Kondensatorbänke für gemeinsam genutzte PEC- und EMAT-Impulsquellen

Kondensatorbänke für gemeinsam genutzte PEC- und EMAT-Impulsquellen

Abstract

PEC und EMAT stellen gegensätzliche Anforderungen an eine Impulsquelle. PEC benötigt ein langes Rechteckimpulssignal mit hohem Strom, EMAT hingegen einen kurzen, hochspannungsstarken Impuls. Ein zeitmultiplexierter Kondensatorblock kann beide Betriebsarten bedienen, wobei die Schalter, die Kapazitätsabgriffe und die Ladeschiene die beiden Betriebsarten voneinander trennen. Dieser Artikel beschreibt die Unterschiede in den Impulsparametern, die Speicher- und Abfallbeziehungen, die Totzeit- und Isolationsprobleme sowie die Anpassungsregeln, die die Stabilität beider Betriebsarten gewährleisten.

1. Einleitung

Das EU-Programm Horizon 2020 zur multimodalen zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) untersuchte, ob PEC und EMAT einen Impulsgenerator gemeinsam nutzen können. Die beiden Verfahren messen unterschiedliche Eigenschaften und belasten die Quelle auf unterschiedliche Weise. PEC erzeugt einen hohen Spulenstrom und misst dessen Abklingverhalten. EMAT sendet Ultraschall in das Bauteil und misst das Echo.

Die Parameterlücke ist groß. PEC erzeugt Rechteckimpulse mit einer Spitzenspannung von 100 A und einer Impulsbreite von 1–100 ms. EMAT erzeugt Impulsspitzen unter 1 µs mit einer Spitzenspannung von 1 kV. Eine Bank kann nur dann beide Betriebsarten bedienen, wenn die beiden Betriebsarten zeitlich getrennt sind.

Das europäische Team nutzte Zeitmultiplexverfahren. Eine einzelne Batteriebank wird auf eine Zwischenspannung von 500–800 V aufgeladen. Ein IGBT-Zweig entlädt sich dann in die PEC-Spule. Ein SiC-MOSFET-Zweig zündet die EMAT-Spule. Die beiden Zweige leiten niemals gleichzeitig.

Dieser Artikel behandelt die Parameterlücke, die Speicher- und Droop-Beziehungen, die Schalt- und Isolationsprobleme sowie die Auswahlregeln für eine Bank, die beide Betriebsarten bedient.

2. Kernmechanismus

2.1 Die Parameterlücke

Die beiden Betriebsarten unterscheiden sich in allen Größen, die die Ladungsspeicherung beeinflussen. PEC benötigt einen langen Impuls und eine hohe Ladung. EMAT benötigt eine steile Flanke und eine hohe Spannung. Der folgende Vergleich stellt die beiden Datensätze nebeneinander dar.

Parameter	PEC-Modus	EMAT-Modus
Impulsbreite	1 ms bis 100 ms	unter 1 µs
Spitzenspulenstrom	100 A	50 A
Spitzenspulenspannung	800 V	1 kV
Speicherkapazität	100 mF	50 nF
Entladeschalter	IGBT	SiC-MOSFET

Das Kapazitätsverhältnis zwischen den Modi erreicht 2,000:1. Da ein einzelner physikalischer Speicher nicht beide Werte in einem Element speichern kann, teilt der Entwickler den Speicher in zwei Abgriffe hinter einem gemeinsamen Ladegerät auf.

2.2 Speicherdimensionierung für jeden Modus

Die PEC-Pulsbreite ergibt sich aus der Spulenzeitkonstante:

τ = R · C.

Dabei ist R der Spulen- und Kabelwiderstand in Ω, C die PEC-Abgriffskapazität in µF und τ die Entladezeitkonstante in µs. Eine Batteriebank, die 100 A für 20 ms aushalten muss, benötigt eine hohe Kapazität und einen niedrigen Schleifenwiderstand.

Die Energie, die jeder Impuls dem Abzweig entnimmt, beträgt:

E = ½ · C · V².

Dabei ist E die gespeicherte Energie in Joule, C die Kapazität des Abgriffs in µF und V die Ladespannung in kV. An einer 700-V-Schiene speichert ein 100-mF-Abgriff 24.5 kJ, was für mehrere PEC-Impulse ausreicht, bevor das Ladegerät ihn wieder aufladen muss.

2.3 Droop und die EMAT-Kante

Der Spannungsabfall bestimmt die nutzbare Impulsbreite. Während eines Impulses fällt die Versorgungsspannung um:

ΔV = I · Δt / C.

Dabei ist ΔV der Spannungsabfall in Volt, I der Spulenstrom in Ampere, Δt die Impulsbreite in Mikrosekunden und C die Abgriffskapazität in Mikrofarad. Ein 100-A-Impuls von 20 ms an einem 100-µF-Abgriff senkt die Versorgungsspannung um 20 V ab, was 3 % einer 700-V-Versorgungsspannung entspricht und für PEC akzeptabel ist.

Der EMAT-Abgriff folgt anderen physikalischen Gesetzen. Seine Flankengeschwindigkeit hängt von der Schleifenimpedanz ab:

Z = √(L / C).

Dabei ist Z die charakteristische Impedanz in Ω, L die Schleifeninduktivität in nH und C die EMAT-Anzapfkapazität in pF. Mit 50 nF und 15 nH sinkt Z auf 0.55 Ω, und die Anstiegszeit folgt Z · C bei etwa 200 ns. Jede zusätzliche Induktivität verlängert die Anstiegszeit und verringert die Ultraschallamplitude.

2.4 Verluste und Wärme in einer gemeinsamen Bank

In beiden Betriebsarten wird Strom durch dasselbe Dielektrikum geleitet, sodass sich die Verluste während eines Scans addieren:

P = I_rms² · R_ESR.

Dabei ist P die Verlustleistung in W, I_rms der Effektivwert des Impulsstroms in A und R_ESR der äquivalente Serienwiderstand des Kondensators in mΩ. Eine Impulsfolge von 40 A_eff an 10 mΩ verbraucht 16 W, daher muss die Halterung diese Wärme abführen.

Die Wiederholrate bestimmt den Temperaturanstieg. Das Umschalten zwischen den Betriebsmodi mit 10 Hz ergibt 10 Ladezyklen pro Sekunde, und ein Bauteil der Klasse II verliert mit zunehmender Erwärmung an Kapazität. Die daraus resultierende Drift äußert sich in beiden Betriebsmodi als sich ändernde Impulsbreite.

Abb. 1 — PEC benötigt ein 100-A-Rechteck von 20 ms und EMAT eine Flanke im Sub-Mikrosekundenbereich, daher speist ein Ladegerät einen 100-mF-Abgriff und einen 50-nF-Abgriff über separate Schalter.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Zwei Parametersätze, die sich gegenseitig auflösen

PEC benötigt ein langes Rechteck und eine hohe Ladung. EMAT benötigt einen kurzen Impuls und eine steile Flanke. Eine für PEC ausgelegte Strombank erzeugt eine langsame EMAT-Flanke, und eine für EMAT ausgelegte Strombank kann den PEC-Strom nicht halten. Die beiden Stromarten müssen auf Abgriffsebene getrennt werden.

Problem 2: Totzeitkontrolle bei hoher Schaltgeschwindigkeit

Der Moduswechsel muss abgeschlossen sein, bevor der andere Zweig aktiviert wird. Bei einer Flanke von 200 ns führt ein Fehler von 100 ns dazu, dass beide Zweige gleichzeitig leitend werden, wodurch der resultierende Kreuzstrom die SiC-Bauelemente stark belastet. Die Lade- und Entladezeiten müssen daher in Hardware festgelegt und dürfen nicht der Software überlassen werden.

Problempunkt 3: Leistungsabfall, der sich mit Modus und Last ändert

Ein langer PEC-Impuls entlädt die Schiene, und das Ladegerät lädt sie zwischen den Impulsen wieder auf. Ist die Ladezeit zu kurz, beginnt der nächste Impuls mit einer niedrigeren Spannung, und die Abklingkurve verschiebt sich. EMAT toleriert diesen Spannungsabfall, PEC hingegen nicht. Daher muss das Ladegerät für den ungünstigsten Fall ausgelegt sein.

Problempunkt 4: Sicherheitsredundanz an einer gemeinsam genutzten Hochspannungsbank

Europäische Sicherheitsrichtlinien fordern redundante Isolation und einen vom aktiven Schalter unabhängigen Entladepfad. Ein einzelner Fehler im Modusschalter kann dazu führen, dass die Batteriebank geladen und verbunden bleibt. Entladewiderstände, Verriegelungen und ein Entladeschütz sind Bestandteil der Batteriebankkonstruktion.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Aufteilung des Speichers in Modus-Taps

Bauen Sie ein Ladegerät und zwei Abgriffe. Geben Sie dem PEC-Abgriff die große Kapazität und dem EMAT-Abgriff die kleine Hochspannungskapazität. HVCT8G Verschraubte Teile für den EMAT-Abgriff, bei dem eine niedrige Induktivität wichtiger ist als eine hohe Kapazitätsdichte.

Strategie 2: Dimensionierung jedes Zapfhahns anhand seiner eigenen Beziehung

Stellen Sie den PEC-Abgriff anhand von τ = R · C und der zulässigen Spannungsabfalltoleranz ein. Stellen Sie den EMAT-Abgriff anhand von Z = √(L/C) und der Zielflankenzeit ein. Überprüfen Sie beide Abgriffe am Prüfstand mit der realen Spule, da die parasitären Effekte von Kabel und Schalter die Messwerte beeinflussen.

Strategie 3: Halten Sie die Zwischenschiene in einem festen Fenster fest.

Laden Sie die Spannung auf 500–800 V und halten Sie diesen Bereich mit einer geregelten Stromversorgung aufrecht. Der Spannungsbereich muss den EMAT-Peak nach der Transformator-Hochspannung und den PEC-Abfall am Ende des längsten Impulses abdecken. Ein Spannungsabfall zwischen den Betriebsmodi verschiebt beide Impulsformen.

Strategie 4: Reduzierung der Schleifeninduktivität im EMAT-Zweig

Halten Sie die EMAT-Schleife mit einer laminierten Sammelschiene, einem symmetrischen Layout und kurzen Zuleitungen unter 20 nH. Folienkondensator Der Ersatz kann diesen Wert von über 1 MHz nicht erreichen, daher verlieren die Filmbauteile den Vorteil, für den sie ausgewählt wurden.

Strategie 5: Zellen zuordnen und einen Entladungspfad hinzufügen

Die Zellen sind in Reihe geschaltet und auf ±1 % genau geeicht, sodass sich die Spannung proportional zur Kapazität aufteilt und keine Einheit heiß wird. Hinzufügen HVR-BSP Bemessung von Widerständen Über jede Zelle hinweg und mit einem Entladeschütz ausgestattet, das die Batteriebank ohne den Modusschalter entlädt. schnelle Hochspannungsdiode In Reihe mit dem EMAT-Abgriff wird der Rückstrom des PEC-Impulses blockiert.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC-Kondensatoren für Dual-Mode-Batteriebänke

Eine gemeinsam genutzte Batteriebank benötigt Bauteile, die in beiden Betriebsarten ihre Leistungsfähigkeit beibehalten. Die Verluste bleiben im langen PEC-Impuls gering, und die Induktivität bleibt im kurzen EMAT-Spike niedrig. HVC fertigt in seinem 6,000 m² großen Werk in Dongguan Bauteile der Klasse I nach N4700 für beide Anwendungsbereiche im Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Der ESR-Wert liegt bei 100 kHz unter 10 mΩ. Der PEC-Abgriff behält seine Abfallkurve über eine lange Impulsfolge bei, und die Bank bleibt bei 10 Hz Modusumschaltung kühl.
• ESL unter 20 nH. Der EMAT-Abgriff hält seine Eigenresonanz oberhalb des Arbeitsbandes, sodass der Impuls die Spule mit der im Design berechneten Flanke erreicht.
• ±1 % übereinstimmende Zellen. Die Spannung teilt sich mit der Kapazität, sodass eine Reihenschaltung ausgeglichen bleibt und keine Zelle mehr als ihren Anteil an der Versorgungsspannung beansprucht.
• TCC ±30 ppm/°C. Die Kapazität bleibt auch bei warmem Gehäuse konstant, sodass sich die Impulsbreite während einer langen Inspektionsschicht nicht ändert.
• Teilentladungen unter 5 pC bei 1.5- bis 2-facher Nennspannung. Langzeitstabilität auch bei wiederholten Hochspannungsspitzen und schnellen Spannungsflanken.
• Koordinierte Komponenten. HVRGXP-Abtastwiderstände im gegenwärtigen Sinne, HVR-BSP Die Widerstandswerte für die Reihenschaltung und die Hochspannungsdioden für die Betriebszweige können zusammen mit der Batteriebank bestellt werden.

Die HVC-Teile entsprechen den elektrischen Parametern und Zuverlässigkeitsdaten von Vishay HVCC, KEMET Radialleitungen, Murata DHS/DHR und TDK UHV/FHV-Bauteile.

Lieferung und Support

Standardteile der Klasse I werden innerhalb von 4–8 Wochen versandt, zollamtlich innerhalb von 6–10 Wochen. Die Lieferung nach Europa erfolgt bei Lagerware in ca. 4 Wochen. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt die Dimensionierung der Abgriffe, die Reihenanpassung und die Layoutprüfung für die EMAT-Schleifeninduktivität.

Senden Sie die beiden Impulsspezifikationen, das Spannungsfenster, die Anzapfwerte und die Wiederholrate. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen ein Anzapfungs-Übersichtsblatt mit Teilenummern, ESR- und ESL-Daten bei der Betriebsfrequenz sowie einen Mustersatz.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Können PEC und EMAT tatsächlich eine Kondensatorbank gemeinsam nutzen?

Ja, mit zwei Anschlüssen hinter einem Ladegerät. PEC nutzt den Anschluss mit der hohen Kapazität, EMAT den mit der niedrigen Hochspannung. Die beiden Zweige verwenden separate Schalter und leiten nie gleichzeitig, sodass die Batteriebank beide Betriebsarten ohne Kompromisse unterstützt.

Frage 2: Wie bestimme ich die Größe des PEC-Gewindebohrers?

Aus τ = R · C und der zulässigen Spannungsabsenkung ergibt sich Folgendes: Zuerst werden die Impulsbreite und der Spulenwiderstand festgelegt. Anschließend wird C so gewählt, dass die Versorgungsspannung am Ende des längsten Impulses um weniger als den zulässigen Wert abfällt. Ein 100-mF-Kondensator an einer 700-V-Versorgung erzeugt während eines 100-A-Impulses von 20 ms einen Spannungsabfall von 20 V.

Frage 3: Warum benötigt der EMAT-Abgriff eine eigene Kapazität?

Da die Flankensteilheit mit Z · C skaliert und Z mit steigendem C abnimmt, muss der EMAT-Abgriff im niedrigen Nanofarad-Bereich liegen, um die Schleifenimpedanz nahe 0.5 Ω und die Flankensteilheit nahe 200 ns zu halten. Der PEC-Abgriffwert kann diese Flankensteilheit nicht gewährleisten.

Frage 4: Welche Totzeit benötigen die Modusschalter?

Die Wartezeit sollte so lang sein, dass ein Zweig abgeschaltet ist, bevor der andere feuert. Bei einer Flankensteilheit von 200 ns sollte eine Totzeit von 300–500 ns eingehalten und dies mit einer Stromsonde an beiden Zweigen überprüft werden. Eine feste Hardware-Zeitsteuerung ist hier sicherer als eine Software-Sequenzierung.

Frage 5: Welcher Abfall ist während eines PEC-Pulses akzeptabel?

Bei den meisten Wandstärken- und Defektprüfungen liegt die Toleranz unter 5 %, da das Abklingverhalten proportional zur Versorgungsspannung ist. Oberhalb dieses Wertes muss der Messwert anhand der gemessenen Versorgungsspannung korrigiert oder eine Kapazität hinzugefügt werden. Der EMAT-Spike ist deutlich toleranter, da seine Flanke in weniger als 1 µs abklingt.

Frage 6: Welche Kapazitätstoleranz muss eine gemeinsam genutzte Speicherbank aufweisen?

Bei Reihenschaltungen in beiden Betriebsmodi beträgt die Abweichung der Zellen ±1 %. Da sich die Spannung proportional zur Kapazität teilt, führt eine Abweichung von ±5 % dazu, dass die schwächste Zelle ein Vielfaches der durchschnittlichen Belastung erträgt. Bei ±1 % bleibt die Reihenschaltung ausgeglichen und die Bauteilanzahl erhöht sich nicht.

7. Referenzen

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11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com