Efecto de los picos de conmutación (duración de 400 ns) en la tensión nominal del condensador

Tengo una unidad de motor que usa condensadores electrolíticos de 63 V, que son la parte con el voltaje nominal más bajo en el enlace de CC de la unidad. Medí los picos de conmutación en el voltaje del enlace de CC (cuidadosamente, con un cable a tierra de resorte en lugar de un clip de tierra para minimizar la longitud del cable) y encontré del orden de picos de 5 V a la frecuencia de conmutación de 20 kHz con 48 V CC nominales; duran del orden de 400-500ns.

Aquí está mi pregunta: ¿cómo afectan estos picos de conmutación a la clasificación del condensador de 63 V? ¿Son lo suficientemente rápidos como para ignorarlos y permitir que el voltaje promedio de CC alcance los 63 V? ¿O debo tener en cuenta estos picos, junto con el margen de ingeniería apropiado, lo que significa que debería detenerme en algún lugar en el rango de 53-58 V según mi cautela?

(Nota: esto supone que me siento cómodo operando hasta la clasificación de 63 V de baja frecuencia, lo cual puedo elegir hacer o no. Esa es una pregunta diferente; estoy preguntando si necesito tener en cuenta los picos de alta frecuencia. )

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La guía de aplicación de Cornell Dubilier establece lo siguiente (sujeto a interpretación, por supuesto)

Los condensadores electrolíticos de aluminio generalmente pueden soportar transitorios de sobrevoltaje extremos de energía limitada. La aplicación de sobrevoltaje de más de 50 V más allá de la clasificación de voltaje de sobrevoltaje del capacitor provoca una alta corriente de fuga y un modo de operación de voltaje de Porcentaje de voltaje nominal constante muy similar a la conducción inversa de un diodo zener. El condensador puede fallar si el electrolito no puede soportar la tensión de tensión, pero incluso si puede, este modo de funcionamiento no se puede mantener por mucho tiempo porque el condensador produce gas hidrógeno y la acumulación de presión provocará la falla. Sin embargo, hay diseños especiales disponibles que utilizan el efecto de sujeción zener de sobrevoltaje para proteger con éxito el equipo de transitorios de sobrevoltaje, como los rayos.

Los condensadores que se utilizan como condensadores de bus en grandes bancos de condensadores de alto voltaje son menos capaces de soportar transitorios de sobrevoltaje debido a que la alta energía y la baja impedancia de la fuente del banco de condensadores pueden evitar que una descarga parcial momentánea se recupere automáticamente y provocar que se convierta en una falla de cortocircuito fuera de control . Para aplicaciones de banco de capacitores de alto voltaje, use capacitores probados para ese uso.

editar: el voltaje anterior se midió a través de un bloque de terminales (estilo Phoenix) que se conecta directamente a los planos de potencia; también lo hace el condensador. También he medido directamente a través del condensador mismo a 24 V --- tuve que inclinar la placa sujetando todo con la mano, presionar el cable del visor y el anillo de tierra contra los terminales del condensador, así que estoy siendo un poco cauteloso antes de probar esto a 48 V:

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(Capturas de pantalla de Agilent MSOX3034A 350 MHz usando una sonda pasiva 10:1 de 500 MHz).

¿Cuánta corriente estás cambiando? ¿De qué tamaño son las gorras?
Este ejemplo particular utiliza un condensador Panasonic ECA1JHG471 470uF 63V (tamaño físico 12,5 mm de diámetro, 20 mm de altura). Lo más probable es que la corriente esté en el rango de 1,0 a 1,5 A, pero es difícil correlacionarla directamente con estos transitorios de conmutación.
¿Cuánto crees que puede cargar una tapa de 470uF a 1,5 A durante 400 nanosegundos? Calculo 1.25mV, no estás viendo lo que crees que estás viendo.
Hay capacitancias planas de alta frecuencia del orden de 500-1000pF, además de la capacitancia de los MOSFET. Nunca dije que este capacitor electrolítico fuera la causa de estos picos. (A frecuencias tan altas, la tapa electrolítica ESR + ESL hace que parezca no capacitiva; la tapa electrolítica me ayuda durante períodos de tiempo más largos).
Eso no es lo que estoy diciendo. Estoy diciendo que el voltaje a través del dieléctrico del capacitor no puede cambiar tanto. Lo que está viendo en el alcance está fuera de la tapa y no viola el voltaje de la tapa, suponiendo que aún no esté en la tapa máxima V.
Mmm. ¿Por qué los picos de voltaje en la tapa no pueden deberse al condensador ESL/ESR? La segunda trama de alcance está en contacto directo con los terminales de la tapa. Supongo que podrían ser problemas de medición, pero no sé qué ignorar en este momento.
Porque a través de los cables que salen de la tapa NO ES a través de las placas del condensador. Eso es interno más allá del límite ESR y la inductancia de los cables. Es probable que los picos se deban al acoplamiento capacitivo a través de lo que sea que esté cambiando. Todo eso está sucediendo mucho más rápido de lo que la gorra en su conjunto puede reaccionar.
Bien, entonces lo que estás diciendo es que el voltaje en los terminales del capacitor no es lo que cuenta para fines de vida/confiabilidad; en cambio, es el voltaje en los electrodos internos . Este es el tipo de respuesta que estaba buscando. En otras palabras, los picos rápidos en los terminales se filtran ligeramente (puntos de interrupción alrededor del SRF). ¿Es correcto mi entendimiento?
Exactamente, debe moderar lo que ve en el alcance con lo que puede suceder de manera realista donde cuenta.

Respuestas (4)

La vida útil de los capacitores electrolíticos de aluminio generalmente se especifica como el tiempo bajo ciertas condiciones de voltaje de CC aplicado, corriente de ondulación y temperatura ambiente y superficial. en estas condiciones del peor de los casos, la vida útil se expresa en horas (p. ej., 1000 h a 90 °C). Por lo tanto, la reducción de estos valores máximos absolutos conduce a valores multiplicadores de vida útil para cada uno de estos parámetros.

El criterio está definido por los parámetros eléctricos del condensador que se han desviado de algún límite especificado. El ESR suele ser el primero en desaparecer, así como la temperatura de autocalentamiento. aumenta con ESR, pronto el capacitor se calentará tanto que de repente se cortará o romperá su ventilación de seguridad y comenzará a secarse y derivará en circuito abierto. Otro modo de falla es el estrés inverso y de sobretensión.

CDE usa los criterios para extender la vida útil por relación de voltaje, Mv de CC aplicada/CC nominal;
Mv = 4,3 - 3,3 Vcc/Vr ... ref p2

Por lo tanto, el uso de una relación Vdc/Vr = 2/3 genera un multiplicador de vida útil de 2,1x, mientras que el uso de 0 Vdc genera un multiplicador de vida útil de 4,3x y una tensión nominal total = 1x.

El voltaje máximo real en los terminales de la tapa es lo que cuenta para el estrés de voltaje de ruptura. Debe medirse directamente a través de la tapa. terminales.

No creo que el voltaje de ondulación en su foto indique mucha corriente de ondulación RMS, por lo que el factor de estrés para la corriente de ondulación es bajo.

No estoy convencido de que esos picos sean reales, al menos no a través del condensador.
Sí, podrían ser de la inductancia entre la tapa y el punto de medición.
Sí, deben ser de la inductancia entre la tapa y el punto de medición. SRF del pulso está en algún lugar entre 10M y> 20MHz de la resonancia que es demasiado alta para un E-cap
Medido a través de un bloque de terminales que se conecta directamente al plano de tierra/alimentación. El condensador se conecta directamente al plano de tierra/alimentación. Por supuesto, hay inductancias en serie en ambos, pero estamos hablando de un cable de 2-3 mm como máximo.
Ver últimas ediciones. Lo más probable es que la resonancia de alta frecuencia se deba a la capacitancia del plano oa la capacitancia de la fuente de drenaje del MOSFET; este diseñador de la placa no colocó tapas de cerámica en los medios puentes, lo que me cabrea.
@JasonS eso significa muy poco, también podría ser simplemente una captación de ruido en la sonda de alcance. Me sorprendería mucho si el voltaje del capacitor pudiera voltearse y oscilar así. Aún no respondiste mi pregunta en la publicación...
FWIW, medí la tierra del osciloscopio con el clip de resorte del anillo de tierra (sin cable de tierra) conectado al enlace de CC negativo, durante el funcionamiento del variador, y fue silencioso (nivel de ruido por debajo de 100 mV; olvidé la cantidad exacta pero fue lo suficientemente pequeño en comparación con la conmutación medidas de espiga que ignoré). Por lo tanto, tengo cierta (no 100%) confianza de que se trata de voltajes reales en lugar de EMI radiada/conducida.
@JasonS Creo que Ecap no está bajo carga aquí. Su corriente de ondulación estaría relacionada con la frecuencia de conmutación del motor. Esta es una resonancia parásita y se debe a una ESR alta en el límite de suministro. ESR*C en E-cap es más probable que sea un rango de 2~200us de mejor a peor y nunca de 0.1 a 0.5us. Esto solo se puede hacer con plásticos, FR4 y cerámica.
No me sorprende; Es probable que todo este problema sea discutible si hubiera tapas de cerámica en los medios puentes.
Los medios puentes suelen tener E-caps de ESR ultrabajos cerca del controlador V+/-
realmente no es apropiado confiar en los electrolíticos para ese propósito -- Embeddedrelated.com/showarticle/588.php
Sí, lo son.... Los e-caps deben tener SRF > f tasa de conmutación de BLDC o paso a paso y ESR << DCR del motor. Suministran la corriente transitoria de conmutación más rápido de lo que puede regular el SMPS. Luego, las tapas de cerámica o plástico pueden mejorar el margen de voltaje nominal de la tapa reducido por picos parásitos en las tapas electrónicas según sea necesario en su caso.
Tony, ¿es el voltaje en las terminales del capacitor o en los electrodos interiores lo que afecta la clasificación de voltaje? En otras palabras, si estos son transitorios rápidos con gran parte del pico de voltaje a través de la inductancia parásita de los cables del capacitor, ¿cuenta contra la clasificación de voltaje?

Nunca escuché a nadie recomendar el funcionamiento de condensadores electrolíticos exactamente a su voltaje nominal. Si desea funcionar a 63 V, le recomendaría reemplazar las tapas. Un margen del 20% sobre el voltaje más alto que espera es probablemente seguro.

Gracias, pero no estoy preguntando sobre la clasificación de voltaje de CC (baja frecuencia); el fabricante del condensador da ciertas garantías, y si elijo ir al 100% o al 90% o al 50% es otra cuestión. Estoy preguntando si el capacitor "ve" picos tan cortos o si son demasiado cortos para tener algún efecto. Sé que los semiconductores de potencia definitivamente verán picos cortos y deben tenerse en cuenta al determinar la clasificación de voltaje.
@JasonS, seguro que puede usarlo al 100%, suponiendo que pueda garantizar que no se exceda en una fracción de un porcentaje. Una buena práctica de diseño es SIEMPRE reducir la calificación de las piezas.

Tus picos tienen Trise de 20 nanosegundos. A través de 10nanoHenry ESL. Con deltaV de 2 voltios.

V = L * dI/dT

dI = dT * V /L

dI = 20 nS * 2v / 10 nS = 4 amperios... ¿suena bien?

Gracias, pero esto no responde a mi pregunta.

¿Cómo mides? Eso parece un artefacto causado por el cambio y el CMRR deficiente de la sonda larga con conexión a tierra. Si usa un cable de tierra muy corto (como 1 cm), probablemente no verá nada.

Para respaldar el punto: se puede ver claramente que hay tres o cuatro frecuencias dominantes, lo que significa que la función de transferencia de cambiar a sonda es compleja. Involucra la inductancia del conductor de tierra, el área de la malla por sonda y su conductor, etc. Cancele todo eso, la imagen será mucho más clara y estará mucho más tranquilo.

Esto es mejor como comentario, no como respuesta. También quité el capuchón de la sonda sin pinza de tierra de cocodrilo. La primera trama del alcance fue con un clip de resorte corto (aproximadamente 1 cm) colocado en el anillo de tierra de la sonda del alcance (lo siento, no tengo una imagen) y contactando el plano de alimentación y tierra a través de los tornillos superiores de un bloque de terminales (aprox. 1cm a planos). El gráfico del segundo osciloscopio se realizó con el clip de resorte retirado y la punta de la sonda y el anillo de tierra presionados directamente contra los terminales del capacitor.
Efecto de los picos de conmutación (duración de 400 ns) en la tensión nominal del condensador
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