Čo sa stane v mikrosekunde, keď sa IGBT vypne

Zakaždým, keďIGBT tranzistoryvypne sa, vo veľmi krátkom časovom období sa stane niečo násilné.

Porovnanie priebehu napätia zobrazujúce vypínaciu špičku IGBT s tlmiacim kondenzátorom CRE a bez neho

Prúd pretekajúci zariadením sa preruší. Energia uložená v bludnej indukčnosti obvodu nemá kam ísť. Uvoľní sa ako napäťová špička. Ak nič túto špičku neabsorbuje, môže prekročiť menovité napätie IGBT a poškodiť zariadenie.

Toto je presne ten problém, na ktorý je určený tlmiaci kondenzátor. A stojí za to ho správne pochopiť, pretože rozdiel medzi dobrým tlmiacim kondenzátorom a priemerným sa prejaví ako poruchy zariadenia po mesiacoch alebo rokoch, nie hneď na prvý deň.

Úloha tlmiča kondenzátora

A tlmiaci kondenzátorsedí na spínacom zariadení a uvoľnenú energiu odovzdáva niekam bezpečne.

Keď sa IGBT vypne, kondenzátor absorbuje prechodový prúd a obmedzuje rýchlosť nárastu napätia (dv/dt) na obvode. Táto jediná funkcia vykonáva tri veci naraz: potláča napäťové špičky, znižuje straty pri spínaní a vyhladzuje náhle zmeny prúdu a napätia, ktoré zaťažujú zvyšok obvodu.

Aby to fungovalo dobre, dve elektrické vlastnosti sú dôležitejšie ako čokoľvek iné: nízky ekvivalentný sériový odpor (ESR) a nízka ekvivalentná sériová indukčnosť (ESL). Vysoký ESR alebo ESL spomaľuje odozvu kondenzátora a obmedzuje jeho účinnosť pri obmedzení rýchleho prechodového javu. To je tiež dôvod, prečo je metalizovaná polypropylénová fólia preferovaným materiálom pre väčšinu aplikácií tlmičov. Kombinuje nízky ESR/ESL so samoopraviteľným dielektrikom, takže kondenzátor spoľahlivo funguje aj po opakovanom napäťovom namáhaní.

Vo vnútriSMJ-PTlmiaci kondenzátor IGBT v plastovej krabičke od spoločnosti CRE

CRE SMJ-P je tlmiaci kondenzátor v plastovej skrinke určený na ochranu IGBT tranzistorov s pocínovanými medenými vývodmi pre jednoduchú inštaláciu priamo na IGBT modul.

Tlmiaci kondenzátor CRE SMJ-P v plastovej krabičke s IGBT a pocínovanými medenými vývodmi

Kľúčové technické parametre:

Samotná konštrukcia je postavená na rovnakej logike ako elektrický výkon. Plastové puzdro je utesnené živicou, ktorá chráni vinutie pred vlhkosťou a mechanickým namáhaním. K dispozícii sú axiálne aj radiálne konfigurácie vývodov, takže tá istá rodina kondenzátorov sa môže hodiť do rôznych rozložení modulov bez nutnosti ich prepracovania.

Detail, ktorý väčšina článkov preskočí: Geometria vývodov je rovnako dôležitá ako kapacita

Väčšinatlmiaci kondenzátorObsah sa zastaví pri „používajte polypropylénovú fóliu, sama sa opraví“. To je pravda, ale je to len polovica inžinierskeho príbehu a práve tá polovica v skutočnosti nerozhoduje o tom, či daná súčiastka v danom obvode funguje.

Druhou polovicou je indukčnosť slučky. Samotná hodnota kapacity nezaručuje nízky napäťový skok, ak vlastná indukčnosť kondenzátora zostáva vysoká, pretože zostávajúca indukčnosť v slučke medzi svorkami a vnútornými pripojeniami je sama o sebe zodpovedná za generovanie napäťového skoku alebo prechodového javu. Inými slovami, súčiastka s vysokou kapacitou a dlhými, tenkými vodičmi môže mať nižší výkon ako menšia súčiastka s krátkymi, širokými svorkami.

Diagram porovnávajúci indukčnosť slučky medzi svorkami tlmiacej kondenzátorovej jednotky s dlhým vodičom a svorkami priamo montovanej tlmiacej kondenzátorovej jednotky

Aj preto je spôsob montáže dôležitejší, než ako vyzerá v technickom liste. Kondenzátory so širokými, plochými svorkami, ktoré je možné naskrutkovať priamo na IGBT modul, dosahujú nižšiu vlastnú indukčnosť ako súčiastky pripojené dlhými prívodnými vodičmi. Pocínované medené vložené vodiče SMJ-P a možnosť výberu axiálnej alebo radiálnej konfigurácie existujú práve z tohto dôvodu: aby sa udržala krátka spojovacia cesta a aby menovitá kapacita skutočne poskytovala ochranu DV/DT, pre ktorú je určená.

Samoopravná vlastnosť je stále dôležitá, aj samostatne. Metalizovaná polypropylénová fólia, u ktorej dôjde k lokalizovanému dielektrickému prierazu, izoluje túto chybu v priebehu mikrosekúnd namiesto úplného zlyhania, a preto fólia zostáva štandardným dielektrikom pre túto aplikáciu oproti keramickým alebo elektrolytickým alternatívam. Samooprava a nízka indukčnosť slučky sú však dva rôzne technické problémy a tlmiaci kondenzátor musí riešiť oba.

SMJ-P v rámci širšieho sortimentu tlmiacich kondenzátorov CRE

Ten/Tá/ToFormát plastovej krabice SMJ-Pje jednou z niekoľkých konfigurácií vývodov a puzdier, ktoré CRE ponúka na ochranu IGBT a GTO pred tlmičmi. V závislosti od montážneho priestoru, orientácie vývodov a tepelných požiadaviek spoločnosť CRE vyrába aj varianty s axiálnymi vývodmi a mylarovou páskou, vyrobené na rovnakej technológii metalizovanej polypropylénovej fólie a skonštruované podľa rovnakých výkonnostných štandardov ESR/ESL. To znamená, že konštrukčný tím sa môže presúvať medzi formátmi podľa vývoja rozloženia bez toho, aby musel od začiatku prekvalifikovať základný dielektrický systém.

Ako inžinieri overujú výber tlmiča kondenzátora

Kapacita a menovité napätie uvedené v technickom liste nestačia na potvrdenie, že tlmiaci kondenzátor bude v danom obvode fungovať. Štandardná overovacia metóda, ktorú spoločnosť SEMIKRON dokumentuje vo svojich aplikačných poznámkach k IGBT, spočíva v meraní skutočného priebehu napätia kolektor-emitor pri vypnutí, s nasadeným tlmiacim kondenzátorom aj bez neho, a v overení, či vrchol zostáva v rámci menovitého blokovacieho napätia IGBT za najhorších podmienok. Po vypnutí prúd komutuje do tlmiacej kondenzácie, čím vytvára prúdovú špičku v okamihu prepnutia, po ktorej nasleduje tlmená oscilácia medzi tlmiacim kondenzátorom a jednosmerným obvodom, pričom frekvencia oscilácie je určená parazitnou indukčnosťou zbernice a hodnotou tlmiacej kondenzácie.

Rovnaký dôraz na geometriu vývodov a hardvér priamo montovaných terminálov ako primárnu konštrukčnú premennú, a nie ako dodatočnú myšlienku, sa odráža v široko distribuovanej literatúre o návrhu výkonovej elektroniky vrátane referencie Rudyho Severnsa o návrhu tlmičov publikovanej Cornell Dubilier. Základná fyzika je tiež formalizovaná v IEC 61071, medzinárodnej norme upravujúcej kondenzátory pre výkonovú elektroniku, ktorú má SMJ-P spĺňať. Hlavná myšlienka vo všetkých týchto zdrojoch je zhodná:Cieľom nie je len hodnota kapacity v špecifikácii, ale namerané, opakovateľné zníženie špičkového napätia pri vypnutí.

Kde sa používajú kondenzátory SMJ-P

Schéma zapojenia polovičného mostíka IGBT s tlmiacim kondenzátorom C3 zapojeným cez koľajnice jednosmernej zbernice.

Tlmiace kondenzátory nie sú len špecializovaným komponentom. Objavujú sa všade tam, kde je potrebné chrániť spínacie zariadenie pred vlastným spínaním:

• Meniče a motorové pohony, kde sa IGBT tranzistory nepretržite prepínajú a potrebujú konzistentnú ochranu dv/dt

•Výkonová elektronika elektrických vozidiel, kde účinnosť spínania a životnosť komponentov priamo ovplyvňujú dosah a spoľahlivosť

•Systémy obnoviteľnej energie, vrátane solárnych invertorov, kde potlačenie napäťových špičiek chráni vysokovýkonné spínacie zariadenia počas desaťročí prevádzky

•Usmerňovače,SVCa napájacie zdroje lokomotív, kde vysoké impulzné prúdy a náročné pracovné cykly robia výkon ESR a ESL obzvlášť dôležitým

Spoločným prvkom všetkých týchto aplikácií je to isté: spínacie zariadenia generujú prechodové javy a niečo ich musí čisto absorbovať, cyklus za cyklom, počas celej životnosti systému.

Prečo sa výber materiálov a výroby časom zhoršuje

Úloha tlmiča kondenzátora vyzerá v technickom liste jednoducho. V praxi je výkon určený detailmi, ktoré sa prejavia až po rokoch prevádzky systému: ako konzistentne sa dielektrikum samoopravuje po namáhaní, ako presne sú ESR a ESL kontrolované v rámci výrobnej dávky a či izolačný odpor drží konzistentný v celom teplotnom rozsahu, a nie len pri izbovej teplote.

Preto je životnosť SMJ-P od spoločnosti CRE viazaná na konkrétny teplotný stav (≤85 °C) namiesto toho, aby sa uvádzala ako všeobecné číslo, a preto sa izolačný odpor špecifikuje samostatne podľa rozsahu kapacity, a nie ako jednorazová hodnota. Toto sú špecifikácie, ktoré sú dôležité pre inžiniera overujúceho návrh, nielen marketingové tvrdenie.

Často kladené otázky: Výber IGBT tlmiacej kondenzátorovej batérie

Q1：Čo je toIGBT tlmiaci kondenzátorpoužívané na? 

Tlmiaci kondenzátor IGBT potláča napäťové špičky generované pri vypnutí IGBT a chráni zariadenie pred prekročením menovitého blokovacieho napätia. Na tento účel je navrhnutý metalizovaný polypropylénový filmový kondenzátor SMJ-P od spoločnosti CRE s menovitým rozsahom napätia od 700 V DC do 3 000 V DC.

Q2：Ako si vyberiem správneho výrobcu tlmiacich kondenzátorov? 

Hľadajte výrobcu, ktorý ponúka filmové kondenzátory s nízkym ESR/ESL, uznávané certifikácie (IEC 61071, UL94V-0) a vlastné možnosti kapacity alebo napätia.CREje výrobca filmových kondenzátorov, ktorý dodáva DC-Link,IGBT tlmiča EMC filtračné kondenzátory pre výkonovú elektroniku, obnoviteľné zdroje energie a aplikácie v železničnej doprave s axiálnymi aj radiálnymi konfiguráciami vývodov.

Q3：Čo robí polypropylénový fóliový kondenzátor lepším ako iné typy tlmiacich kondenzátorov? 

Metalizovaná polypropylénová fólia ponúka nízke ESR/ESL, samoopraviteľné dielektrické vlastnosti a stabilný výkon v širokom teplotnom rozsahu, vďaka čomu je štandardným dielektrikom pre tlmiace aplikácie v porovnaní s elektrolytickými alebo keramickými alternatívami. CRE SMJ-P pracuje od -40 °C do +85 °C s menovitou životnosťou 100 000 hodín.

Úplná technická dokumentácia pre SMJ-P je k dispozícii tu: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

Referencie:

1. VYTVORTE NOVÚ ENERGIU, “Plastový tlmiaci kondenzátor IGBT SMJ-P„Údajový list produktu.“ (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)

2. Semikron Danfoss, „Meranie špičkového napätia IGBT a špecifikácia tlmiča kondenzátora“, aplikačná poznámka AN 07-006.

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

3. Severns, Rudy. „Návrh tlmičov pre výkonové obvody.“ Aplikačná poznámka Cornell Dubilier. （https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf）

Technické špecifikácie zodpovedajú publikovaným údajom v čase písania tohto článku. Čitatelia by si mali pred konečným použitím v návrhu overiť aktuálne menovité hodnoty v porovnaní s najnovším technickým listom výrobcu.