Spannungsspitzenbegrenzung in Hochspannungsversorgungen beim Laserschweißen

Spannungsspitzenbegrenzung in Hochspannungsversorgungen beim Laserschweißen

Abstract

Beim Laserschweißen wird der Schweißstrom innerhalb weniger hundert Nanosekunden von 10 A auf 100 A erhöht, trotz einer Streuinduktivität von 5 µH. Dieser Artikel beschreibt die Gleichungen für die Spannungsspitze und die Energie, die aus 40 A und 5 µH eine transiente Spannung von 2 kV und eine Energie von 4 mJ pro Ereignis erzeugen. Weiterhin werden die Klemmkapazität, die den Überschwingwert auf 80 V an einer 400-V-Leitung begrenzt, die Regel für die Schleifeninduktivität, die den Reststrom unter 10 % des Klemmwerts hält, sowie der Doppelimpulstest, der dies beweist, erläutert.

1. Einleitung

Beim Laserschweißen werden steile Kanten bearbeitet. Die Hochspannungseinheit schaltet Dutzende Kilovolt für das Schweißloch, während die Prozesselektronik Schweiß- und Hilfsströme von 10 A bis 100 A innerhalb von Hunderten von Nanosekunden steuert.

Jeder dieser Übergänge beeinflusst die Induktivität: die Streuung des Hochspannungstransformators, die Sammelschienen, die Schweißkabel und die Befestigungsschleifen. Das Ergebnis ist ein Spannungsstoß, der das 1.5- bis 3-Fache der Nennspannung des Stromkreises erreicht und bei Resonanz noch höher ausfällt.

Ein Spannungsimpuls ist induktive Energie, die innerhalb einer Mikrosekunde freigesetzt wird. An der Ausgangsstufe der Hochspannungsquelle entspricht ein 2-kV-Spitzenimpuls an einem 10-kV-Bus einer Überbeanspruchung von 20 %. An einer 400-V-Gleichstromverbindung führt er zu einer 5-fachen Überbeanspruchung, die Schalthalbleiter zerstört.

Eine Flottenstudie an 80 Laserschweißgeräten ergab, dass 18 % der Ausfälle der Leistungselektronik auf nicht ordnungsgemäß befestigte oder unterdimensionierte Klemmkreise zurückzuführen waren. Typischerweise wurde ein Schalter durch eine Spannungsspitze zerstört, die 15 % bis 25 % über seiner Nennspannung lag. Jeder Ausfall verursachte Kosten zwischen 800 und 3,500 US-Dollar und einen Produktionsausfall von 4 bis 8 Stunden.

2. Kernmechanismus

2.1 Spitzenspannung und Energie

Die Größe des Einschwingvorgangs folgt der Streuinduktivität und der Stromstärke:

V_spike = L_stray × dI/dt

Dabei ist V_spike die induzierte Spannung, L_stray die Streuinduktivität in der Kommutierungsschleife und dI/dt die Kommutierungsrate. Ein 40-A-Übergang in 100 ns entspricht 4 × 10⁸ A/s, und bei einer Schleifeninduktivität von 5 µH erreicht die Spannungsspitze 2,000 V.

Die in dieser Induktivität gespeicherte Energie ist das, was die Klemme absorbieren muss:

E_spike = 0.5 × L_stray × I²

Dabei ist E_spike die Energie pro Ereignis und I der Strom im Moment des Schaltvorgangs. Bei 5 µH und 40 A beträgt die Energie 4 mJ pro Ereignis.

2.2 Durchschnittliche Klemmkraft

Die Klemme muss diese Energie mit der Wiederholungsrate des Prozesses abbauen:

P_clamp = E_spike × f_rep

Dabei ist P_clamp die mittlere Leistung im Klemmbereich und f_rep die Wiederholrate. Bei 6 kHz entspricht ein Ereignis mit 4 mJ einer kontinuierlichen Verlustleistung von 24 W, und ein Fehlertransient mit höherem Strom kann mehr als 100 mJ in einem einzigen Ereignis liefern.

2.3 Dimensionierung des Klemmkondensators

Der Klemmkondensator muss die Ereignisenergie absorbieren, während die Busspannung um nicht mehr als den zulässigen Überschwingwert ansteigt:

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

Dabei ist C_clamp die Klemmkapazität, V_bus die Busspannung und ΔV die zulässige Überschwingweite. Die Lösung nach der Kapazität liefert die Dimensionierungsgleichung für diesen Knoten:

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

Dabei ist C_clamp die minimale Klemmkapazität. Mit L = 5 µH, I = 40 A, V_bus = 400 V und ΔV = 80 V beträgt der Wert 114 nF. Daher ist ein Bauteil mit einer Kapazität von 100 nF bis 220 nF und einer Nennspannung über 1.2 × 480 V die praktikabelste Wahl.

2.4 Induktivität der Klemmschleife und Ringfrequenz

Die Klemme funktioniert nur so gut wie ihre Schleife. Der verbleibende Überschwingwert am Schalter ist folgender:

V_os = L_loop × dI/dt

Dabei ist V_os der Überschwingwert über dem Klemmpegel und L_loop die Induktivität der Klemmschleife. Auslegungsregel: V_os muss unter 10 % des Klemmpegels von 480 V liegen, was bei einer Fehlerflanke von 4 × 10⁹ A/s einer Schleifeninduktivität unter 12 nH entspricht.

Der Klemmkondensator und die Streuinduktivität bilden dann einen Schwingkreis, der ins Schwingen gerät, sofern er nicht gedämpft wird:

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

Dabei ist f_ring die Schwingfrequenz, L_leak die Streuinduktivität und C_clamp die Klemmkapazität. Mit 5 µH und 114 nF schwingt der Schwingkreis mit 211 kHz, und ein Serienwiderstand von 2 Ω bis 5 Ω wandelt diese Schwingung in eine gedämpfte Schwingung um.

Abb. 1 — Die RCD-Klemme begrenzt einen 2 kV-Spitzenwert auf einen 80 V-Überschwinger an einem 400 V-Bus; der 220 nF-Teil und eine 10 nH-Schleife tragen den 100 mJ-Fehlerfall.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Klemmkondensatoren sind auf Restwelligkeit, nicht auf Fehlerenergie ausgelegt.

Eine auf die stationäre Restwelligkeit ausgelegte Klemme versagt beim ersten Fehlerstrom. Trifft ein Schweißstromanstieg auf eine lose Verbindung, verdreifacht sich die Energie des einzelnen Ereignisses, der Klemmkondensator überlädt sich, die Klemmdiode bricht durch, und der Schalter empfängt dann den vollen, ungeklemmten Spannungsstoß.

Problempunkt 2: Die Induktivität der Klemmschleife hebt die Klemmwirkung auf

Die Effektivität einer Klemme hängt maßgeblich von ihrer Schleife ab. Bei einer Leiterbahnlänge von 50 mm zwischen dem Klemmkondensator und dem Schalter ermöglicht der zusätzliche Widerstand von 20 nH, dass der Restüberschwingwert bei einer Fehlerflanke von 4 × 10⁹ A/s 17 % des Klemmpegels von 480 V erreicht, und der Schalter gleicht die Differenz aus.

Problempunkt 3: Der aktive Schutz ist für ein 100-ns-Ereignis zu langsam.

Ein klassischer Überspannungsschutzpfad mit einer Reaktionszeit von 1 µs reagiert erst lange nach dem Auftreten eines 100 ns langen Spannungsimpulses. Bis der Komparator auslöst, hat der Schalter die Überspannung bereits abgefangen. Die Spannungsbegrenzung muss passiv und unmittelbar erfolgen; ein aktiver Schutz kann sie lediglich ergänzen.

Problempunkt 4: Die Klemmringe mit dem Transformatorleckstrom

Der Klemmkondensator und die Streuinduktivität des Transformators bilden einen LC-Schwingkreis, der ohne Dämpfung mit 211 kHz schwingt. Ein einzelner Impuls wandelt sich dann in eine abklingende Schwingung um, die den Schalter wiederholt belastet und dem Prozess hörbares Rauschen hinzufügt.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Dimensionieren Sie die Klemme für den schlimmsten anzunehmenden Fehlerfall

Die maximale Einzelereignisenergie am ungünstigsten Betriebspunkt mit maximalem Schweißstrom und minimaler Schleifeninduktivität wird bestimmt und anschließend ein zweifacher Sicherheitszuschlag addiert. Im obigen Beispiel dient ein 220-nF-Klemmkondensator mit einer Verlustleistung von der doppelten durchschnittlichen Klemmleistung als Sicherheitszuschlag.

Strategie 2: Die Klemmschlaufe unter 10 nH halten

Platzieren Sie die Klemmdiode und den Kondensator direkt an den Anschlüssen des Schaltgeräts mit der kleinsten Schleifenfläche und der breitesten Kupferfläche. V_os = L_loop × dI/dt hält den Reststrom an der Fehlerflanke unter 10 % des Klemmstrompegels.

Strategie 3: Die Diode an die Impulsgeschwindigkeit anpassen

Wählen Sie eine Klemme aus. schnelle Erholungsdiode Mit einer Erholungszeit unter 75 ns und sanfter Erholung, um ein Überschwingen zu vermeiden. Sie muss außerdem den Spitzenstrom der Klemmdiode führen können; daher ist bei einem Schaltstrom von 40 A eine 60-A-Diode mit einer zweifachen Einschwingzeitreserve Standard.

Strategie 4: Dämpfung der Klemmresonanz

Fügt man einen 2 Ω bis 5 Ω Serienwiderstand mit einem kleinen Kondensator parallel zum Klemmkondensator hinzu, so wird der 211-kHz-Schwingkreis in ein kritisch gedämpftes Schwingungsmuster umgewandelt, ohne die stationäre Funktion der Klemme zu verändern.

Strategie 5: Klemmen Sie auch die HV-Ausgangsschiene fest.

Bei einer 10-kV-Sammelschiene wird ein Hochspannungs-Klemmkondensator von etwa 1 nF und 20 kV direkt an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen, zusammen mit einer in Reihe geschalteten, schnell rückschaltenden Hochspannungsdiode zur Absorption von Überspannungsableitungen des Multiplikators. N4700 Der Teil mit Teilentladungen unter 5 pC und ±30 ppm/°C hält die Klemmschwelle über den gesamten Temperaturbereich aufrecht, und ein Folienkondensator deckt denselben Knoten ab, bei dem die Pulsenergie größer ist.

Strategie 6: Überprüfen Sie die Klemme mit einem Doppelimpulstest

Jede Stromzangenkonstruktion sollte mit einem Doppelimpulstest bei maximalem Strom geprüft werden. Dabei werden die maximale Überschwingweite und die Einschwingzeit mit einem 200-MHz-Oszilloskop gemessen. Dadurch wird die Stromzangenkonstruktion zu einer Messreserve, die typischerweise eine doppelte Reserve gegenüber der Nennstromstärke des Schalters bestätigt.

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 die Spannungsspitzenklemmung

Der Klemmkondensator nimmt die Energie auf, die den Schalter andernfalls zerstören würde. Daher muss er wiederholte Fehlerereignisse absorbieren, ohne zu driften oder sich zu erhitzen. HVC fertigt diese Bauteile auf Basis des Strontiumtitanat-Dielektrikums N4700 (T3M) der Klasse I für Spannungsbereiche von 1 kV bis 100 kV.

Sechs Parameter, die an diesem Knotenpunkt wichtig sind

• Impulsenergieabsorption. Die Struktur der Klasse I speichert und gibt Energie ohne die Polarisationsermüdung von Keramiken der Klasse II ab, sodass ein 20-kV-Klemmkondensator wiederholte 100-mJ-Ereignisse ohne Kapazitätsdrift verkraftet.
• Teilentladungen unterhalb von 5 pC bei Nennspannung, werkseitig abgeschirmt, sodass die Klemme während der Spannungsspitze keinen eigenen transienten Strom erzeugt.
• Stabile Klemmschwelle bei Temperaturabhängigkeit. Ein Temperaturkoeffizient von ±30 ppm/°C und ein Verlustfaktor von 0.1 % oder weniger gewährleisten die Aufrechterhaltung der Klemmspannung während der Erwärmung des Schweißbodens.
• Niedrige ESL für schnelle Leitfähigkeit. Radial- und Schraubanschlussgehäuse halten die äquivalente Serieninduktivität unter 30 nH, sodass die Klemme innerhalb des 100-ns-Spitzenfensters reagiert.
• Spannungsnennwerte, die auf den Bus abgestimmt sind, von 1 kV Hilfsklemmen bis zu 40 kV Ausgangsklemmen, mit konsistenten Teilentladungs- und Wärmedaten von einem einzigen Lieferanten.
• Austauschrekord. Der 40-kV-/441-Schraubklemmenkondensator wurde im Rahmen des Lichtquellenreparaturprogramms von ASML-Lithographiemaschinen als direkter Ersatz für japanische Murata-Schraubenkondensatoren qualifiziert.

Die Ausgangsschienenklemme führt die volle Busspannung, so dass HVCT8G Eine Umrandung mit einem 40 mm langen Anschlusskabel und einer Schleifeninduktivität von 8 nH deckt diese Position ab und hält die Klemmschleife kurz.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen, passende Klemmenbaugruppen innerhalb von 6 bis 10 Wochen geliefert. HVC unterstützt die Berechnung der Klemmendimensionierung, die Überprüfung der Impulsenergie, den Doppelimpuls-Testplan sowie kundenspezifische Spannungs- und Kapazitätskombinationen.

Senden Sie den Schaltstrom, die Kommutierungszeit, die Streuinduktivität, die Busspannung und die Wiederholrate. HVC liefert einen Klemmenentwurf mit prognostiziertem Überschwingen, einen Impulsenergiebericht und Beispiele zur Doppelimpulsvalidierung. Die Bauteile von HVC entsprechen den elektrischen Parametern und Gehäuseabmessungen von Vishay und andere erstklassige Hochspannungsbereiche.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Wie groß ist der Spannungsausschlag bei einem Strom von 40 A in 100 ns?

V_spike = L × dI/dt. Bei 4 × 10⁸ A/s durch 5 µH Streuinduktivität erreicht der Spike 2,000 V, was 20 % eines 10 kV-Busses und dem Fünffachen eines 400 V DC-Zwischenkreises entspricht.

Frage 2: Wie viel Energie steckt in einem einzelnen Ereignis?

E_Spike = 0.5 × L × I². Bei 5 µH und 40 A entspricht dies 4 mJ pro Ereignis, was bei einer Wiederholrate von 6 kHz einer durchschnittlichen Klemmleistung von 24 W entspricht. Ein Fehlerstrom kann mehr als 100 mJ pro Ereignis freisetzen.

Frage 3: Wie wird die Klemmkapazität berechnet?

C_clamp = L I² / [(V_bus + ΔV)² − V_bus²]. Bei 5 µH, 40 A, einer 400-V-Busspannung und einer Toleranz von 80 V beträgt der Wert 114 nF. Daher sollten 220 nF für den Fehlerfall mit Sicherheitsreserve eingebaut werden.

Frage 4: Wie nah muss die Klemme am Schalter sitzen?

Die Abweichung ist ausreichend, um V_os = L_loop × dI/dt unter 10 % des Klemmpegels zu halten. Bei einer Fehlerflanke von 4 × 10⁹ A/s bedeutet dies eine Schleifenspannung unter 12 nH, und 50 mm Leiterbahnlänge tragen bereits 20 nH bei.

Frage 5: Warum klingelt die Klemme, und wie wird das gedämpft?

f_ring = 1 / (2π√(L_leak C_clamp)). Mit 5 µH und 114 nF schwingt der Schwingkreis mit 211 kHz. Ein Serienwiderstand von 2 Ω bis 5 Ω mit einem kleinen parallelgeschalteten Kondensator wandelt das Nachschwingen in ein gedämpftes Einschwingverhalten um.

Frage 6: Kann der Klemmschutz durch einen aktiven Überspannungsschutz ersetzt werden?

Nein. Ein 1 µs Schutzpfad kann innerhalb eines 100 ns kurzen Impulsfensters nicht reagieren, und der Schalter fängt die Überlastung ab, bevor der Komparator auslöst. Die Abschaltung muss passiv und verzögerungsfrei erfolgen, mit aktivem Schutz als Backup.

7. Referenzen

1. E. Kuffel, W. S. Zaengl, J. Kuffel, Grundlagen der Hochspannungstechnik, 2. Aufl., Newnes, 2000.
2. N. Mohan, TM Undeland, WP Robbins, Leistungselektronik: Wandler, Anwendungen und Design, 3. Auflage, Wiley, 2003.
3. MIL-HDBK-217F Mitteilung 2, Zuverlässigkeitsvorhersage elektronischer Geräte 1995.
4. IEC 62477-1:2022, Sicherheitsanforderungen für leistungselektronische Umrichtersysteme und -geräte – Teil 1: Allgemeines, 2. Aufl. Genf: IEC, 2022.
5. IEC 61000-4-5:2014+AMD1:2017 CSV, Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Teil 4-5: Prüf- und Messverfahren – Prüfung der Störfestigkeit gegen Stoßspannungen, Ed. 3.1. Genf: Internationale Elektrotechnische Kommission, 2017.
6. GB/T 7247.1-2024, 激光产品的安全 第1部分:设备分类和要求. Titel: 2024.
7. B. Khanzadeh, Y. Okazaki und T. Thiringer, Vergleich der Kondensator- und Schaltergrößen bei Hochleistungs-Mittelspannungs-DC/DC-Wandlern mit dreiphasigem MittelfrequenztransformatorIEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Bd. 9, Nr. 3, S. 3331-3338, 2021. https://doi.org/10.1109/jestpe.2020.2999726.
8. M. Xiao et al., Untersuchung der Teilentladungs- und Selbstheilungseigenschaften von metallisierten Folienkondensatoren, in: 2024 IEEE 5th International Conference on Dielectrics (ICD), S. 1–4, 2024. https://doi.org/10.1109/icd59037.2024.10613348
9. MKP Metallisierte Film-Pulskondensatoren – Produkt-HighlightKEMET Electronics, https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors .
10. US 6,760,215, Kondensator mit hoher Durchbruchspannungsschwelle, DF DeVoe (Presidio-bezogen), erteilt 2004, https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com