حدث أقل من 3% من العتبة. عند طاقة 166 مللي جول لكل حدث وعتبة 13 كيلو فولت، تكون السعة 33 نانو فاراد، مما يُعطي ارتفاعًا في الجهد قدره 387 فولت، أو 2.98%. أما المكثف الأصغر فيسمح للعتبة بالارتفاع تدريجيًا مع كل حدث.

س4: ما الذي يجعل طفرة التعافي كبيرة؟

يؤثر كل من حث الحلقة وميل التيار العكسي معًا. يحمل المشبك تيار الحلقة الكامل البالغ 8 أمبير، لذا تصل شحنته المخزنة إلى 4 ميكروكولوم. جزء ينفصل في 25 نانوثانية يمرر تيارًا مقداره 3.2 × 10⁸ أمبير/ثانية عبر 1 ميكروهنري وينتج 320 فولت. أما النوع ذو الاستعادة الناعمة الذي ينخفض ​​خلال 1.5 ميكروثانية فينتج 5.3 فولت.

س5: لماذا يصدر صوت رنين من المشبك بعد الحدث؟

لأن مكثف التثبيت وحث الكابل يشكلان رنانًا، ولا يوجد في المشبك ما يُخمد هذا الرنان. مكثف سعته 33 نانوفاراد وحثه 1.2 ملي هنري يُصدر رنينًا بتردد 25.3 كيلوهرتز بمعامل جودة (Q) يساوي 190، مما يُعيد الصمام الثنائي إلى حالة التوصيل ويُضيف امتصاصات متكررة. مقاومة 200 أوم موصولة على التوالي مع مكثف سعته 100 نانوفاراد تُخفض معامل الجودة (Q) إلى 1.

س6: ما هي الاختبارات التي تثبت فعالية المشبك؟

قم بتشغيل الدائرة في قصر تام، وفي دائرة مفتوحة، وفي فجوة هامشية، وتأكد من أن ذروة التيار تبقى ضمن هامش التصميم وأن وصلة الثنائي تبقى أقل من 75% من قيمتها المقدرة في كل حالة. أضف عدادًا للتحكم في عمليات تفعيل المشبك لكل حدث وراقبه، لأن ارتفاع العداد يكشف تلف الكابل قبل أسابيع من تعطل الثنائي.

7. المراجع

1. إي. كوفيل، دبليو إس زينجل، جيه. كوفيل، أساسيات هندسة الجهد العالي، الطبعة الثانية، نيونس، 2000.
2. موهان، ن.، أنديلاند، ت.م.، وروبنز، و.ب. إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة. هوبوكين، نيوجيرسي: جون وايلي وأولاده، 2003.
3. إشعار رقم 2 من MIL-HDBK-217F، التنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونية، 1995.
4. IEC 60384-1: 2021 ، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 1: المواصفات العامة، الطبعة الرابعة. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2021.
5. IEC 61071:2017، مكثفات لإلكترونيات الطاقة، الطبعة 2.0. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2017.
6. واي. تشو، بي. تشين، سي. تيان، جيه. يوان، واي. تشين، محول خطي متوازي مثبت بالديود لاختبار التحمل وقياس التفريغ الجزئي للمعدات الكهربائية، الجهد العالي، المجلد 8، العدد 1، الصفحات 171-182، 2023. https://doi.org/10.1049/hve2.12312.
7. ف. بيليايف، نموذج الوميض السطحي للعازل في الفراغ، في وقائع المؤتمر الدولي الثامن عشر حول التفريغات والعزل الكهربائي في الفراغ (ISDEIV)، الصفحات 151-154، 1998. https://doi.org/10.1109/deiv.1998.740596.
8. AND9800/D — اختيار مكثف التخميد لتطبيقات محركات القيادة (جدول 15 بيانات الاختبار)، onsemi، AND9800-D، https://m.onsemi.jp/pub/Collateral/AND9800-D.PDF .
9. الولايات المتحدة 8,570,711 ، مكون إلكتروني خزفي متعدد الطبقات (كبح التفريغ القوسي لمكثفات MLCCs من 1 إلى 5 كيلو فولت)، شركة سامسونج للإلكتروميكانيكا المحدودة، مُنحت عام 2013، https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
10. ГОСТ IEC 61071-2014, المكثفات الإلكترونية السيلوفية (المكثفات لإلكترونيات الطاقة). موسكو: ستاندارتينفورم، 2014.
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com