Kaj se zgodi v mikrosekundi, ko se IGBT izklopi

Vsakič, koIGBTizklopi, se v zelo kratkem časovnem oknu zgodi nekaj nasilnega.

Primerjava napetostnih valov, ki prikazuje izklopni vrh IGBT z dušilnim kondenzatorjem CRE in brez njega

Tok, ki teče skozi napravo, se prekine. Energija, shranjena v induktivnosti vezja, nima kam iti. Sprosti se kot napetostni sunek. Če ta sunek nič ne absorbira, lahko preseže nazivno napetost IGBT-ja in poškoduje napravo.

To je točno ta problem, za katerega je zasnovan dušilni kondenzator. In vredno ga je pravilno razumeti, saj se razlika med dobrim in povprečnim dušilnim kondenzatorjem pokaže kot okvara naprave čez mesece ali leta, ne pa že prvi dan.

Naloga dušilnega kondenzatorja

A dušilni kondenzatorsedi čez stikalno napravo in sproščeno energijo odda nekam na varno mesto.

Ko se IGBT izklopi, kondenzator absorbira prehodni tok in omeji hitrost naraščanja napetosti (dv/dt) na napravi. Ta ena sama funkcija hkrati opravlja tri stvari: zavira napetostne sunke, zmanjšuje izgube pri preklopu in gladi nenadne spremembe toka in napetosti, ki obremenjujejo preostali del vezja.

Da bi to dobro delovalo, sta dve električni lastnosti pomembnejši od vsega drugega: nizka ekvivalentna serijska upornost (ESR) in nizka ekvivalentna serijska induktivnost (ESL). Visok ESR ali ESL upočasni odziv kondenzatorja in omejuje učinkovitost njegovega zaviranja hitrih prehodnih pojavov. Zato je metalizirana polipropilenska folija tudi material izbire za večino dušilnih uporov. Združuje nizek ESR/ESL s samoobnavljajočim se dielektrikom, zato kondenzator zanesljivo deluje tudi po ponavljajočih se napetostnih obremenitvah.

V notranjostiSMJ-PCRE-jev IGBT dušilni kondenzator v plastični škatli

CRE SMJ-P je dušilni kondenzator v plastični škatli, posebej izdelan za zaščito IGBT-jev, s kositrnimi bakrenimi priključki za enostavno namestitev neposredno na IGBT modul.

CRE SMJ-P plastični ohišje IGBT dušilni kondenzator s kositrnimi bakrenimi priključki

Ključni tehnični parametri:

Sama konstrukcija je zgrajena na isti logiki kot električna zmogljivost. Plastično ohišje je zatesnjeno s smolo, ki ščiti navitje pred vlago in mehanskimi obremenitvami. Na voljo sta tako aksialna kot radialna konfiguracija priključkov, tako da se lahko ista družina kondenzatorjev prilega različnim postavitvam modulov brez potrebe po preoblikovanju po meri vsakič.

Podrobnosti, ki jih večina člankov preskoči: Geometrija vodnikov je prav tako pomembna kot kapacitivnost

Večinadušilni kondenzatorVsebina se ustavi pri »uporabite polipropilensko folijo, saj se sama popravlja«. To je res, vendar je to le polovica inženirske zgodbe in tista polovica dejansko ne odloča o tem, ali določen del deluje v določenem vezju.

Druga polovica je induktivnost zanke. Sama vrednost kapacitivnosti ne zagotavlja nizke napetostne konice, če lastna induktivnost kondenzatorja ostane visoka, saj je preostala induktivnost v zanki med priključki in notranjimi povezavami sama po sebi odgovorna za nastanek napetostne konice ali prehodnega pojava. Z drugimi besedami, del z visoko kapacitivnostjo in dolgimi, tankimi priključki lahko deluje slabše od manjšega dela s kratkimi, širokimi priključki.

Diagram, ki primerja induktivnost zanke med priključki dolgoveznega in neposredno nameščenega dušilnega kondenzatorja

Zato je tudi način montaže pomembnejši, kot je videti na podatkovnem listu. Kondenzatorji s širokimi, ploščatimi priključki, ki jih je mogoče priviti neposredno na IGBT modul, dosegajo nižjo lastno induktivnost kot deli, priključeni z dolgimi žicami. SMJ-P-jevi bakreno prevlečeni vstavki in možnost aksialne ali radialne konfiguracije obstajajo prav iz tega razloga: da je povezovalna pot kratka in da nazivna kapacitivnost dejansko zagotavlja zaščito dv/dt, za katero je določena.

Lastnost samozdravljenja je še vedno pomembna, ločeno. Metalizirana polipropilenska folija, pri kateri pride do lokalizirane dielektrične prebojne okvare, to napako izolira v mikrosekundah, namesto da bi popolnoma odpovedala, zato folija ostaja standardni dielektrik za to uporabo v primerjavi s keramičnimi ali elektrolitskimi alternativami. Toda samozdravljenje in nizka induktivnost zanke sta dva različna inženirska problema, dušilni kondenzator pa mora pravilno rešiti oba.

SMJ-P znotraj širše ponudbe dušilnih kondenzatorjev CRE

TheSMJ-P format plastične škatleje ena od več konfiguracij vodnikov in ohišij, ki jih CRE ponuja za zaščito dušilcev IGBT in GTO. Glede na prostor za montažo, orientacijo vodnikov in toplotne zahteve CRE proizvaja tudi različice z aksialnimi vodniki in mylar trakovi, zgrajene na isti tehnologiji metalizirane polipropilenske folije in zasnovane v skladu z istimi standardi delovanja ESR/ESL. To pomeni, da se lahko oblikovalska ekipa premika med formati, ko se postavitev razvija, ne da bi morala od začetka ponovno kvalificirati osnovni dielektrični sistem.

Kako inženirji preverijo izbiro dušilnega kondenzatorja

Nazivna kapacitivnost in napetost na podatkovnem listu nista dovolj za potrditev delovanja dušilnega kondenzatorja v danem vezju. Standardna metoda preverjanja, ki jo je SEMIKRON dokumentiral v svojih opombah o uporabi IGBT-jev, je merjenje dejanske valovne oblike napetosti kolektor-emiter ob izklopu, z nameščenim dušilnim kondenzatorjem in brez njega, in potrditev, da vrh ostane znotraj nazivne blokirne napetosti IGBT-ja v najslabših pogojih. Po izklopu tok komutira v dušilni kondenzator, kar povzroči tokovni vrh v trenutku preklopa, ki mu sledi dušeno nihanje med dušilnim kondenzatorjem in enosmernim vezjem, pri čemer je frekvenca nihanja določena s parazitsko induktivnostjo vodila in vrednostjo dušilnega kondenzatorja.

Isti poudarek na geometriji vodnikov in strojni opremi za neposredno montažo priključkov kot primarni spremenljivki zasnove in ne kot naknadni misli se odraža v široko razširjeni literaturi o načrtovanju močnostne elektronike, vključno z referenco Rudyja Severnsa o načrtovanju dušilcev kondenzatorjev, ki jo je objavil Cornell Dubilier. Osnovna fizika je formalizirana tudi v IEC 61071, mednarodnem standardu, ki ureja kondenzatorje za močnostno elektroniko, ki mu mora ustrezati tudi SMJ-P. Bistvo v vseh teh virih je enotno:Cilj ni le vrednost kapacitivnosti na specifikacijskem listu, temveč izmerjeno, ponovljivo zmanjšanje najvišje napetosti ob izklopu.

Kje se uporabljajo kondenzatorji SMJ-P

Shema vezja polmostnega IGBT tranzistorja z dušilnim kondenzatorjem C3, priključenim na tirnice enosmernega toka.

Blažilni kondenzatorji niso nišna komponenta. Pojavijo se povsod, kjer je potrebna zaščita stikalne naprave pred lastnim preklopnim delovanjem:

• Inverterji in motorni pogoni, kjer se IGBT-ji neprekinjeno preklapljajo in potrebujejo dosledno zaščito dv/dt

•Močna elektronika električnih vozil, kjer učinkovitost preklapljanja in življenjska doba komponent neposredno vplivata na doseg in zanesljivost

•Sistemi obnovljivih virov energije, vključno s sončnimi inverterji, kjer zatiranje napetostnih sunkov ščiti visokoenergijske stikalne naprave skozi desetletja delovanja

•Usmerniki,SVC-jiin napajalniki za lokomotive, kjer visoki impulzni tokovi in ​​zahtevni delovni cikli še posebej poudarjajo pomembnost delovanja ESR in ESL

Skupna nit vseh teh aplikacij je enaka: stikalne naprave ustvarjajo prehodne pojave in nekaj jih mora čisto absorbirati, cikel za ciklom, skozi celotno življenjsko dobo sistema.

Zakaj se izbire materialov in izdelave sčasoma stopnjujejo

Delo dušilnega kondenzatorja je na podatkovnem listu videti preprosto. V praksi je delovanje odvisno od podrobnosti, ki se pokažejo šele po večletnem delovanju sistema: kako dosledno se dielektrik po obremenitvi samozdravi, kako natančno sta ESR in ESL nadzorovana v celotni proizvodni seriji in ali izolacijska upornost ostane nespremenjena v celotnem temperaturnem območju in ne le pri sobni temperaturi.

Zato CRE-jev SMJ-P svojo pričakovano življenjsko dobo 100.000 ur veže na določen temperaturni pogoj vroče točke (≤85 °C), namesto da bi jo navedel kot generično številko, in zato je izolacijska upornost določena ločeno z območjem kapacitivnosti in ne kot ena sama splošna številka. To so vrste specifikacij, ki so pomembne za inženirja, ki potrjuje zasnovo, ne le trženjska trditev.

Pogosta vprašanja: Izbira dušilnega kondenzatorja IGBT

Q1：Kaj jeIGBT dušilni kondenzatoruporablja se za? 

IGBT dušilni kondenzator zavira napetostne sunke, ki nastanejo ob izklopu IGBT-ja, in tako ščiti napravo pred prekoračitvijo nazivne blokirne napetosti. Metaliziran polipropilenski filmski kondenzator SMJ-P podjetja CRE je zasnovan prav za ta namen, z nazivno napetostjo od 700 V DC do 3000 V DC.

Q2：Kako izberem pravega proizvajalca dušilnih kondenzatorjev? 

Poiščite proizvajalca, ki ponuja filmske kondenzatorje z nizkim ESR/ESL, priznane certifikate (IEC 61071, UL94V-0) in možnosti prilagajanja kapacitivnosti ali napetosti.CREje proizvajalec filmskih kondenzatorjev, ki dobavlja DC-Link,IGBT dušilecin EMC-filtrski kondenzatorji za energetsko elektroniko, obnovljive vire energije in uporabo v železniškem prometu, z aksialno in radialno konfiguracijo vodnikov.

Q3：Kaj naredi polipropilenski filmski kondenzator boljši od drugih vrst dušilnih kondenzatorjev? 

Metalizirana polipropilenska folija ponuja nizek ESR/ESL, samoobnavljajoče se dielektrične lastnosti in stabilno delovanje v širokem temperaturnem območju, zaradi česar je standardni dielektrik za uporabo v dušilnih sistemih v primerjavi z elektrolitskimi ali keramičnimi alternativami. CRE SMJ-P deluje od -40 °C do +85 °C z nazivno pričakovano življenjsko dobo 100.000 ur.

Celotna tehnična dokumentacija za SMJ-P je na voljo tukaj: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

Reference:

1. USTVARITE NOVO ENERGIJO, “Plastični ohišje IGBT dušilni kondenzator SMJ-P,” Podatkovni list izdelka. (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)

2. Semikron Danfoss, »Merjenje najvišje napetosti IGBT in specifikacija dušilnega kondenzatorja«, Opomba k uporabi AN 07-006.

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

3. Severns, Rudy. »Zasnova dušilcev prekinitev za energetska vezja.« Opomba za uporabo Cornell Dubilier. （https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf）

Tehnične specifikacije odražajo objavljene podatke v času pisanja. Bralci naj pred končno uporabo v zasnovi preverijo trenutne nazivne vrednosti v skladu z najnovejšim podatkovnim listom proizvajalca.