激光焊接高压电源中的电压尖峰钳位

激光焊接高压电源中的电压尖峰钳位

抽象

激光焊接可在数百纳秒内将焊接电流从 10 A 切换到 100 A，同时克服 5 µH 的杂散电感。本文给出了将 40 A 电流和 5 µH 杂散电感转化为 2 kV 瞬态电压和 4 mJ 能量的尖峰和能量方程；将 400 V 母线上的过冲电压控制在 80 V 以内的钳位电容；将残余电感控制在钳位电压 10% 以下的回路电感规则；以及验证这些规则的双脉冲测试。

1. 引言

激光焊接可在陡峭边缘上进行。高压单元为小孔提供数万伏电压，而工艺电子设备则在数百纳秒内切换10安至100安的焊接电流和辅助电流。

所有这些过渡过程都会与电感相互作用：高压变压器漏感、母线、焊接电缆和夹具回路。其结果是产生电压尖峰，可达额定电路电压的 1.5 倍至 3 倍，在谐振时更高。

尖峰是指在微秒内释放的感应能量。在高压源输出级，10 kV 母线上的 2 kV 尖峰相当于 20% 的过应力。在 400 V 直流链路上，则相当于 5 倍的过应力，足以损坏开关半导体。

一项针对80台激光焊接机的研究表明，18%的电力电子故障是由钳位电路未钳位或钳位电路尺寸过小造成的，典型的故障是开关被超过额定值15%至25%的尖峰电压损坏。每次故障造成的损失为800至3,500美元，并导致4至8小时的生产中断。

2. 核心机制

2.1 尖峰电压和能量

瞬态幅值取决于杂散电感和电流斜率：

V_spike = L_stray × dI/dt

其中 V_spike 为感应电压，L_stray 为换向回路中的杂散电感，dI/dt 为电流换向速率。100 ns 内 40 A 的电流跃迁速率为 4 × 10⁸ A/s，当回路电感为 5 µH 时，尖峰电压可达 2,000 V。

电感器中储存的能量就是钳形元件必须吸收的能量：

E_spike = 0.5 × L_stray × I²

其中 E_spike 为每次事件的能量，I 为开关瞬间的电流。当电感为 5 µH，电流为 40 A 时，每次事件的能量为 4 mJ。

2.2 平均钳位功率

夹具必须以该过程的重复频率耗散该能量：

P_clamp = E_spike × f_rep

其中 P_clamp 为钳位电路中的平均功率，f_rep 为重复频率。在 6 kHz 频率下，4 mJ 的事件会转化为 24 W 的持续耗散，而电流更高的故障瞬态事件单次即可产生超过 100 mJ 的能量。

2.3 钳位电容器的选型

钳位电容器必须吸收事件能量，同时母线电压的上升幅度不得超过允许的过冲量：

0.5 × L × I² = 0.5 × C_clamp × [(V_bus + ΔV)² − V_bus²]

其中 C_clamp 为钳位电容，V_bus 为母线电压，ΔV 为允许的过冲量。求解电容即可得到该节点的尺寸计算公式：

C_clamp = L × I² / [(V_bus + ΔV)² − V_bus²]

其中 C_clamp 为最小钳位电容。当 L = 5 µH，I = 40 A，V_bus = 400 V 且 ΔV = 80 V 时，该值为 114 nF，因此，额定电压高于 1.2 × 480 V 的 100 nF 至 220 nF 的元件是实际可行的选择。

2.4 钳位回路电感和振铃频率

钳位电路的有效性取决于其回路的有效性。开关两端的残余过冲如下：

V_os = L_loop × dI/dt

其中 V_os 为超过钳位电平的过冲量，L_loop 为钳位回路的电感。设计规则：保持 V_os 低于 480 V 钳位电平的 10%，在 4 × 10⁹ A/s 的故障边沿下，这意味着回路电感低于 12 nH。

钳位电容器和漏感构成了一个谐振回路，除非进行阻尼处理，否则该回路会产生谐振：

f_ring = 1 / (2π × √(L_leak × C_clamp))

其中 f_ring 为振铃频率，L_leak 为漏感，C_clamp 为钳位电容。当电感为 5 µH，电容为 114 nF 时，谐振回路的振铃频率为 211 kHz；串联一个 2 Ω 至 5 Ω 的电阻可以将该振铃转换为阻尼稳定信号。

图 1 — RCD 钳位装置将 400 V 母线上的 2 kV 尖峰事件抑制到 80 V 过冲；220 nF 部分和 10 nH 回路承受 100 mJ 故障情况。

3. 工程痛点

痛点 1：钳位电容器的容量是根据纹波而非故障能量来设计的。

稳态纹波钳位电路在第一次故障瞬态发生时就会失效。当焊接电流斜坡遇到松动的夹具连接时，单次事件能量会增加三倍，钳位电容过充，钳位二极管击穿，开关随后会接收到完整的未钳位尖峰信号。

痛点二：钳位回路电感抵消了钳位效果

钳位电路的性能取决于其回路的精度。在钳位电容器和开关之间留有 50 毫米的走线时，增加的 20 nH 电感使得在 4 × 10⁹ A/s 的故障边沿处，残余过冲达到 480 V 钳位电平的 17%，而开关则吸收了这部分差值。

痛点 3：主动保护对于 100 纳秒的事件来说速度太慢。

经典的 1 µs 过压保护路径会在 100 ns 尖峰过后很久才响应。等到比较器触发时，开关已经承受了过压。钳位电路必须是被动的瞬时路径；主动保护只能起到辅助作用。

痛点 4：变压器泄漏导致的夹环损坏

钳位电容和变压器漏感构成一个LC谐振回路，除非受到阻尼，否则会以211 kHz的频率振荡。此时，单个尖峰会变成衰减振荡，反复冲击开关，并给过程增加可听噪声。

4. 设计步骤

策略一：根据最坏情况的故障确定夹具尺寸

在焊接电流最大、回路电感最小的情况下，确定最差工作点的最大单粒子能量，然后加上 2 倍裕量。例如，上述示例中，一个额定耗散功率为平均钳位功率两倍的 220 nF 钳位电容器即可提供裕量。

策略二：将钳形线圈的电流保持在 10 nH 以下

将钳位二极管和电容器直接跨接在开关器件的端子上，并尽可能使用最小的回路面积和较宽的铜箔。这样，V_os = L_loop × dI/dt 就能使故障边缘的残余电流保持在钳位电平的 10% 以下。

策略 3：使二极管与脉冲速度相匹配

选择夹具 快速恢复二极管 恢复时间低于 75 ns，并采用软恢复以避免瞬态振铃。它还必须能够承受峰值钳位电流，因此对于 40 A 的开关电流，额定电流为 60 A、瞬态裕量为 2 倍的二极管是基准选择。

策略四：抑制钳位共振

在钳位电容上并联一个小电容，并串联一个 2 Ω 至 5 Ω 的电阻。这样可以将 211 kHz 的环路转换为临界阻尼稳定信号，而不会改变钳位电路的稳态功能。

策略 5：同时钳位高压输出轨

对于10 kV母线，在变压器二次侧直接并联一个约1 nF、20 kV的高压钳位电容器，并串联一个快速恢复高压二极管，以吸收倍增器漏电流瞬态。 N4700 局部放电低于 5 pC 且温度变化不超过 ±30 ppm/°C 的部分，在整个温度范围内保持钳位阈值，并且 薄膜电容器 覆盖脉冲能量较大的同一节点。

策略 6：通过双脉冲测试验证钳位

对每种钳位电路设计都应进行双脉冲最大电流测试，并在 200 MHz 示波器上测量峰值过冲和稳定时间。这样可以将钳位电路设计转化为可测量的裕量，通常可确保其裕量为开关额定值的两倍。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	500V直流电压下电阻大于10GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 用于尖峰钳位的高压电容器

钳位电容器吸收原本会损坏开关的能量，因此它必须能够承受反复的故障事件而不发生漂移或发热。HVC 使用 N4700 (T3M) I 类介质、钛酸锶基电容器制造这些部件，电压范围从 1 kV 到 100 kV。

此节点上重要的六个参数

• 脉冲能量吸收。I类结构能够储存和释放能量，而不会像II类陶瓷那样出现极化疲劳，因此20 kV钳位电容器可以承受重复的100 mJ脉冲，而不会发生电容漂移。
• 额定电压下局部放电低于 5 pC，出厂时已进行屏蔽，因此钳位电路在尖峰期间不会产生自身的瞬态电流。
• 稳定的钳位阈值随温度变化。±30 ppm/°C 的温度系数和 0.1% 或更低的损耗因子可确保在焊接台面升温过程中钳位电压保持稳定。
• 低等效串联电感 (ESL) 实现快速导通。径向引线和螺钉端子封装将等效串联电感保持在 30 nH 以下，因此钳位电路可在 100 ns 的脉冲窗口内做出反应。
• 电压额定值与母线匹配，从 1 kV 辅助钳位到 40 kV 输出钳位，并具有来自同一供应商的一致的 PD 和热数据。
• 替换记录。40 kV / 441系列螺钉端子电容器被认证为ASML光刻机光源维修项目中日本村田螺钉式电容器的直接替代品。

输出轨钳位电路承载着全部总线电压，因此 HVCT8G 带有 40 毫米端子线和 8 nH 环路电感的轮廓覆盖了该位置，并保持夹紧环路较短。

交付和支持

标准部件的交货期为 4 至 8 周，配套的夹具组件的交货期为 6 至 10 周。HVC 支持夹具尺寸计算、脉冲能量验证、双脉冲测试方案以及定制的电压和电容组合。

请提供开关电流、换向时间、杂散电感、母线电压和重复频率。HVC 将返回一个钳位电路设计方案，其中包含预测的过冲、脉冲能量报告以及用于双脉冲验证的样本。HVC 器件的电气参数和封装尺寸均与预期相符。 日前，Vishay 以及其他一流高压系列产品。

6. 常见问题

问题1：40 A 电流在 100 ns 内产生的尖峰有多大？

V_spike = L × dI/dt。当电流为 4 × 10⁸ A/s，通过 5 µH 的杂散电感时，尖峰电压达到 2,000 V，是 10 kV 母线电压的 20%，是 400 V 直流链路电压的 5 倍。

Q2：一个事件蕴含多少能量？

E_spike = 0.5 × L × I²。在 5 µH 和 40 A 的条件下，每次事件的能量为 4 mJ，在 6 kHz 的重复频率下，平均钳位功率为 24 W。一次故障瞬态事件的能量可能超过 100 mJ。

Q3：钳位电容是如何计算的？

C_clamp = L I² / [(V_bus + ΔV)² − V_bus²]。对于 5 µH、40 A、400 V 母线和 80 V 容许值，该值为 114 nF，因此应安装 220 nF 以覆盖故障情况并留有余量。

Q4：夹钳与开关之间必须保持多近的距离？

足够精确，以使 V_os = L_loop × dI/dt 保持在钳位电平的 10% 以下。在 4 × 10⁹ A/s 的断层边缘，这意味着回路电感低于 12 nH，而 50 mm 的走线本身就增加了 20 nH。

Q5：夹紧环的作用是什么？它是如何阻尼的？

f_ring = 1 / (2π√(L_leak C_clamp))。当电感为 5 µH，电容为 114 nF 时，谐振回路的谐振频率为 211 kHz。串联一个 2 Ω 至 5 Ω 的电阻，并联一个小电容，可以将谐振回路转换为阻尼稳定回路。

Q6：主动过压保护能否替代钳位保护？

不行。1微秒的保护路径无法在100纳秒的脉冲窗口内响应，开关会在比较器触发之前承受过应力。钳位必须是被动且瞬时的，并辅以主动保护作为备用。

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。
3. MIL-HDBK-217F 通知 2， 电子设备可靠性预测1995。
4. IEC 62477-1:2022， 电力电子变换系统和设备的安全要求 - 第1部分：总则，第 2 版。日内瓦：IEC，2022 年。
5. IEC 61000-4-5:2014+AMD1:2017 CSV, 电磁兼容性 (EMC) – 第 4-5 部分：测试和测量技术 – 浪涌抗扰度测试，第 3.1 版。日内瓦：国际电工委员会，2017 年。
6. GB/T 7247.1-2024， 激光产品的安全第1部分：设备分类和要求。 北京: 中国标准出版社, 2024.
7. B. Khanzadeh、Y. Okazaki 和 T. Thiringer， 采用三相中频变压器的大功率中压直流-直流变换器中电容器和开关尺寸的比较IEEE 新兴和精选电力电子主题期刊，第 9 卷，第 3 期，第 3331-3338 页，2021 年。https://doi.org/10.1109/jestpe.2020.2999726。
8. M. Xiao等人 金属化薄膜电容器的局部放电和自愈合特性研究，发表于 2024 年 IEEE 第五届国际电介质会议 (ICD)，第 1-4 页，2024 年。https://doi.org/10.1109/icd59037.2024.10613348
9. MKP金属化薄膜脉冲电容器——产品亮点KEMET Electronics，https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors。
10. 美国 6,760,215, 具有高电压击穿阈值的电容器DF DeVoe（与 Presidio 相关），2004 年授权，https://www.freepatentsonline.com/6760215.html。
11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com