Mitä tapahtuu mikrosekunnissa, kun IGBT kytkeytyy pois päältä

Joka kertaIGBT-transistorisammuu, jotain väkivaltaista tapahtuu hyvin lyhyessä ajassa.

Jänniteaaltomuodon vertailu, jossa näkyy IGBT:n poiskytkentäpiikki CRE-suojakondensaattorin kanssa ja ilman

Laitteen läpi kulkeva virta keskeytyy. Piirin hajainduktanssiin varastoituneella energialla ei ole paikkaa minne mennä. Se vapautuu jännitepiikkinä. Jos mikään ei absorboi tätä piikkiä, se voi ylittää IGBT:n nimellisjännitteen ja vahingoittaa laitetta.

Juuri tätä ongelmaa varten snubber-kondensaattori on rakennettu. Ja se kannattaa ymmärtää kunnolla, koska hyvän ja keskinkertaisen snubber-kondensaattorin välinen ero näkyy laitevikoina kuukausien tai vuosien kuluttua, ei heti ensimmäisenä päivänä.

Snubber-kondensaattorin työ

A vaimentava kondensaattoriistuu kytkentälaitteen päällä ja antaa vapautuneen energian turvalliseen paikkaan.

Kun IGBT kytkeytyy pois päältä, kondensaattori absorboi transienttivirran ja rajoittaa jännitteen nousun nopeutta (dv/dt) laitteen yli. Tämä yksittäinen toiminto tekee kolme asiaa kerralla: se vaimentaa jännitepiikkejä, vähentää kytkentähäviöitä ja tasoittaa äkillisiä virran ja jännitteen muutoksia, jotka rasittavat muuta piiriä.

Jotta tämä toimisi hyvin, kaksi sähköistä ominaisuutta on tärkeämpiä kuin mikään muu: alhainen ekvivalentti sarjaresistanssi (ESR) ja alhainen ekvivalentti sarjainduktanssi (ESL). Korkea ESR eli ESL hidastaa kondensaattorin vastetta ja rajoittaa sitä, kuinka tehokkaasti se pystyy sulkemaan nopean transienttivirran. Tästä syystä metalloitu polypropeenikalvo on ensisijainen materiaali useimpiin häiriönvaimennussovelluksiin. Se yhdistää alhaisen ESR/ESL:n itsekorjautuvaan eristeeseen, joten kondensaattori toimii luotettavasti myös toistuvien jännitekuormitustensa jälkeen.

SisälläSMJ-PCRE:n muovikoteloon pakattu IGBT-suojakondensaattori

CRE:n SMJ-P on muovikoteloon pakattu IGBT-suojaukseen tarkoitettu suojakondensaattori, jonka tinapäällysteiset kuparijohtimet mahdollistavat helpon asennuksen suoraan IGBT-moduuliin.

CRE SMJ-P muovikoteloon pakattu IGBT-suojakondensaattori tinatuilla kuparijohtimilla

Tärkeimmät tekniset parametrit:

Itse rakenne on rakennettu saman logiikan ympärille kuin sähköinen suorituskyky. Muovikotelo on tiivistetty hartsilla, joka suojaa käämitystä kosteudelta ja mekaaniselta rasitukselta. Saatavilla on sekä aksiaalisia että radiaalisia johdinkokoonpanoja, joten sama kondensaattoriperhe sopii erilaisiin moduuliasetteluihin ilman, että joka kerta tarvitsee tehdä räätälöityä uudelleensuunnittelua.

Yksityiskohta, jonka useimmat artikkelit ohittavat: Johdon geometria on yhtä tärkeä kuin kapasitanssi

Useimmatvaimentava kondensaattoriSisältö pysähtyy kohtaan ”käytä polypropeenikalvoa, se korjaa itsensä”. Se on totta, mutta se on vasta puolet tekniikan tarinasta, eikä se ole se puoli, joka itse asiassa ratkaisee, toimiiko tietty osa tietyssä piirissä.

Toinen puoli on silmukkainduktanssia. Pelkkä kapasitanssin arvo ei takaa pientä jännitepiikkiä, jos kondensaattorin itseinduktanssi pysyy korkeana, koska liittimien ja sisäisten liitäntöjen välisessä silmukassa jäljellä oleva induktanssi on itsessään vastuussa jännitepiikin tai transientin syntymisestä. Toisin sanoen suurikapasitanssinen osa, jossa on pitkät ja ohuet johtimet, voi suoriutua heikommin kuin pienempi osa, jossa on lyhyet ja leveät liittimet.

Kaavio, jossa verrataan silmukan induktanssia pitkäjohtimisen ja suoraan asennettavan snubber-kondensaattorin liittimien välillä

Tästä syystä kiinnitysmenetelmällä on suurempi merkitys kuin miltä se datalehdessä näyttää. Kondensaattorit, joissa on leveät, litteät liittimet, jotka voidaan ruuvata suoraan IGBT-moduuliin, saavuttavat alhaisemman itseinduktanssin kuin pitkillä johtimilla kytketyt osat. SMJ-P:n tinatut kupariliittimet ja aksiaalisen tai radiaalisen kokoonpanon valinta ovat olemassa juuri tästä syystä: jotta liitäntäpolku pysyisi lyhyenä ja nimelliskapasitanssi todella tarjoaisi sille määritellyn dv/dt-suojauksen.

Itsekorjautuva ominaisuus on edelleen tärkeä, erikseen. Metalloitu polypropeenikalvo, joka kokee paikallisen dielektrisen läpilyönnin, eristää vian mikrosekunneissa sen sijaan, että se pettäisi kokonaan. Siksi kalvo on edelleen tämän sovelluksen standardieriste keraamisten tai elektrolyyttisten vaihtoehtojen sijaan. Mutta itsekorjautuva ja matalasilmukkainen induktanssi ovat kaksi eri teknistä ongelmaa, ja vaimentimen on toimittava molemmissa oikein.

SMJ-P CRE:n laajemmassa Snubber-kondensaattorivalikoimassa

TheSMJ-P-muovilaatikkomuotoon yksi CRE:n tarjoamista useista johdin- ja kotelokokoonpanoista IGBT- ja GTO-suojaukseen. Asennustilasta, johtimien suunnasta ja lämpövaatimuksista riippuen CRE valmistaa myös aksiaalijohdin- ja Mylar-teippiversioita, jotka on rakennettu samaan metalloituun polypropeenikalvoteknologiaan ja suunniteltu samojen ESR/ESL-suorituskykystandardien mukaisesti. Tämä tarkoittaa, että suunnittelutiimi voi siirtyä formaatista toiseen asettelun kehittyessä ilman, että taustalla olevaa dielektristä järjestelmää tarvitsee uudelleenkvalifioida alusta alkaen.

Kuinka insinöörit varmistavat vaimentimen kondensaattorin valinnan

Datalehdessä ilmoitetut kapasitanssi- ja jännitearvot eivät riitä varmistamaan, että suojakondensaattori toimii tietyssä piirissä. SEMIKRONin IGBT-sovellushuomautuksissa dokumentoima vakiovarmistusmenetelmä on mitata todellinen kollektori-emitterijänniteaaltomuoto poiskytkentähetkellä, suojakondensaattorin ollessa paikallaan ja ilman, ja varmistaa, että huippu pysyy IGBT:n nimellisjännitteen rajoissa pahimmassa mahdollisessa tapauksessa. Poiskytkentähetkellä virta kommutoituu suojakondensaattoriin, jolloin syntyy virtapiikki kytkentähetkellä, minkä jälkeen suojakondensaattorin ja tasavirtalinkin välille syntyy vaimennettu värähtely, jonka värähtelytaajuuden asettavat virtakiskon loisinduktanssi ja suojakondensaattorin arvo.

Sama painotus johtimen geometrialle ja suoraan asennettaville liitinlaitteistoille ensisijaisena suunnittelumuuttujana jälkikäteen harkittuna toistuu laajalti levinneessä tehoelektroniikan suunnittelukirjallisuudessa, mukaan lukien Rudy Severnsin Cornell Dubilierin julkaisema suojakondensaattoreiden suunnitteluviite. Taustalla oleva fysiikka on myös virallistettu standardissa IEC 61071, joka on kansainvälinen tehoelektroniikan kondensaattoreita koskeva standardi, ja jota SMJ-P on suunniteltu täyttämään. Kaikissa näissä lähteissä sama pointti on johdonmukainen:Tavoitteena ei ole pelkkä kapasitanssiarvo spesifikaatioarkilla, vaan mitattu ja toistettava huippujännitteen lasku sammutushetkellä.

Missä SMJ-P-kondensaattoreita käytetään

Puolisilta-IGBT-kytkentäkaavio, jossa suojakondensaattori C3 on kytketty tasavirtakiskojen yli.

Snubber-kondensaattorit eivät ole mikään erikoiskomponentti. Niitä käytetään kaikkialla, missä tehon kytkentälaite tarvitsee suojaa omalta kytkentätoiminnaltaan:

• Invertterit ja moottorikäytöt, jossa IGBT:t kytkeytyvät jatkuvasti ja tarvitsevat jatkuvaa dv/dt-suojausta

•Sähköajoneuvojen tehoelektroniikka, jossa kytkentätehokkuus ja komponenttien pitkäikäisyys vaikuttavat suoraan toimintasäteeseen ja luotettavuuteen

•Uusiutuvan energian järjestelmät, mukaan lukien aurinkoinvertterit, joissa jännitepiikin vaimennus suojaa suuritehoisia kytkentälaitteita vuosikymmenten käytön ajan

•Tasasuuntaajat,SVC:tja vetureiden virtalähteet, joissa suuret pulssivirrat ja vaativat käyttöjaksot tekevät ESR- ja ESL-suorituskyvystä erityisen kriittisen

Yhteinen piirre kaikissa näissä sovelluksissa on sama: kytkinlaitteet tuottavat transientteja, ja jonkin on absorboitava ne puhtaasti, jakso jaksolta, järjestelmän käyttöiän ajan.

Miksi materiaali- ja valmistusvalinnat kasautuvat ajan myötä

Snubber-kondensaattorin toiminta näyttää yksinkertaiselta datalehdessä. Käytännössä suorituskyky määräytyy yksityiskohtien perusteella, jotka eivät näy ennen kuin järjestelmä on ollut toiminnassa vuosia: kuinka johdonmukaisesti dielektrinen materiaali korjaantuu itseään rasituksen jälkeen, kuinka tiukasti ESR:ää ja ESL:ää hallitaan koko tuotantoerän ajan ja kestääkö eristysvastus koko lämpötila-alueella eikä vain huoneenlämmössä.

Tästä syystä CRE:n SMJ-P sitoo 100 000 tunnin käyttöikänsä tiettyyn kuuman lämpötilan ehtoon (≤85 °C) yleisen luvun sijaan, ja siksi eristysresistanssi määritetään erikseen kapasitanssialueen mukaan eikä yhtenä yleisenä lukuna. Tällaiset tiedot ovat tärkeitä suunnittelua validoivalle insinöörille, eivätkä ne ole vain markkinointiväitteitä.

Usein kysytyt kysymykset: IGBT-suojakondensaattorin valinta

Q1：Mikä onIGBT-suojakondensaattorikäytetään? 

IGBT-suojakondensaattori vaimentaa IGBT:n sammuessa syntyviä jännitepiikkejä ja suojaa laitetta nimellisestä estojännitteestään. CRE:n metalloitu polypropeenikalvokondensaattori SMJ-P on suunniteltu tätä tarkoitusta varten, ja sen nimellisjännitealue on 700 V DC - 3000 V DC.

Q2：Miten valitsen oikean snubber-kondensaattorin valmistajan? 

Etsi valmistajaa, joka tarjoaa matalan ESR/ESL-kalvokondensaattoreita, tunnustettuja sertifikaatteja (IEC 61071, UL94V-0) ja mukautettuja kapasitanssi- tai jännitevaihtoehtoja.CREon DC-Link-kondensaattoreita toimittava kalvokondensaattorien valmistaja.IGBT-suojaja EMC-suodatinkondensaattoreita tehoelektroniikkaan, uusiutuvaan energiaan ja raideliikennesovelluksiin, saatavilla sekä aksiaalisilla että radiaalisilla johdinkokoonpanoilla.

Q3：Mikä tekee polypropeenikalvokondensaattorista paremman kuin muut suojakondensaattorityypit? 

Metalloitu polypropeenikalvo tarjoaa alhaisen ESR/ESL-arvon, itsekorjautuvat dielektriset ominaisuudet ja vakaan suorituskyvyn laajalla lämpötila-alueella, mikä tekee siitä standardin dielektrisen aineen vaimennussovelluksissa verrattuna elektrolyyttisiin tai keraamisiin vaihtoehtoihin. CRE:n SMJ-P toimii -40 °C:sta +85 °C:seen ja sen nimellinen käyttöikä on 100 000 tuntia.

SMJ-P:n täydellinen tekninen dokumentaatio on saatavilla täältä: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

Viitteet:

1. LUOMME UUTTA ENERGIAA, “Muovilaatikko IGBT-suojakondensaattori SMJ-P”, Tuotetietolomake. (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)

2. Semikron Danfoss, ”IGBT-huippujännitteen mittaus ja suojakondensaattorin spesifikaatio”, sovellushuomautus AN 07-006.

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

3. Severns, Rudy. ”Snubbereiden suunnittelu tehopiireihin.” Cornell Dubilierin sovellushuomautus. (https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf)

Tekniset tiedot vastaavat kirjoitushetkellä julkaistuja tietoja. Lukijoiden tulee varmistaa nykyiset luokitukset valmistajan uusimman datalehden avulla ennen lopullisen suunnittelun käyttöä.