Какво се случва в микросекундата, когато IGBT транзисторът се изключи

Всеки път, когатоIGBT транзисторизключва, нещо насилствено се случва в много кратък период от време.

Сравнение на формата на вълната на напрежението, показващо пик при изключване на IGBT транзистора със и без демпферен кондензатор CRE

Токът, протичащ през устройството, се прекъсва. Енергията, съхранена в разсеяната индуктивност на веригата, няма къде да отиде. Тя се освобождава като пик на напрежение. Ако нищо не абсорбира този пик, той може да надвиши номиналното напрежение на IGBT транзистора и да повреди устройството.

Това е точно проблемът, за чието решаване е създаден демпферният кондензатор. И си струва да се разбере правилно, защото разликата между добър демпферен кондензатор и посредствен такъв се проявява като повреди на устройството месеци или години по-късно, а не още в първия ден.

Работата на демпферен кондензатор

A демпферен кондензаторсе намира върху превключващото устройство и отдава освободената енергия на безопасно място.

Когато IGBT транзисторът се изключи, кондензаторът абсорбира преходния ток и ограничава скоростта на покачване на напрежението (dv/dt) в устройството. Тази единствена функция изпълнява три неща едновременно: потиска пиковете на напрежението, намалява загубите при превключване и изглажда резките промени в тока и напрежението, които натоварват останалата част от веригата.

За да работи това добре, две електрически свойства са по-важни от всичко друго: ниско еквивалентно серийно съпротивление (ESR) и ниска еквивалентна последователна индуктивност (ESL). Високото ESR или ESL забавя реакцията на кондензатора и ограничава ефективността му при ограничаване на бързи преходни процеси. Ето защо метализираното полипропиленово фолио е предпочитаният материал за повечето приложения на демпфери. То съчетава ниско ESR/ESL със самовъзстановяващ се диелектрик, така че кондензаторът продължава да работи надеждно дори след многократно напрежение.

Вътре вSMJ-PIGBT демпферен кондензатор с пластмасова кутия на CRE

SMJ-P на CRE е демпферен кондензатор в пластмасова кутия, специално разработен за IGBT защита, с калайдисани медни вложки за лесен монтаж директно върху IGBT модула.

CRE SMJ-P пластмасов IGBT демпферен кондензатор с калайдисани медни проводници

Ключови технически параметри:

Самата конструкция е изградена около същата логика като електрическите характеристики. Пластмасовият корпус е запечатан със смола, което предпазва намотката от влага и механично напрежение. Предлагат се както аксиални, така и радиални конфигурации на изводите, така че едно и също семейство кондензатори може да пасне на различни модулни оформления без специално препроектиране всеки път.

Детайл, който повечето статии пропускат: Геометрията на изводите е толкова важна, колкото и капацитетът

Повечетодемпферен кондензаторсъдържанието спира на „използвайте полипропиленово фолио, то се самовъзстановява“. Вярно е, но това е само половината от инженерната история и това е половината, която всъщност не решава дали дадена част работи в дадена верига.

Другата половина е индуктивността на контура. Само стойността на капацитета не гарантира нисък пик на напрежението, ако самоиндуктивността на кондензатора остане висока, защото оставащата индуктивност в контура между клемите и вътрешните връзки е сама по себе си отговорна за генерирането на пик на напрежение или преходен процес. С други думи, част с висок капацитет и дълги, тънки изводи може да се представи по-зле от по-малка част с къси, широки изводи.

Диаграма, сравняваща индуктивността на контура между клемите на дълъг и директен монтаж на демпферен кондензатор

Ето защо методът на монтаж е по-важен, отколкото изглежда в техническия лист. Кондензаторите с широки, плоски клеми, които могат да се завинтят директно към IGBT модула, постигат по-ниска самоиндуктивност от частите, свързани чрез дълги проводници. Калайдисаните медни вложки на SMJ-P и изборът на аксиална или радиална конфигурация съществуват точно по тази причина: за да се запази късият път на свързване и да се позволи на номиналния капацитет действително да осигури защитата от dv/dt, за която е посочен.

Самовъзстановяващото се свойство все още е важно, отделно. Метализиран полипропиленов филм, който претърпява локализирано диелектрично пробиване, изолира този дефект за микросекунди, вместо да се повреди напълно, поради което филмът остава стандартният диелектрик за това приложение пред керамичните или електролитните алтернативи. Но самовъзстановяването и ниската индуктивност на контура са два различни инженерни проблема и един демпферен кондензатор трябва да се справи и с двата.

SMJ-P в рамките на по-широката гама от демпферни кондензатори на CRE

TheSMJ-P формат на пластмасова кутияе една от няколкото конфигурации на изводите и корпусите, които CRE предлага за демпферна защита на IGBT и GTO транзистори. В зависимост от монтажното пространство, ориентацията на изводите и термичните изисквания, CRE произвежда и варианти с аксиални изводите и майларовата лента, изградени по същата технология за метализирано полипропиленово фолио и проектирани по същите стандарти за производителност ESR/ESL. Това означава, че екипът по проектиране може да преминава между формати с развитието на оформлението, без да е необходимо да се преквалифицира основната диелектрична система от нулата.

Как инженерите проверяват избора на демпферен кондензатор

Кондензаторът и номиналното напрежение в информационния лист не са достатъчни, за да се потвърди, че един демпферен кондензатор ще работи в дадена верига. Стандартният метод за проверка, документиран от SEMIKRON в бележките за приложение на IGBT, е да се измери действителната форма на вълната на напрежението колектор-емитер при изключване, със и без демпферен кондензатор на място, и да се потвърди, че пикът остава в рамките на номиналното блокиращо напрежение на IGBT при най-лоши условия. След изключване токът комутира в демпферния кондензатор, създавайки токов пик в момента на превключване, последван от затихнало трептене между демпферния кондензатор и DC-връзката, като честотата на трептене се определя от паразитната индуктивност на шината и стойността на демпферния кондензатор.

Същият този акцент върху геометрията на изводите и хардуера за директно монтиране на клеми като основна променлива в дизайна, а не като допълнителна мисъл, е отразен в широко разпространената литература за проектиране на силова електроника, включително справочника за дизайн на демпфери на Руди Севернс, публикуван от Cornell Dubilier. Основната физика е формализирана и в IEC 61071, международният стандарт, уреждащ кондензатори за силова електроника, на който SMJ-P е проектиран да отговаря. Основната теза във всички тези източници е еднаква:Целта не е просто стойност на капацитета в спецификацията, а измерено, повтаряемо намаляване на пиковото напрежение при изключване.

Къде се използват кондензаторите SMJ-P

Схема на полумостова IGBT верига с демпферен кондензатор C3, свързан през релсите на DC шината.

Демпферните кондензатори не са нишов компонент. Те се появяват навсякъде, където устройство за превключване на захранването се нуждае от защита от собственото си превключване:

• Инвертори и моторни задвижвания, където IGBT транзисторите се превключват непрекъснато и се нуждаят от постоянна dv/dt защита

•Силова електроника за електрически превозни средства, където ефективността на превключване и дълготрайността на компонентите пряко влияят на обхвата и надеждността

•Системи за възобновяема енергия, включително слънчеви инвертори, където потискането на пиковете на напрежение защитава високоенергийните комутационни устройства в продължение на десетилетия работа

•Токоизправители,SVCsи захранвания за локомотиви, където високите импулсни токове и взискателните работни цикли правят производителността на ESR и ESL особено критична

Общата нишка във всички тези приложения е една и съща: превключващите устройства генерират преходни процеси и нещо трябва да ги абсорбира чисто, цикъл след цикъл, през целия жизнен цикъл на системата.

Защо изборът на материали и производство се усложнява с течение на времето

Работата на демпферния кондензатор изглежда проста на информационен лист. На практика производителността се определя от детайли, които не се проявяват, докато системата не работи години наред: колко последователно диелектрикът се самовъзстановява след напрежение, колко точно се контролират ESR и ESL в рамките на производствената партида и дали изолационното съпротивление се запазва в целия температурен диапазон, а не само при стайна температура.

Ето защо SMJ-P на CRE обвързва своя очакван живот от 100 000 часа със специфично температурно условие (≤85°C), вместо да го посочва като общо число, и защо изолационното съпротивление се определя отделно чрез диапазон на капацитета, а не като единна обща стойност. Това са видовете спецификации, които са важни за инженера, валидиращ даден проект, а не просто маркетингово твърдение.

ЧЗВ: Избор на IGBT демпферен кондензатор

Q1：Какво еIGBT демпферен кондензаторизползван за? 

IGBT демпферен кондензатор потиска пиковете на напрежение, генерирани при изключване на IGBT транзистора, предпазвайки устройството от превишаване на номиналното му блокиращо напрежение. Метализираният полипропиленов филмов кондензатор SMJ-P на CRE е проектиран за тази цел, с номинален диапазон на напрежение от 700V DC до 3000V DC.

Q2：Как да избера правилния производител на демпферни кондензатори? 

Потърсете производител, който предлага филмови кондензатори с ниско ESR/ESL, признати сертификати (IEC 61071, UL94V-0) и опции за персонализиран капацитет или напрежение.КРЕе производител на филмови кондензатори, доставящ DC-Link,IGBT демпфери EMC-филтърни кондензатори за силова електроника, възобновяема енергия и приложения в железопътния транспорт, с аксиални и радиални конфигурации на изводите.

Q3：Какво прави полипропиленовия филмов кондензатор по-добър от другите видове демпферни кондензатори? 

Метализираното полипропиленово фолио предлага ниско ESR/ESL, самовъзстановяващи се диелектрични свойства и стабилна работа в широк температурен диапазон, което го прави стандартен диелектрик за приложения с демпфери в сравнение с електролитни или керамични алтернативи. SMJ-P на CRE работи от -40°C до +85°C с номинален живот от 100 000 часа.

Пълната техническа документация за SMJ-P е достъпна тук: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

Референции:

1. СЪЗДАВАНЕ НА НОВА ЕНЕРГИЯ,Пластмасова кутия IGBT демпферен кондензатор SMJ-P„Информационен лист за продукта“. (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)

2. Semikron Danfoss, „Измерване на пиково напрежение на IGBT транзистори и спецификация на демпферни кондензатори“, бележка за приложение AN 07-006.

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

3. Севернс, Руди. „Проектиране на демпфери за силови вериги.“ Забележка за приложение на Cornell Dubilier. （https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf）

Техническите спецификации отразяват публикуваните данни към момента на писане. Читателите трябва да проверят текущите характеристики спрямо най-новия информационен лист на производителя преди окончателната употреба при проектиране.