Auswirkung von Schaltspitzen (400 ns Dauer) auf die Nennspannung des Kondensators

Ich habe einen Motorantrieb, der 63-V-Elektrolytkondensatoren verwendet, die der Teil mit der niedrigsten Nennspannung am DC-Zwischenkreis des Antriebs sind. Ich habe die Schaltspitzen an der Zwischenkreisspannung gemessen (sorgfältig, mit Feder-Erdungsleitung statt Erdungsklemme, um die Leitungslänge zu minimieren) und in der Größenordnung von 5-V-Spitzen bei der 20-kHz-Schaltfrequenz mit 48 VDC nominal gefunden; sie dauern in der Größenordnung von 400–500 ns.

Hier ist meine Frage: Wie wirken sich diese Schaltspitzen auf die 63-V-Kondensatorleistung aus? Sind sie schnell genug, dass ich sie ignorieren und die durchschnittliche DC-Spannung auf 63 V ansteigen lassen kann? Oder muss ich diese Spitzen zusammen mit einem angemessenen technischen Spielraum berücksichtigen, was bedeutet, dass ich je nach meiner Konservativität irgendwo im Bereich von 53 bis 58 V anhalten sollte?

(Anmerkung: Dies setzt voraus, dass ich mit dem Niederfrequenz-Nennwert von 63 V zufrieden bin, was ich tun kann oder nicht. Das ist eine andere Frage; ich frage, ob ich die Hochfrequenzspitzen berücksichtigen muss. )

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Der Anwendungsleitfaden von Cornell Dubilier besagt Folgendes (je nach Interpretation natürlich):

Aluminium-Elektrolytkondensatoren können im Allgemeinen extremen Überspannungstransienten mit begrenzter Energie standhalten. Das Anlegen einer Überspannung von mehr als etwa 50 V über die Nennstoßspannung des Kondensators hinaus verursacht einen hohen Leckstrom und einen Betriebsmodus mit konstanter Prozentspannung, ganz ähnlich wie die Sperrleitung einer Zenerdiode. Der Kondensator kann kurz ausfallen, wenn der Elektrolyt die Spannungsbelastung nicht aushalten kann, aber selbst wenn dies möglich ist, kann dieser Betriebsmodus nicht lange aufrechterhalten werden, da der Kondensator Wasserstoffgas produziert und der Druckaufbau zu einem Ausfall führt. Es sind jedoch spezielle Designs erhältlich, die den Überspannungs-Zener-Klemmeffekt nutzen, um Geräte erfolgreich vor Überspannungstransienten wie Blitzeinschlägen zu schützen.

Kondensatoren, die als Buskondensatoren in großen Hochspannungs-Kondensatorbänken verwendet werden, sind weniger in der Lage, Überspannungstransienten standzuhalten, da die hohe Energie und die niedrige Quellenimpedanz der Kondensatorbank eine vorübergehende Teilentladung an der Selbstheilung hindern und zu einem außer Kontrolle geratenen Kurzschlussfehler führen können . Verwenden Sie für Hochspannungs-Kondensatorbankanwendungen Kondensatoren, die sich für diesen Einsatz bewährt haben.

Bearbeiten: Die obige Spannung wurde über einen Klemmenblock (Phoenix-Stil) gemessen, der direkt mit Stromversorgungsebenen verbunden ist. ebenso der Kondensator. Ich habe auch direkt über dem Kondensator selbst bei 24 V gemessen --- musste die Platine, die alles von Hand zusammenhielt, hochkippen, das Oszilloskopkabel und den Erdungsring gegen die Kondensatoranschlüsse drücken, also bin ich etwas vorsichtig, bevor ich dies bei 48 V versuche:

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(Screenshots von Agilent MSOX3034A 350 MHz mit 500 MHz 10:1 passivem Tastkopf.)

Wie viel Strom schaltest du? Welche Größe haben die Kappen?
Dieses spezielle Beispiel verwendet einen Panasonic ECA1JHG471 470 uF 63 V Kondensator (physikalische Größe 12,5 mm Durchmesser, 20 mm Höhe). Der Strom liegt höchstwahrscheinlich im Bereich von 1,0 - 1,5 A, aber es ist schwierig, ihn direkt mit diesen Schalttransienten zu korrelieren.
Was glauben Sie, wie viel eine 470-uF-Kappe bei 1,5 A für 400 Nanosekunden aufladen kann? Ich schätze 1,25 mV, Sie sehen nicht, was Sie zu sehen glauben.
Es gibt Kapazitäten in der Hochfrequenzebene in der Größenordnung von 500-1000 pF plus Kapazität von MOSFETs. Ich habe nie gesagt, dass dieser Elektrolytkondensator die Ursache für diese Spitzen war. (Bei so hohen Frequenzen sieht der Elko ESR + ESL nicht kapazitiv aus; der Elko hilft mir über längere Zeiträume.)
Das sage ich nicht. Ich sage, die Spannung über dem Kondensatordielektrikum kann sich nicht so stark ändern. Was Sie auf dem Oszilloskop sehen, liegt außerhalb der Kappe und verletzt nicht die Kappenspannung, vorausgesetzt, Sie befinden sich nicht bereits bei der maximalen V-Kappe.
Hmm. Warum können Spannungsspitzen über der Kappe nicht auf ESL / ESR des Kondensators zurückzuführen sein? Das Diagramm des 2. Oszilloskops kontaktiert direkt die Kappenanschlüsse. Ich nehme an, es könnten Messprobleme sein, aber ich weiß nicht, was ich an dieser Stelle ignorieren soll.
Denn über die Drähte, die aus der Kappe kommen, liegt NICHT über den Kondensatorplatten. Das ist intern jenseits der Kappe ESR und Induktivität der Zuleitungen. Die Spitzen sind wahrscheinlich auf die kapazitive Kopplung durch das, womit Sie schalten, zurückzuführen. Das geht alles viel schneller, als die Kappe als Ganzes reagieren kann.
Okay, Sie sagen also, dass die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators nicht für die Lebensdauer / Zuverlässigkeit zählt. stattdessen ist es die Spannung an den inneren Elektroden . Das ist die Art von Antwort, nach der ich gesucht habe. Mit anderen Worten, schnelle Spitzen an den Terminals werden leicht gefiltert (Knickpunkte um den SRF herum). Ist mein Verständnis richtig?
Genau, Sie müssen das, was Sie auf dem Zielfernrohr sehen, mit dem abmildern, was realistischerweise passieren kann, wo es darauf ankommt.

Antworten (4)

Die Lebensdauer von Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird im Allgemeinen als die Zeit unter bestimmten Bedingungen der angelegten Gleichspannung, des Restwelligkeitsstroms sowie der Umgebungs- und Oberflächentemperatur angegeben. Unter diesen Worst-Case-Bedingungen wird die Lebensdauer in Stunden ausgedrückt (z. B. 1000 h bei 90 °C). Somit führt die Herabsetzung dieser absoluten Maximalwerte zu Multiplikatorwerten der Lebensdauer für jeden dieser Parameter.

Das Kriterium wird dadurch definiert, dass die elektrischen Parameter des Kondensators außerhalb einer bestimmten Grenze gedriftet sind. Der ESR geht normalerweise zuerst, also als Eigenerwärmungstemp. mit ESR ansteigt, wird der Kondensator bald entweder so heiß, dass er plötzlich kurzschließt oder dass er seine Sicherheitsentlüftung reißt und beginnt auszutrocknen und einen offenen Stromkreis zu driften. Ein weiterer Fehlermodus ist Rückwärts- und Überspannungsbelastung.

CDE verwendet die Kriterien für die Verlängerung der Lebensdauer nach dem Spannungsverhältnis, Mv des angelegten Gleichstroms/bewerteten Gleichstroms;
Mv = 4,3 - 3,3 VDC/Vr ... ref p2

Somit führt die Verwendung des Verhältnisses Vdc/Vr = 2/3 zu einem Lebensdauermultiplikator von 2,1x, während die Verwendung von 0Vdc zu einem Lebensdauermultiplikator von 4,3x und einer vollen Nennspannung = 1x führt

Maßgebend für die Durchbruchspannungsbelastung ist die tatsächliche Spitzenspannung an den Kappenanschlüssen. Es muss direkt über der Kappe gemessen werden. Endgeräte.

Ich glaube nicht, dass die Welligkeitsspannung auf Ihrem Foto viel RMS-Welligkeitsstrom anzeigt, sodass der Stressfaktor für Welligkeitsstrom gering ist.

Ich bin nicht davon überzeugt, dass diese Spitzen echt sind, zumindest nicht über den Kondensator.
Ja, sie könnten von der Induktivität zwischen Kappe und Messpunkt stammen.
Ja, sie müssen von der Induktivität zwischen Kappe und Messpunkt stammen. Die SRF des Impulses liegt irgendwo zwischen 10 M und > 20 MHz von der Resonanz entfernt, was für eine E-Kappe viel zu hoch ist
Gemessen über eine Klemmleiste, die direkt mit der Erdungs-/Stromversorgungsebene verbunden ist. Der Kondensator ist direkt mit der Erdungs-/Leistungsebene verbunden. Natürlich gibt es in beiden Serieninduktivitäten, aber wir sprechen von 2-3 mm Draht max.
Siehe letzte Änderungen. Die HF-Resonanz ist höchstwahrscheinlich auf eine Ebenenkapazität oder eine MOSFET-Drain-Source-Kapazität zurückzuführen; Dieser Platinendesigner hat keine Keramikkappen über die Halbbrücken gelegt, was mich ärgert.
@JasonS das bedeutet sehr wenig, es könnte auch einfach eine Geräuschaufnahme in der Oszilloskopsonde sein. Ich wäre sehr überrascht, wenn die Kondensatorspannung so kippen und oszillieren kann. Du hast meine Frage im Post noch nicht beantwortet...
FWIW Ich habe die Oszilloskoperdung mit Massering-Federklemme (kein Massekabel) gemessen, die während des Antriebsbetriebs mit dem Minuspol des DC-Links verbunden war, und es war leise (Rauschpegel unter 100 mV; ich habe die genaue Menge vergessen, aber es war klein genug im Vergleich zum Schalten Spike-Messungen, die ich ignoriert habe). Daher habe ich ein gewisses (nicht 100%) Vertrauen, dass es sich eher um echte Spannungen als um abgestrahlte / geleitete EMI handelt.
@JasonS Ich denke, das Ecap ist hier nicht unter Last. Sein Welligkeitsstrom würde mit der Kommutierungsfrequenz des Motors zusammenhängen. Dies ist eine parasitäre Resonanz und auf einen hohen ESR an der Versorgungskappe zurückzuführen. ESR * C auf E-Cap liegt höchstwahrscheinlich im Bereich von 2 bis 200 us vom besten zum schlechtesten und niemals zwischen 0,1 und 0,5 us. Dies können nur Kunststoffe, FR4 und Keramik leisten
Ich bin nicht überrascht; Dieses ganze Problem wäre wahrscheinlich strittig, wenn es Keramikkappen über den Halbbrücken gäbe.
Halbbrücken haben normalerweise E-Caps mit extrem niedrigem ESR in der Nähe des Treibers V+/-
wirklich nicht angemessen, sich zu diesem Zweck auf Elektrolyte zu verlassen -- embeddedrelated.com/showarticle/588.php
Ja, das sind sie ... E-Caps müssen SRF > f Kommutierungsrate von BLDC oder Schrittmotor und ESR << DCR des Motors haben. Sie liefern den Kommutierungstransientenstrom schneller als das SMPS regulieren kann. Dann können Keramik- oder Kunststoffkappen die Nennspannungsspanne der Kappe verbessern, die durch parasitäre Spitzen an den E-Kappen verringert wird, wie es in Ihrem Fall erforderlich ist.
Tony, ist es die Spannung an den Kondensatoranschlüssen oder an den Innenelektroden , die die Nennspannung beeinflusst? Mit anderen Worten, wenn es sich um schnelle Transienten mit einem Großteil der Spitzenspannung über der parasitären Induktivität der Kondensatorleitungen handelt, wird dies auf die Nennspannung angerechnet?

Ich habe noch nie gehört, dass jemand empfohlen hat, Elektrolytkondensatoren genau mit ihrer Nennspannung zu betreiben. Wenn Sie mit 63 V arbeiten möchten, würde ich empfehlen, die Kappen auszutauschen. Eine Marge von 20 % über der erwarteten Höchstspannung ist wahrscheinlich sicher.

Danke, aber ich frage nicht nach der DC-Nennspannung (Niederfrequenz). der Kondensatorhersteller gibt gewisse Zusicherungen, und ob ich mich für 100 % oder 90 % oder 50 % entscheide, ist eine andere Sache. Ich frage, ob der Kondensator solche kurzen Spitzen "sieht" oder ob sie zu kurz sind, um Auswirkungen zu haben. Ich weiß, dass Leistungshalbleiter die kurzen Spitzen definitiv sehen werden und sie bei der Bestimmung der Nennspannung berücksichtigt werden müssen.
@JasonS sicher, dass Sie es zu 100% verwenden können, vorausgesetzt, Sie können garantieren, dass Sie es nicht um einen Bruchteil eines Prozents überschreiten. Gute Konstruktionspraxis besteht IMMER darin, Teile abzuwerten.

Ihre Spikes haben 20 Nanosekunden Trise. Über 10nanoHenry ESL. Mit deltaV von 2 Volt.

V = L * dI/dT

dI = dT * V /L

dI = 20 nS * 2 V / 10 nS = 4 Ampere ...................... klingt ungefähr richtig?

Danke aber das beantwortet meine Frage nicht.

Wie messen Sie? Das sieht nach einem Artefakt aus, das durch Schalten und schlechtes CMRR einer langen massebehafteten Sonde verursacht wird. Wenn Sie ein sehr kurzes Massekabel (etwa 1 cm) verwenden, werden Sie wahrscheinlich nichts sehen.

Um den Punkt zu untermauern: Es ist deutlich zu sehen, dass drei bis vier dominante Frequenzen vorhanden sind, was bedeutet, dass die Übertragungsfunktion des Umschaltens auf die Sonde komplex ist. Es beinhaltet die Induktivität der Masseleitung, die Fläche des Netzes durch die Sonde und ihre Leitung und so weiter. Löschen Sie all diese, das Bild wird viel klarer und Sie werden viel ruhiger sein.

Dies ist besser als Kommentar, nicht als Antwort. Außerdem habe ich die Sondenhaube ohne Krokodilklemme abgenommen. Das erste Oszilloskopdiagramm wurde mit einer kurzen (ca. 1 cm) Federklemme auf dem Erdungsring der Oszilloskopsonde platziert (sorry, ich habe kein Bild) und die Stromversorgungs- und Erdungsebene durch die oberen Schrauben eines Klemmenblocks kontaktiert (ca 1 cm zu Flugzeugen). Beim 2. Oszilloskopdiagramm wurde die Federklemme entfernt und die Sondenspitze und der Erdungsring direkt auf die Kondensatoranschlüsse gedrückt.
Auswirkung von Schaltspitzen (400 ns Dauer) auf die Nennspannung des Kondensators
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