Suministros para excímeros: Análisis de fallas por descarga parcial de corona

Suministros para excímeros: Análisis de fallas por descarga parcial de corona

Compendio

La descarga parcial de corona erosiona el aislamiento de alta tensión en incrementos de unos pocos picoceldas (pC) y no deja marcas visibles. Este artículo describe la aritmética de la tensión inicial, la carga y la energía por evento, la carga acumulada que predice la falla, cuatro modos de falla en campo y los pasos de detección y diseño para una fuente de alimentación de láser excimer de 30 kV que funciona a 6 kHz.

1. Introducción

La descarga parcial, también llamada efecto corona, es el mecanismo de falla oculta más común en equipos de alta tensión. Una descarga total detiene la máquina de inmediato. Una descarga parcial no lo hace. Solo cortocircuita una parte del aislamiento y deja el resto intacto.

Cada evento transfiere entre 1 pC y 100 pC de carga y dura solo nanosegundos. La energía por evento es pequeña, pero el número de eventos es considerable. Una fuente de alimentación para láser de excímeros funciona a frecuencias de 1 kHz a 6 kHz con voltajes pico de 20 kV a 40 kV.

Miles de millones de eventos se acumulan a lo largo de miles de horas. El aislamiento se erosiona poco a poco y la pieza falla prematuramente. Los equipos de mantenimiento atribuyen entonces la causa a una sobretensión o a la humedad, ya que la verdadera causa no deja rastro visible.

Este artículo abarca la tensión de inicio, la cinética de erosión, cuatro modos de fallo en campo, los métodos de detección y los pasos de diseño necesarios para que una fuente de alimentación láser de excímeros de 30 kV funcione durante 10,000 horas.

2. Mecanismo central

2.1 Voltaje de inicio dentro de un vacío

Un vacío dentro de un dieléctrico tiene una permitividad menor que la cerámica que lo rodea. El campo dentro del vacío se eleva por encima del campo promedio en el dieléctrico. Para un vacío esférico, el factor de mejora es:

β = 3εr / (2εr + 1)

donde β es el factor de mejora del campo en el vacío y εr es la permitividad relativa del dieléctrico.

Para la cerámica N4700 con εr de 100, β es 300 / 201, o 1.49. El campo de vacío es 1.49 veces el campo promedio. La descarga comienza cuando el campo de vacío alcanza la rigidez dieléctrica del gas.

PDIV = E_gas × t / β

donde PDIV es la tensión de inicio de descarga parcial, E_gas la rigidez dieléctrica del gas en el vacío, t el espesor del aislamiento y β el factor de mejora del campo.

El aire a 1 atm se rompe cerca de 3 kV/mm. Una pared cerámica de 1 mm con β de 1.49 da como resultado PDIV = 3 kV/mm × 1 mm / 1.49, es decir, 2.01 kV. La tensión de funcionamiento debe mantenerse por debajo de ese valor con un margen. En la práctica, este margen oscila entre el 20 % y el 50 %.

2.2 Carga y energía por evento

Un vacío de 1 pF que cae 100 V durante una descarga transfiere esta carga:

q = C_void × ΔV

donde q es la carga por evento, C_void la capacitancia del vacío y ΔV la caída de voltaje a través del vacío.

Eso da 100 pC. La energía se deriva de la carga y la caída de voltaje:

W = 0.5 × q × ΔV

donde W es la energía por evento, q la carga transferida y ΔV la caída de voltaje a través del vacío. El resultado es de 5 nJ, liberados en un volumen de unos pocos micrómetros cúbicos.

Por lo tanto, la densidad de energía local es alta incluso cuando la energía total es pequeña. Esa densidad impulsa la erosión en la pared del vacío.

2.3 Mecanismos de erosión en la superficie del vacío

Cuatro mecanismos actúan conjuntamente. La erosión térmica funde o vaporiza la cerámica a una velocidad aproximada de 1e−12 g por evento a 5 nJ. La erosión química forma ozono, óxidos de nitrógeno y oxígeno atómico, y ataca el aislamiento orgánico entre 10 y 100 veces más rápido que la vía térmica.

La erosión mecánica se produce tras la onda de presión generada por la expansión del gas, que microfisura la superficie. La formación de pistas conductoras rellena el vacío: los materiales orgánicos forman pistas de carbono y la cerámica, depósitos metalizados extraídos de los electrodos. Este puente cierra la vía de ruptura dieléctrica a través del aislamiento.

2.4 Carga acumulada y tiempo hasta la falla

El daño refleja la carga total que se ha movido a través del aislamiento:

Q_total = q × N × f × t

donde Q_total es la transferencia de carga acumulada, q la carga por evento, N el número de vacíos, f la tasa de repetición y t el tiempo de operación.

Si q = 10 pC, N = 100 huecos, f = 6 kHz y t = 10 000 h, entonces Q_total = 10 pC × 100 × 6000 × 3.6 × 10^7, o 0.216 C. Los datos de campo sitúan el umbral de fallo entre 0.01 C y 0.1 C, por lo que una pieza en este estado ya lo ha superado.

Fig. 1 — Un vacío de 1.49 de mejora de campo alcanza su inicio a 2.01 kV por mm, luego eventos de 10 pC a 6 kHz empujan la carga acumulada más allá de 0.216 C.

3. Puntos débiles de la ingeniería

Problema 1: La descarga parcial interna destruye el condensador.

Un condensador cerámico con cavidades internas se descarga en dichas cavidades una vez que la tensión de funcionamiento supera la tensión de inicio. Cada descarga erosiona la pared de la cavidad y deposita material conductor. Este depósito acaba creando un puente entre las cavidades y provoca un cortocircuito en el componente.

Las fallas se producen entre las 5,000 y las 10 000 horas a 6 kHz. El operador observa un cortocircuito repentino y lo atribuye a una sobretensión. La verdadera causa reside en el interior del dieléctrico.

Punto de dolor 2: La PD superficial rastrea el encapsulante

En los encapsulantes de condensadores, el aislamiento de cables y las carcasas de conectores, las descargas parciales superficiales comienzan donde se acumulan humedad, polvo o compuestos de flúor. La descarga forma trazas de carbono que unen el espacio entre los electrodos y se propagan rápidamente por la superficie.

Estas fallas se producen entre las 3,000 y las 8,000 horas de uso. El operador atribuye la causa a la humedad o la contaminación, y la solución consiste en una rutina de limpieza que no aborda las tensiones superficiales.

Punto crítico 3: Corona en bordes afilados irradia EMI

Los bordes afilados, las puntas y las superficies rugosas alcanzan el inicio de la descarga corona a unos 30 kV/cm en el aire. La descarga corona irradia entonces ruido de banda ancha desde 100 kHz hasta 1 GHz y se acopla a la electrónica de control y al cableado de los sensores.

El síntoma consiste en falsos disparos, errores de medición y fallos de comunicación. El operador atribuye la falla a la electrónica, y la descarga se produce en el borde de una resistencia a 200 mm de distancia.

Punto crítico 4: La generación de gas en la diálisis peritoneal aumenta la presión interna.

En un componente sellado con aislamiento orgánico, la descarga parcial descompone el material y libera hidrógeno, metano, etileno y acetileno. El gas se acumula hasta que el sello se rompe o la carcasa se parte.

Estos eventos ocurren entre las 5,000 y las 15,000 horas. El operador observa un componente roto y lo atribuye a una sobretensión. Un análisis de gases disueltos en el espacio de cabeza identifica el origen de la descarga parcial en el plazo de un día.

4. Pasos del diseño

Estrategia 1: Mantener la tensión de funcionamiento por debajo de la tensión de inicio.

Diseñe el aislamiento de manera que la tensión máxima, incluyendo sobretensiones y transitorios, se sitúe al menos un 20 % por debajo de la tensión de inicio. Para un punto de operación de 30 kV, especifique componentes con un PDIV superior a 37.5 kV. Verifique el valor con una prueba de PD a 1.2 veces la tensión de operación y aplique la misma regla a la carga. diodo rectificador asociación.

Estrategia 2: Comprar dieléctrico sin poros.

Seleccione condensadores fabricados mediante prensado en caliente o prensado isostático en caliente, que eliminan los huecos y la porosidad internos. Especifique una densidad cerámica superior al 99 % de la densidad teórica y confirme el contenido de huecos mediante inspección por rayos X o escaneo ultrasónico C antes de aceptar el lote.

Estrategia 3: Añadir recubrimientos resistentes a las descargas eléctricas.

Aplique recubrimientos inorgánicos, como alúmina o sílice, a las superficies aislantes para elevar la tensión de inicio superficial. Utilice encapsulantes con relleno de alúmina o sílice, que resisten la erosión mucho mejor que las siliconas y epoxis sin relleno. Compruebe la integridad del recubrimiento antes y después de la exposición ambiental.

Estrategia 4: Monitorear la actividad de descarga

Instale transformadores de corriente de alta frecuencia, acopladores capacitivos o antenas UHF, y registre la carga de descarga parcial, la frecuencia de repetición y el patrón a lo largo del tiempo. Un aumento repentino de la actividad indica daños en el aislamiento. Active una alarma de mantenimiento a 10 pC o a 100 pulsos por segundo.

Estrategia 5: Utilizar resistencias resistentes al efecto corona en el nodo de alta tensión.

Seleccionar HVR-BSP resistencias de película gruesa en serie Con recubrimientos resistentes a la descarga corona y bordes redondeados, especifique un PDIV superior a 1.5 veces la tensión máxima de funcionamiento. Confirme el rendimiento frente a la descarga corona con una prueba en oscuridad y una medición de PD a tensión máxima.

Estrategia 6: Ejecutar un envejecimiento acelerado de PD antes del lanzamiento.

Someta las piezas a un envejecimiento equivalente a 1.5 veces la tensión de funcionamiento, lo que reduce 10 000 horas de exposición a descargas parciales (DP) a aproximadamente 2,000 horas. Mida la carga de DP, la deriva de capacitancia y la resistencia de aislamiento antes y después del envejecimiento. Acepte las piezas con un crecimiento de DP inferior al 20 %, una deriva de capacitancia inferior al 5 % y una pérdida de resistencia de aislamiento inferior al 50 %.

Parámetro del componente	Valor típico	Condición de prueba
Tensión nominal (serie HVCT8G)	10 kV DC	alto potencial 1.5× durante 60 s
Capacidad	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	por debajo de 50 mΩ	-
Inductancia de bucle (cuerda E40)	por debajo de 8 nH	Espacio entre terminales de 40 mm
resistencia de aislamiento	superior a 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Rango de temperatura	−40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2
Capacidad de dv/dt de pulso	por encima de 50 kV/µs	a tensión nominal

5. Condensadores HVC N4700 para fuentes de alimentación láser resistentes a descargas.

En este nodo, la elección se basa en tres requisitos: una tensión de inicio muy superior a la del riel, un dieléctrico que no genere rastros de carbono y un historial de pruebas que lo demuestre. HVC fabrica componentes N4700 para este sistema en una fábrica propia de 6,000 m² en Dongguan, con un rango de tensión de 1 kV a 150 kV.

Seis parámetros que importan aquí

• Descarga inferior a 5 pC a tensión nominal. Cada unidad se prueba y se registra la magnitud, lo que deja un margen de 20× por debajo del nivel de 100 pC, donde la erosión se convierte en un cortocircuito.
• Cerámica sin poros con una densidad superior al 99.5 % de la densidad teórica. El prensado en caliente y la sinterización controlada eliminan los poros internos que provocan la descarga.
• Una tensión de inicio superior a 1.5 veces la tensión nominal, de modo que la línea se mantiene por debajo de la tensión de inicio incluso con sobreimpulsos y transitorios en el borde del pulso.
• La construcción cerámica no forma trazas de carbono conductoras. Los productos de la erosión permanecen aislantes, por lo que la pieza no crea el puente conductor que forma el aislamiento orgánico.
• Cobertura de 1 kV a 150 kV en terminales radiales, de tornillo y condensadores pomo de la puertaUn único sistema dieléctrico alimenta la red de impulsos, la fuente de carga y el filtro de disparo.
• Calificado como un reemplazo directo para marcas de primer nivel en programas de servicio de campo de láser, y especificado por los OEM de láser en nuevas plataformas de potencia. Las piezas HVC coinciden con los parámetros eléctricos y las dimensiones del paquete de Murata de tipo tornillo, Vishay HVCC y TDK UHV/FHV.

Entrega y soporte

Las piezas estándar se envían en un plazo de 4 a 8 semanas y los conjuntos personalizados en un plazo de 6 a 10 semanas. El departamento de ingeniería de aplicaciones de HVC ofrece soporte para el cálculo de la tensión inicial, la revisión de la inspección de vacíos, la revisión del diseño de aislamiento y la interpretación de los datos de las pruebas de descargas parciales para las fuentes de alimentación de láseres excimer.

Envíe la tensión de la línea, la frecuencia de repetición de pulsos, el espesor del aislamiento y las horas de servicio. HVC le enviará una hoja de selección de piezas con datos de pruebas de descargas parciales y un kit de evaluación de dos muestras en un plazo de cinco días hábiles.

6. Preguntas frecuentes

P1: ¿Por qué una descarga parcial provoca un cortocircuito en un condensador sin previo aviso?

Debido a que el daño es acumulativo e invisible desde el exterior, cada evento mueve de 1 pC a 100 pC y erosiona aproximadamente 1e−12 g de cerámica. A 6 kHz, 100 vacíos y 10 pC por evento, la carga acumulada alcanza 0.216 C en 10 000 h, superando la banda de falla de 0.01 C a 0.1 C. Una comprobación de capacitancia aún indica valores dentro de la tolerancia hasta que se cierra la pista.

P2: ¿Qué margen debe mantener la tensión de funcionamiento por debajo de la tensión de inicio?

Utilice un 20 % como límite inferior y un 50 % donde la geometría lo permita. Para un punto de operación de 30 kV, especifique componentes con un PDIV superior a 37.5 kV y verifíquelo con una prueba de descarga parcial a 1.2 veces la tensión de operación. Una pared de 1 mm de cerámica N4700 con εr de 100 alcanza el inicio de la descarga a tan solo 2.01 kV dentro de un vacío, por lo que la calidad del ensamblaje determina el margen real.

P3: ¿Qué método de detección se ajusta a una fuente de alimentación pulsada de 6 kHz?

Utilice un transformador de corriente de alta frecuencia para la carga y la velocidad de descarga, y una antena UHF para la localización. El patrón resuelto en fase se reemplaza por un patrón resuelto en pulsos, ya que la fuente de alimentación no tiene referencia de fase de CA. Active una alarma a 10 pC o 100 pulsos por segundo y compare la forma del patrón para diferenciar la descarga interna de la descarga superficial.

P4: ¿Una pieza cerámica falla de la misma manera que una pieza de película?

No. A condensador de película Se forman trazas de carbono a medida que la descarga descompone el polímero, por lo que la erosión se acelera después de los primeros miles de horas.

En cambio, una cerámica forma depósitos metalizados, y el resto de la pared permanece aislante. Por eso una cerámica condensador de disco Tolera una mayor carga acumulada para el mismo espesor de pared.

P5: ¿Cómo puedo detectar lotes vacíos al recibirlos?

Solicite una declaración de densidad superior al 99 % de la teórica y una inspección de poros. La inspección por rayos X detecta poros de más de 50 µm, y el escaneo ultrasónico C detecta delaminaciones en toda el área del electrodo. Un lote sin datos de inspección no puede calificarse en un nodo de 30 kV, ya que la cantidad de poros determina la tensión de inicio.

P6: ¿Cuánto tiempo debe durar una prueba de descarga acelerada?

Envejecer a 1.5 veces la tensión de funcionamiento durante aproximadamente 2,000 h, lo que representa 10 000 h de servicio. Acepte la pieza cuando la descarga parcial (DP) aumente menos del 20 %, la capacitancia varíe menos del 5 % y la resistencia de aislamiento disminuya menos del 50 %. Cualquier valor peor indica una población de huecos que no sobrevivirá al período de servicio.

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