Влияние пиков переключения (длительностью 400 нс) на номинальное напряжение конденсатора

У меня есть двигатель, в котором используются электролитические конденсаторы на 63 В, которые являются частью с самым низким номинальным напряжением в звене постоянного тока привода. Я измерил пики переключения напряжения в звене постоянного тока (осторожно, с проводом с пружинным заземлением, а не с зажимом заземления, чтобы минимизировать длину провода) и обнаружил выбросы порядка 5 В при частоте переключения 20 кГц при номинальном напряжении 48 В постоянного тока; они длятся порядка 400-500 нс.

Вот мой вопрос: как эти всплески переключения влияют на номинал конденсатора 63 В? Достаточно ли они быстры, чтобы я мог их игнорировать и позволить среднему напряжению постоянного тока подняться до 63 В? Или мне нужно учитывать эти пики вместе с соответствующим инженерным запасом, что означает, что я должен остановиться где-то в диапазоне 53-58 В в зависимости от моей консервативности?

(Примечание: это предполагает, что мне удобно работать до низкочастотного номинального напряжения 63 В, что я могу или не могу выбрать. Это другой вопрос; я спрашиваю, нужно ли мне принимать во внимание высокочастотные пики. )

введите описание изображения здесь

В руководстве по применению Cornell Dubilier указано следующее (конечно, с учетом интерпретации):

Алюминиевые электролитические конденсаторы обычно могут выдерживать экстремальные переходные процессы перенапряжения с ограниченной энергией. Применение перенапряжения более чем на 50 В выше номинального перенапряжения конденсатора вызывает высокий ток утечки и режим работы с постоянным напряжением в процентах от номинального напряжения, очень похожий на обратную проводимость стабилитрона. Конденсатор может выйти из строя, если электролит не может выдержать скачок напряжения, но даже если выдержит, этот режим работы не может поддерживаться долго, потому что конденсатор вырабатывает газообразный водород, и повышение давления приведет к выходу из строя. Однако доступны специальные конструкции, в которых используется эффект ограничения перенапряжения и стабилитрона для успешной защиты оборудования от переходных процессов перенапряжения, таких как удары молнии.

Конденсаторы, используемые в качестве шинных конденсаторов в больших высоковольтных батареях конденсаторов, в меньшей степени способны выдерживать переходные процессы перенапряжения, потому что высокая энергия и низкое сопротивление источника батареи конденсаторов могут предотвратить мгновенный частичный разряд от самовосстановления и привести к неконтролируемому короткому замыканию. . Для высоковольтных конденсаторных батарей используйте проверенные конденсаторы.

редактирование: указанное выше напряжение было измерено на клеммной колодке (стиль Phoenix), которая подключается непосредственно к силовым плоскостям; так и конденсатор. Я также измерял непосредственно на самом конденсаторе при напряжении 24 В --- пришлось наклонить плату, скрепляющую все вместе, вручную, прижать провод микроскопа и заземляющее кольцо к клеммам конденсатора, поэтому я немного осторожен, прежде чем пробовать это при напряжении 48 В:

введите описание изображения здесь

(Скриншоты Agilent MSOX3034A 350 МГц с использованием пассивного пробника 500 МГц 10:1.)

Какой ток коммутируете? Какого размера колпачки?
В этом конкретном примере используется конденсатор Panasonic ECA1JHG471 470 мкФ 63 В (физический размер: диаметр 12,5 мм, высота 20 мм). Ток, скорее всего, находится в диапазоне 1,0–1,5 А, но его трудно напрямую соотнести с этими переходными процессами переключения.
Как вы думаете, насколько конденсатор емкостью 470 мкФ может заряжаться при токе 1,5 А за 400 наносекунд? Я вычисляю 1,25 мВ. Вы видите не то, что думаете.
Есть высокочастотные плоские емкости порядка 500-1000пФ, плюс емкость от МОП-транзисторов. Я никогда не говорил, что этот электролитический конденсатор был причиной этих всплесков. (На таких высоких частотах электролитическая крышка ESR + ESL заставляет его выглядеть неемкостным; электролитическая крышка помогает мне в течение более длительных периодов времени.)
Это не то, что я говорю. Я говорю, что напряжение на диэлектрике конденсатора не может так сильно меняться. То, что вы видите на прицеле, находится за пределами цоколя и не нарушает цокольное напряжение, при условии, что вы еще не достигли максимального цокольного напряжения V.
Хм. Почему скачки напряжения на крышке не могут быть вызваны ESL/ESR конденсатора? График 2-го прицела напрямую контактирует с клеммами крышки. Я предполагаю, что это могут быть проблемы с измерениями, но я не знаю, что игнорировать в данный момент.
Потому что поперечные провода, выходящие из крышки, НЕ проходят через пластины конденсатора. То есть внутреннее за колпачком ESR и индуктивность выводов. Всплески, вероятно, связаны с емкостной связью через то, что вы переключаете. Это все происходит намного быстрее, чем может отреагировать кепка в целом.
Итак, вы говорите, что напряжение на клеммах конденсатора не имеет значения для срока службы/надежности; вместо этого это напряжение на внутренних электродах . Это тот ответ, который я искал. Другими словами, быстрые всплески на терминалах слегка фильтруются (точки останова вокруг SRF). Правильно ли я понимаю?
Именно, вы должны умерить то, что вы видите в прицеле, с тем, что может реально произойти там, где это имеет значение.

Ответы (4)

Срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов обычно определяется как время при определенных условиях приложенного постоянного напряжения, пульсирующего тока, температуры окружающей среды и поверхности. в этих наихудших условиях срок службы выражается в часах (например, 1000 ч при 90°C). Таким образом, снижение этих абсолютных максимальных значений приводит к множителям значений срока службы для каждого из этих параметров.

Критерий определяется тем, что электрические параметры конденсатора вышли за пределы определенного предела. ESR обычно уходит первым, так как температура самонагрева. повышается с ESR, вскоре конденсатор либо нагреется настолько, что внезапно закоротит, либо разорвет предохранительный клапан, начнет высыхать и дрейфовать в разомкнутой цепи. Другим видом отказа является обратное напряжение и перенапряжение.

CDE использует критерии продления срока службы по соотношению напряжений, Mv приложенного постоянного тока к номинальному постоянному току;
Mv = 4,3–3,3 В пост. тока/Вр ... ссылка p2

Таким образом, использование соотношения Vdc/Vr = 2/3 приводит к увеличению срока службы в 2,1 раза, в то время как использование 0 В постоянного тока приводит к увеличению срока службы в 4,3 раза, а полное номинальное напряжение = 1x.

Фактическое пиковое напряжение на клеммах колпачка — это то, что считается напряжением пробоя. Он должен быть измерен непосредственно на крышке. терминалы.

Я не думаю, что пульсирующее напряжение на вашей фотографии указывает на сильное среднеквадратичное значение пульсирующего тока, поэтому фактор стресса для пульсирующего тока низкий.

Я не уверен, что эти всплески реальны, по крайней мере, на конденсаторе.
Да, они могут быть из-за индуктивности между крышкой и точкой измерения.
Да они должны быть от индуктивности между крышкой и точкой измерения. SRF импульса находится где-то между 10M и> 20MHz от резонанса, который слишком высок для E-cap.
Измеряется через клеммную колодку, которая подключается непосредственно к плоскости заземления/питания. Конденсатор подключается непосредственно к плоскости заземления/питания. Конечно, в обоих есть последовательные индуктивности, но мы говорим о проводе 2-3 мм макс.
Смотрите последние изменения. ВЧ-резонанс, скорее всего, обусловлен плоскостной емкостью или емкостью сток-исток полевого МОП-транзистора; этот дизайнер платы не поставил керамические колпачки на полумосты, что меня бесит.
@JasonS это очень мало значит, это также может быть просто шум в зонде прицела. Я был бы очень удивлен, если бы напряжение на конденсаторе могло так колебаться и колебаться. Вы еще не ответили на мой вопрос в посте...
FWIW Я измерил заземление прицела с помощью пружинного зажима с заземляющим кольцом (без заземляющего провода), подключенного к отрицательному звену постоянного тока, во время работы привода, и он был тихим (уровень шума ниже 100 мВ; я забыл точную величину, но она была достаточно мала по сравнению с переключением пиковые измерения, которые я проигнорировал). Так что у меня есть некоторая (не 100%) уверенность, что это реальные напряжения, а не излучаемые/проводимые электромагнитные помехи.
@JasonS Я думаю, что Ecap здесь не загружен. Его пульсации тока будут связаны с частотой коммутации двигателя. Это паразитный резонанс из-за высокого ESR на крышке питания. ESR * C на E-cap, скорее всего, составляет 2 ~ 200 мкс в диапазоне от лучшего к худшему и никогда от 0,1 до 0,5 мкс. Это могут сделать только пластмассы, FR4 и керамика.
Я не удивлен; весь этот вопрос, вероятно, был бы спорным, если бы на полумостах были керамические колпачки.
Полумостовые модели обычно имеют E-caps со сверхнизким ESR рядом с драйвером V+/-.
действительно неуместно полагаться на электролиты для этой цели - embeddedrelated.com/showarticle/588.php
Да, они есть .... электронные конденсаторы должны иметь SRF> f скорость коммутации BLDC или шагового двигателя и ESR << DCR двигателя. Они обеспечивают коммутационный переходный ток быстрее, чем SMPS может регулировать. Затем керамические или пластиковые колпачки могут улучшить запас по номинальному напряжению конденсатора, уменьшенный паразитными пиками на электронных колпачках, как это необходимо в вашем случае.
Тони, напряжение на клеммах конденсатора или на внутренних электродах влияет на номинальное напряжение? Другими словами, если это быстрые переходные процессы с большей частью пикового напряжения на паразитной индуктивности выводов конденсатора, учитывается ли это при номинальном напряжении?

Я никогда не слышал, чтобы кто-нибудь рекомендовал использовать электролитические конденсаторы точно при их номинальном напряжении. Если вы хотите работать от 63 В, я бы порекомендовал заменить колпачки. 20-процентный запас по максимальному ожидаемому напряжению, вероятно, безопасен.

Спасибо, но я не спрашиваю о номинальном напряжении постоянного тока (низкой частоты); производитель конденсаторов дает определенные гарантии, а выберу ли я 100%, 90% или 50%, это другой вопрос. Я спрашиваю, «видит» ли конденсатор такие короткие всплески или они слишком короткие, чтобы иметь какой-либо эффект. Я знаю, что силовые полупроводники обязательно увидят короткие всплески, и их нужно учитывать при определении номинального напряжения.
@JasonS уверен, что вы можете использовать его на 100%, если вы можете гарантировать, что не превысите доли процента. Хорошей практикой проектирования является ВСЕГДА снижение стоимости деталей.

Ваши шипы имеют 20 наносекунд Trise. Через 10nanoHenry ESL. С deltaV 2 вольта.

V = L * dI/dT

dI = dT * В / л

dI = 20 нСм * 2 В / 10 нСм = 4 ампера... звучит примерно так?

Спасибо, но это не ответ на мой вопрос.

Как вы измеряете? Это похоже на артефакт, вызванный переключением и плохим CMRR длинного заземляющего зонда. Если вы используете очень короткий заземляющий провод (например, 1 см), вероятно, вы ничего не увидите.

В подтверждение: хорошо видно, что доминирующих частот три-четыре, т. е. передаточная функция переключения на пробник сложная. Он включает в себя индуктивность заземляющего провода, площадь сетки щупа и его провода и так далее. Отмените все это, картина станет намного четче, и вы будете намного спокойнее.

Это лучше как комментарий, а не ответ. Также я снял кожух зонда без зажима заземления типа «крокодил». Первый график осциллографа был с коротким (около 1 см) пружинным зажимом, помещенным на заземляющее кольцо зонда осциллографа (извините, у меня нет изображения) и контактирующим с плоскостью питания и заземления через верхние винты клеммной колодки (приблизительно 1см до плоскостей). На 2-м графике осциллографа был снят пружинный зажим, а наконечник пробника и заземляющее кольцо были прижаты непосредственно к клеммам конденсатора.
Влияние пиков переключения (длительностью 400 нс) на номинальное напряжение конденсатора
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v