紫外点火网络中的快速恢复二极管浪涌抑制

紫外点火网络中的快速恢复二极管浪涌抑制

抽象

紫外灯的点火网络会在微秒内释放储存的能量，钳位二极管既吸收这些脉冲，也产生自身的脉冲。本文给出了20 kV触发器在1 kHz重击频率下的恢复电荷、尖峰电压、雪崩能量和耗散计算方法，以及四种现场故障模式、二极管和缓冲电路的选择规则，并介绍了用于验证回路的探针设置。

1. 引言

紫外灯的点火开关网络包含开关器件、钳位二极管、触发变压器和缓冲器。每次点火尝试都会在几微秒内释放储存的能量，由此产生的浪涌电流会超过路径中每个部件的稳态额定值。

快速恢复二极管起到保护该网络的作用。它能钳位反激电压，复位变压器铁芯，并将浪涌能量从开关处转移开。

二极管也会受到它所抑制的浪涌的影响。它的恢复行为决定了它是保护回路还是产生自身的尖峰，而这两种结果之间的差异就是 t_rr 和回路电感。

本文给出了恢复电荷计算、尖峰和雪崩数、四种现场故障模式、二极管类别和缓冲电路选择，以及完成设计的测量。

2. 核心机制

2.1 反向恢复电流

当二极管被迫阻断一个在几十纳秒内反转的电压时，结中存储的电荷会以反向电流的形式流出。

i_rrm = Q_rr / t_rr

其中 i_rrm 为峰值反向恢复电流，Q_rr 为反向恢复电荷，t_rr 为恢复时间。一个具有 2 µC 恢复电荷和 50 ns 恢复时间的二极管会向回路中提供 40 A 的反向电流，这与它钳位的正向浪涌电流处于同一数量级。

2.2 回路电感上的恢复尖峰

该电流通过回路电感崩溃，电感将电流阶跃转换为电压阶跃。

ΔV = L_loop · di/dt

其中，ΔV 为尖峰电压，L_loop 为回路电感，di/dt 为恢复电流衰减速率。40 A 的恢复电流在 50 ns 内衰减，其衰减速率为 800 A/µs，变压器漏感为 2 µH，可将其转换为 1.6 kV 的电压。

2.3 恢复损失和平均功率

每次恢复事件都会耗散电压反转时流过的电荷。

E_sw = 0.5 · V_clamp · Q_rr

其中，E_sw 为每次恢复事件的能量，V_clamp 为钳位电压，Q_rr 为恢复电荷。在 1.1 kV 和 2 µC 的条件下，每次事件的能量消耗为 1.1 mJ。在 10 Hz 的点火频率下，平均功率为 11 mW；而在脉冲调制灯 1 kHz 的重燃频率下，对于结尺寸小于一粒米的器件，功率为 1.1 W。

2.4 雪崩能量和缓冲器转向率

当回路驱动二极管超过其击穿电压时，结会发生雪崩，吸收电感器存储的所有能量。

E_av = 0.5 · L_loop · i_rrm²

其中 E_av 为每次雪崩事件的能量，L_loop 为回路电感，i_rrm 为恢复电流。在 2 µH 和 40 A 的条件下，结在每次雪崩中吸收 1.6 mJ 的能量，因此，没有重复雪崩额定值的二极管会在微秒内失效。缓冲电容限制了这种情况发生的频率，因为它设定了二极管两端的转换速率。

dV/dt = I_surge / C_s

其中，dV/dt 为二极管的电压转换速率，I_surge 为缓冲电路的浪涌电流，C_s 为缓冲电路的电容。一个 2.2 nF 的缓冲电路在 40 A 的浪涌电流下，可将转换速率保持在 18 kV/µs，这符合 I 类器件 50 kV/µs 的承受能力。

图 1 — 钳位支路，带 2.2 nF I 类缓冲电路，其中 50 ns 内 2 µC 的恢复电荷变为 1.6 kV 的尖峰，每次事件产生 1.1 mJ 的能量。

3. 工程痛点

痛点一：恢复高峰会破坏钳制效果

一个恢复时间为 500 ns 的标准整流器，用作 200 kHz 触发网络中的钳位电路时，会在回路电感上产生千伏或更高的恢复尖峰电压。该尖峰电压会耦合到栅极驱动电路和控制板上，导致机器因点火异常而跳闸。

痛点二：雪崩式疲劳和突发性失败

二极管能够吸收每次1.6毫焦耳的雪崩冲击波而不产生可见的发热，因为每次冲击波持续时间仅为微秒级。经过数千次点火后，结区会逐渐累积损伤，最终发生短路，这使得下一次尝试时，整个触发浪涌电流会施加到开关器件上。

痛点3：缓冲回路电感位置错误

引线缓冲电路会增加 10–20 nH 的电感，在 800 A/µs 的电流密度下仅产生 8–16 V 的电压。千伏级电压实际上是变压器漏感产生的 2 µH 电感，因此缩短导线并不能解决钳位性能不足的问题，真正的解决方法是使用二极管。引线布局仍然决定了残余电压出现的位置。

痛点 4：高重击率下的热失控

在脉冲调制工作模式下，灯管的重燃频率最高可达 1 kHz，因此在小结区内，恢复损耗可达 1.1 W。漏电流随结温升高而增大，进一步加剧损耗，除非降低结的额定功率，否则回路最终会导致热失效。

4. 设计步骤

策略 1：选择回路的二极管类型

对于夹具和缓冲器的位置，请指定一个 快速恢复二极管 t_rr 低于 50 ns，并具有明确的重复雪崩额定值。在电路的 di/dt 值下（该值与数据手册中的测试条件不同），验证峰值恢复电流是否符合数据手册的要求。

策略二：设定恢复损失上限

在最坏情况下的点火速率下计算 E_sw = 0.5 × V_clamp × Q_rr，并乘以该速率。将结电压降额至 T_jmax 的 80%，如果超过上限，则并联两个二极管或选择 Q_rr 值较低的二极管。

策略 3：使用低 ESL 等级 I 的筛选器

地方 N4700 (T3M) 在尽可能短的回路中，二极管两端直接连接损耗角正切值小于等于 0.1% 且压降小于 5 pC 的 I 类电容器。2.2 nF 的电容值可将转换速率保持在 18 kV/µs，并将残余尖峰电压控制在钳位电压的 1.2 倍以下。

策略四：添加串联铁氧体磁珠

夹紧环中的珠子会将恢复能量的高频部分以热量的形式耗散掉，并抑制恢复环。这既能降低二极管和电容器的应力，又能占用几毫米的电路板空间。

策略 5：使用宽带探针进行验证

使用 500 MHz 差分探头测量点火过程中二极管两端的电压。仅当峰值电压低于雪崩阈值且恢复环在一个开关周期内衰减时，才接受该设计。

策略 6：对整个网络进行生存测试

以最坏情况下的速率运行 100,000 次点火循环，并记录二极管外壳温度。温度上升趋势预示着故障，该测试可以捕捉到元件级测试无法检测到的二极管、缓冲电路和电容器之间的相互作用。 薄膜电容器 缓冲电路是另一种选择，它可以承受回路更大的缓冲罐。

组件参数	典型值	测试条件
重复峰值反向电压	10 kV VRRM	2CL系列，25℃
平均正向电流	0.8 A IF(AV)	矩形波，Tc 为 85 °C 或更低
正向浪涌电流	100 A 持续 8.3 毫秒	单次浪涌，IFSM
反向恢复时间	低于 1 微秒 trr	软恢复等级
结电容	25 pF 典型值	VR = 4 kV，1 MHz
工作温度	−55 °C 至 +125 °C	Tj 最大值
漏电流	VRRM 低于 5 mA	25°C，满负荷

5. 用于钳位缓冲器的高压电容器

该节点的缓冲器选择受三个要求驱动：低损耗（每次事件吸收 1.1 mJ 能量）、低电感封装（以保持钳位回路尺寸小）以及能够承受数百万次点火的 PD 屏蔽层。HVC 为该组件生产 N4700 部件。

这里需要考虑的六个参数

• N4700 (T3M) 钛酸锶的 tanδ 值低于或等于 0.1%，能够以最小的损耗吸收恢复能量，因此在 1 kHz 的重击率下，缓冲器能够保持低温。
• 盘式和441型 门把手电容 较短的内部电极路径可使钳位回路电感保持较低。
• 额定电压从 1 kV 到 100 kV 涵盖了来自同一合格系列的小型 LED 驱动器和 20 kV 汞触发器。
• 在额定电压的 1.2 倍下，PD 低于 5 pC 可保护缓冲电路部位免受反复点火浪涌的侵蚀。
• ±30 ppm/°C 可使缓冲电容保持恒定，因此在寒冷的早晨和运行八小时后，转换速率软化程度相同。
• 现场验证：在高压现场服务项目中，HVC 40 kV / 441 螺钉式电容器替代了原有的一线品牌部件，并且其结构与原部件的电气参数相匹配。 日前，Vishay HVCC 和 KEMET 径向引线范围。

交付和支持

标准件的交货期为 4-8 周，配套组件的交货期为 6-10 周。HVC 应用工程师会对触发变压器、开关器件以及回路的重击率进行审核。

请提供变压器参数、开关额定值、浪涌波形和重击率。HVC 将在两周内返回二极管等级、包含回路电感分析的 C_s 值以及经过 PD 筛选的 I 类缓冲电路样品。

6. 常见问题

问题1：为什么慢速二极管会使回路噪声增大？

因为其恢复电荷在电压反转后会离开结区。2 µC 的电荷在 500 ns 的恢复时间内会转化为 4 A 的反向电流，最终形成尖峰；而同样的电荷在 50 ns 内则转化为 40 A，这部分电流会被回路电感转换为 1.6 kV 的电压。

Q2：究竟有多少电感驱动了尖峰？

变压器漏电流。在 800 A/µs 的电流密度下，2 µH 的电感会产生 1.6 kV 的电压，而 10 nH 的引线电感会产生 8 V 的电压。引线布置决定了漏电流出现的位置，而 µH 电感值决定了漏电流的大小。

Q3：缓冲电容值会改变什么？

二极管的转换速率通过 dV/dt = I_surge/C_s 来计算。一个 2.2 nF 的电容在 40 A 的浪涌电流下能保持 18 kV/µs 的转换速率；电容值减半会使转换速率加倍，并将二极管推向雪崩区。

Q4：二极管雪崩何时发生？

当回路驱动电压超过击穿电压时，结会吸收 0.5 × L_loop × i_rrm² 的能量，在 2 µH 和 40 A 电流下，该能量为 1.6 mJ。一个没有重复雪崩额定值的二极管可以承受几千次这样的雪崩事件，然后发生短路失效。

Q5：如何降低二极管在 1 kHz 重击频率下的额定功率？

将每次事件的能量消耗 1.1 mJ 乘以速率，得到 1.1 W，将其与结的热阻抗进行比较，并将结的温度保持在 T_jmax 的 80% 以下。并联二极管或低 Q_rr 类型的二极管是实现这一目标的两种方法。

Q6：原型机需要什么样的探头？

使用 500 MHz 差分探头测量二极管两端的信号。检查峰值是否低于雪崩阈值，恢复环是否在一个开关周期内衰减，以及残余尖峰是否低于钳位电压的 1.2 倍。

7。 参考

1. E. Kuffel、WS Zaengl、J. Kuffel 高电压工程基础知识，第 2 版，Newnes，2000 年。
2. N. Mohan、TM Undeland、WP Robbins 电力电子学：变换器、应用和设计，第 3 版，Wiley，2003 年。
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6. 请求推荐用于保护英飞凌 FF300R17KE4P 的缓冲电路，英飞凌开发者社区，https://community.infineon.com/t5/IGBT/Request-for-Snubber-Circuit-Recommendation-for-Protecting-Infineon-FF300R17KE4P/td-p/1241451。
7. L. 郑、L. 朱、J. 刘、Z. 迪和 S. 吉， 金属化薄膜电容器在直流和交流叠加电压及谐波下的自愈特性，发表于 2022 年 IEEE 电气绝缘和介电现象会议 (CEIDP)，第 175-178 页，2022 年。https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286。
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9. IEC 61071:2017， 电力电子电容器，第 2.0 版。日内瓦：国际电工委员会，2017 年。
10. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com