Що відбувається за мікросекунду, коли IGBT вимикається

Щоразу, колиIGBTвимикається, щось насильницьке відбувається за дуже короткий проміжок часу.

Порівняння форми сигналу напруги, що показує пік вимкнення IGBT з демпферним конденсатором CRE та без нього

Струм, що протікає через пристрій, переривається. Енергія, що накопичується в індуктивності кола, не має куди подітися. Вона вивільняється у вигляді сплеску напруги. Якщо ніщо не поглине цей сплеск, він може перевищити номінальну напругу IGBT та пошкодити пристрій.

Саме для вирішення цієї проблеми і створений снаберний конденсатор. І це варто добре зрозуміти, тому що різниця між хорошим снаберним конденсатором і посереднім проявляється у виході пристрою з ладу через місяці чи роки, а не з першого дня.

Робота демпферного конденсатора

A демпферний конденсаторзнаходиться на комутаційному пристрої та віддає вивільнену енергію кудись у безпечне місце.

Коли IGBT вимикається, конденсатор поглинає перехідний струм і обмежує швидкість зростання напруги (dv/dt) на пристрої. Ця єдина функція виконує три речі одночасно: пригнічує сплески напруги, зменшує втрати на перемикання та згладжує різкі зміни струму та напруги, які навантажують решту схеми.

Щоб це працювало добре, дві електричні властивості мають найбільше значення: низький еквівалентний послідовний опір (ESR) та низька еквівалентна послідовна індуктивність (ESL). Високий ESR або ESL уповільнює реакцію конденсатора та обмежує ефективність його фіксації швидких перехідних процесів. Саме тому металізована поліпропіленова плівка є матеріалом вибору для більшості застосувань демпферів. Вона поєднує низький ESR/ESL із самовідновлювальним діелектриком, тому конденсатор надійно працює навіть після багаторазових навантажень напругою.

ВсерединіSMJ-PДемпферний конденсатор IGBT у пластиковій коробці від CRE

SMJ-P від ​​CRE — це демпферний конденсатор у пластиковому корпусі, спеціально розроблений для захисту IGBT, з лудженими мідними вставними виводами для простого встановлення безпосередньо на модуль IGBT.

Демпферний конденсатор CRE SMJ-P у пластиковому корпусі з лудженими мідними виводами

Основні технічні параметри:

Сама конструкція побудована за тією ж логікою, що й електричні характеристики. Пластиковий корпус герметизований смолою, що захищає обмотку від вологи та механічних навантажень. Доступні як аксіальні, так і радіальні конфігурації виводів, тому одне й те саме сімейство конденсаторів може відповідати різним компонуванням модулів без необхідності індивідуального перероблення кожного разу.

Деталь, яку пропускає більшість статей: геометрія виводів має таке ж значення, як і ємність

Більшістьдемпферний конденсаторЗміст зупиняється на фразі «використовуйте поліпропіленову плівку, вона самовідновлюється». Це правда, але це лише половина інженерної історії, і саме та половина насправді не визначає, чи працюватиме певна деталь у певній схемі.

Інша половина – це індуктивність петлі. Значення ємності саме по собі не гарантує низького сплеску напруги, якщо власна індуктивність конденсатора залишається високою, оскільки залишкова індуктивність у петлі між клемами та внутрішніми з'єднаннями сама відповідає за генерацію сплеску напруги або перехідного процесу. Іншими словами, деталь з високою ємністю та довгими тонкими виводами може працювати гірше, ніж менша деталь з короткими широкими виводами.

Діаграма порівняння індуктивності петлі між клемами довгопровідного та прямопровідного демпферного конденсатора

Ось чому спосіб монтажу має більше значення, ніж виглядає в технічному описі. Конденсатори з широкими плоскими виводами, які можна прикрутити безпосередньо до модуля IGBT, досягають нижчої власної індуктивності, ніж деталі, підключені за допомогою довгих підвідних проводів. Мідні луджені вставки SMJ-P та вибір аксіальної або радіальної конфігурації існують саме для цієї причини: щоб шлях з'єднання був коротким, а номінальна ємність фактично забезпечувала захист від перенапруги/перенапруги (dv/dt), на який вона призначена.

Властивість самовідновлення все ще має значення окремо. Металізована поліпропіленова плівка, яка зазнає локалізованого діелектричного пробою, ізолює цей дефект за мікросекунди, замість того, щоб повністю виходити з ладу, саме тому плівка залишається стандартним діелектриком для цього застосування порівняно з керамічними або електролітичними альтернативами. Але самовідновлення та низька індуктивність петлі – це дві різні інженерні проблеми, і конденсатор з демпферним живленням повинен правильно вирішувати обидві.

SMJ-P у ширшому асортименті демпферних конденсаторів CRE

TheФормат пластикової коробки SMJ-Pє однією з кількох конфігурацій виводів та корпусів, які CRE пропонує для захисту від демпферів IGBT та GTO. Залежно від монтажного простору, орієнтації виводів та теплових вимог, CRE також виробляє варіанти з аксіальними виводами та майларовою стрічкою, побудовані за тією ж технологією металізованої поліпропіленової плівки та спроектовані відповідно до тих самих стандартів продуктивності ESR/ESL. Це означає, що команда розробників може переходити між форматами в міру розвитку макета, без повторної кваліфікації базової діелектричної системи з нуля.

Як інженери перевіряють вибір демпферного конденсатора

Ємності та номінальної напруги, зазначених у технічному описі, недостатньо, щоб підтвердити, що демпферний конденсатор працюватиме в заданому колі. Стандартний метод перевірки, задокументований SEMIKRON у своїх примітках щодо застосування IGBT, полягає у вимірюванні фактичної форми хвилі напруги колектор-емітер під час вимкнення, з встановленим демпферним конденсатором та без нього, та підтвердження того, що пік залишається в межах номінальної блокувальної напруги IGBT за найгірших умов. Після вимкнення струм комутується в демпферний конденсатор, створюючи пік струму в момент перемикання, а потім затухаючі коливання між демпферним конденсатором та ланкою постійного струму, причому частота коливань визначається паразитною індуктивністю шини та значенням демпферного конденсатора.

Цей самий акцент на геометрії виводів та апаратному забезпеченні клем безпосереднього монтажу як на первинній конструктивній змінній, а не на другорядній, відображено в широко поширеній літературі з проектування силової електроніки, включаючи довідник Руді Севернса з проектування демпферів, опублікований Корнеллом Дубільє. Основна фізика також формалізована в IEC 61071, міжнародному стандарті, що регулює конденсатори для силової електроніки, якому має відповідати SMJ-P. Головна думка в усіх цих джерелах однакова:Мета — не просто значення ємності в технічних характеристиках, а виміряне, повторюване зниження пікової напруги при вимкненні.

Де використовуються конденсатори SMJ-P

Схема напівмостового IGBT з демпферним конденсатором C3, підключеним до шин постійного струму.

Демпферні конденсатори не є нішевим компонентом. Вони з'являються скрізь, де комутаційний пристрій потребує захисту від власної комутаційної дії:

• Інвертори та моторні приводи, де IGBT перемикаються безперервно та потребують постійного захисту від DV/DT

•Силова електроніка електромобілів, де ефективність перемикання та довговічність компонентів безпосередньо впливають на дальність та надійність

•Системи відновлюваної енергії, включаючи сонячні інвертори, де придушення стрибків напруги захищає потужні комутаційні пристрої протягом десятиліть експлуатації

•Випрямлячі,SVCта джерела живлення локомотивів, де високі імпульсні струми та вимогливі робочі цикли роблять характеристики ESR та ESL особливо важливими

Спільна риса всіх цих застосувань одна й та сама: комутаційні пристрої генерують перехідні процеси, і щось має їх чисто поглинати, цикл за циклом, протягом усього терміну служби системи.

Чому вибір матеріалів та виготовлення з часом ускладнюється

Робота демпферного конденсатора виглядає простою в технічному описі. На практиці продуктивність визначається деталями, які не проявляються, доки система не працює роками: наскільки послідовно діелектрик самовідновлюється після напруження, наскільки точно контролюються ESR та ESL у виробничій партії, і чи опір ізоляції залишається незмінним у всьому діапазоні температур, а не лише при кімнатній температурі.

Ось чому SMJ-P від ​​CRE пов'язує свій термін служби 100 000 годин з певним температурним режимом гарячої точки (≤85°C), а не вказуючи його як загальне число, і чому опір ізоляції визначається окремо за діапазоном ємності, а не як єдине загальне число. Це ті типи характеристик, які важливі для інженера, який перевіряє конструкцію, а не просто маркетингове твердження.

Найчастіші запитання: Вибір конденсатора демпфера IGBT

Q1：Що такеIGBT демпферний конденсаторвикористовується для? 

Демпферний конденсатор IGBT пригнічує сплески напруги, що виникають під час вимикання IGBT, захищаючи пристрій від перевищення номінальної блокувальної напруги. Металізований поліпропіленовий плівковий конденсатор SMJ-P від ​​CRE розроблений саме для цієї мети з номінальним діапазоном напруги від 700 В постійного струму до 3000 В постійного струму.

Q2：Як вибрати правильного виробника демпферних конденсаторів? 

Шукайте виробника, який пропонує плівкові конденсатори з низьким ESR/ESL, визнані сертифікати (IEC 61071, UL94V-0) та варіанти ємності або напруги на замовлення.КРЕє виробником плівкових конденсаторів, що постачає DC-Link,IGBT-демпфер, а також конденсатори з фільтрами ЕМС для силової електроніки, відновлюваної енергетики та залізничного транспорту, з доступними як аксіальними, так і радіальними конфігураціями виводів.

Q3：Що робить поліпропіленовий плівковий конденсатор кращим за інші типи снаберних конденсаторів? 

Металізована поліпропіленова плівка пропонує низький коефіцієнт ESR/ESL, самовідновлювальні діелектричні властивості та стабільну роботу в широкому діапазоні температур, що робить її стандартним діелектриком для демпферних застосувань порівняно з електролітичними або керамічними альтернативами. SMJ-P від ​​CRE працює від -40°C до +85°C з номінальним терміном служби 100 000 годин.

Повна технічна документація для SMJ-P доступна тут: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

Список літератури:

1. СТВОРІТЬ НОВУ ЕНЕРГІЮ,Пластиковий корпус IGBT демпферного конденсатора SMJ-P«Технічний паспорт продукту». (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)

2. Semikron Danfoss, «Вимірювання пікової напруги IGBT та специфікація демпферних конденсаторів», Примітка до застосування AN 07-006.

(https://assets.danfoss.com/documents/latest/444044/AB501644922487en-000201.pdf)

3. Севернс, Руді. «Проектування демпферів для силових кіл». Примітка до застосування Корнелла Дубільє. (https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf)

Технічні характеристики відображають опубліковані дані на момент написання. Читачам слід перевірити поточні характеристики з останнім паспортом виробника перед остаточним використанням у проекті.