Ce se întâmplă în microsecunda în care un IGBT se oprește

De fiecare dată când oIGBTse oprește, se întâmplă ceva violent într-un interval de timp foarte scurt.

Compararea formei de undă a tensiunii care arată vârful de oprire IGBT cu și fără un condensator de amortizare CRE

Curentul care curge prin dispozitiv este întrerupt. Energia stocată în inductanța parazită a circuitului nu are unde să se ducă. Se eliberează sub formă de vârf de tensiune. Dacă nimic nu absoarbe vârful respectiv, acesta poate depăși tensiunea nominală a IGBT-ului și poate deteriora dispozitivul.

Aceasta este exact problema pe care un condensator de amortizare este construit să o rezolve. Și merită înțeleasă cum trebuie, deoarece diferența dintre un condensator de amortizare bun și unul mediocru se manifestă prin defecțiuni ale dispozitivului la luni sau ani distanță, nu în prima zi.

Funcția unui condensator de amortizare

A condensator de amortizarese află peste dispozitivul de comutare și direcționează energia eliberată într-un loc sigur.

Când IGBT-ul se oprește, condensatorul absoarbe curentul tranzitoriu și limitează viteza cu care crește tensiunea (dv/dt) pe dispozitiv. Această singură funcție face trei lucruri simultan: suprimă vârfurile de tensiune, reduce pierderile de comutare și netezește schimbările bruște de curent și tensiune care solicită restul circuitului.

Pentru ca acest lucru să funcționeze bine, două proprietăți electrice contează mai mult decât orice altceva: rezistența serie echivalentă (ESR) scăzută și inductanța serie echivalentă (ESL) scăzută. ESR sau ESL ridicat încetinește răspunsul condensatorului și limitează eficiența cu care poate bloca un tranzitoriu rapid. Acesta este și motivul pentru care pelicula de polipropilenă metalizată este materialul preferat pentru majoritatea aplicațiilor de amortizare. Aceasta combină ESR/ESL scăzut cu un dielectric auto-reparator, astfel încât condensatorul continuă să funcționeze fiabil chiar și după solicitări repetate de tensiune.

În interiorulSMJ-PCondensator de amortizare IGBT cu cutie de plastic de la CRE

SMJ-P de la CRE este un condensator de amortizare cu cutie de plastic, special conceput pentru protecția IGBT, cu fire de cupru placate cu staniu pentru o instalare simplă direct pe modulul IGBT.

Condensator de amortizare IGBT cu cutie de plastic CRE SMJ-P și cabluri de cupru placate cu staniu

Parametri tehnici cheie:

Construcția în sine este construită în jurul aceleiași logici ca și performanța electrică. Carcasa din plastic este sigilată cu rășină, care protejează înfășurarea de umiditate și solicitări mecanice. Sunt disponibile atât configurații axiale, cât și radiale, astfel încât aceeași familie de condensatoare se poate potrivi diferitelor configurații de module fără a fi nevoie de o reproiectare personalizată de fiecare dată.

Un detaliu pe care majoritatea articolelor îl omit: Geometria conductorilor contează la fel de mult ca și capacitatea

Cele mai multecondensator de amortizareConținutul se oprește la „folosește folie de polipropilenă, se auto-repară”. Este adevărat, dar este doar jumătate din povestea inginerească și este jumătatea care nu decide de fapt dacă o anumită piesă funcționează într-un anumit circuit.

Cealaltă jumătate este inductanța buclei. Valoarea capacității în sine nu garantează un vârf de tensiune scăzut dacă autoinductanța condensatorului rămâne ridicată, deoarece inductanța rămasă în buclă între terminale și conexiunile interne este ea însăși responsabilă pentru generarea unui vârf de tensiune sau a unei perioade tranzitorii. Cu alte cuvinte, o componentă cu capacitate mare, cu fire lungi și subțiri, poate avea performanțe mai slabe decât o componentă mai mică, cu terminale scurte și late.

Diagramă care compară inductanța buclei între terminalele condensatorului de amortizare cu cablu lung și cele cu montare directă

De aceea, metoda de montare contează mai mult decât pare pe o fișă tehnică. Condensatoarele cu terminale late și plate, care pot fi înșurubate direct pe modulul IGBT, obțin o autoinductanță mai mică decât piesele conectate prin fire lungi. Cablurile de inserție din cupru placat cu staniu ale SMJ-P și posibilitatea de a alege configurația axială sau radială există exact din acest motiv: pentru a menține calea de conectare scurtă și pentru a permite capacității nominale să ofere protecția dv/dt pentru care este specificată.

Proprietatea de auto-reparare contează în continuare, separat. O peliculă de polipropilenă metalizată care prezintă o rupere dielectrică localizată izolează defectul respectiv în microsecunde, în loc să se defecteze complet, motiv pentru care pelicula rămâne dielectricul standard pentru această aplicație, față de alternativele ceramice sau electrolitice. Însă auto-repararea și inductanța în buclă scăzută sunt două probleme inginerești diferite, iar un condensator de amortizare trebuie să le înțeleagă pe amândouă corect.

SMJ-P în cadrul gamei mai largi de condensatoare de amortizare CRE

Cel/Cea/Cei/CeleFormat cutie de plastic SMJ-Peste una dintre numeroasele configurații de cabluri și carcase oferite de CRE pentru protecția snubber-ului IGBT și GTO. În funcție de spațiul de montare, orientarea cablurilor și cerințele termice, CRE produce, de asemenea, variante cu cabluri axiale și bandă Mylar, construite pe aceeași tehnologie de film de polipropilenă metalizată și proiectate conform acelorași standarde de performanță ESR/ESL. Aceasta înseamnă că o echipă de proiectare poate trece de la un format la altul pe măsură ce un design evoluează, fără a recalifica sistemul dielectric subiacent de la zero.

Cum verifică inginerii alegerea unui condensator de amortizare

Capacitatea și tensiunea nominală dintr-o fișă tehnică nu sunt suficiente pentru a confirma că un condensator de amortizare va funcționa într-un anumit circuit. Metoda standard de verificare, documentată de SEMIKRON în notele sale de aplicare IGBT, constă în măsurarea formei de undă reale a tensiunii colector-emitor la oprire, cu și fără condensatorul de amortizare instalat, și confirmarea faptului că vârful rămâne în tensiunea nominală de blocare a IGBT-ului în cele mai nefavorabile condiții. După oprire, curentul comută în condensatorul de amortizare, producând un vârf de curent în momentul de comutare, urmat de o oscilație amortizată între condensatorul de amortizare și legătura de curent continuu, cu frecvența de oscilație setată de inductanța parazitară a barei colectoare și valoarea condensatorului de amortizare.

Aceeași accentuare pusă pe geometria conductorilor și pe hardware-ul terminalelor cu montare directă ca variabilă principală de proiectare, mai degrabă decât ca o idee ulterioară, se regăsește în literatura de specialitate privind proiectarea electronicii de putere, cu o largă circulație, inclusiv referința de proiectare a amortizoarelor a lui Rudy Severns, publicată de Cornell Dubilier. Fizica subiacentă este, de asemenea, formalizată în IEC 61071, standardul internațional care guvernează condensatoarele pentru electronica de putere, pe care SMJ-P este proiectat să îl respecte. Ideea generală este consistentă în toate aceste surse:Scopul nu este doar o valoare a capacității pe o fișă tehnică, ci o reducere măsurată și repetabilă a tensiunii de vârf la oprire.

Unde se utilizează condensatoarele SMJ-P

Schema circuitului IGBT în semi-punte cu condensatorul de amortizare C3 conectat la șinele magistralei de curent continuu.

Condensatoarele de amortizare nu sunt o componentă de nișă. Ele apar oriunde un dispozitiv de comutare a puterii are nevoie de protecție împotriva propriei acțiuni de comutare:

• Invertoare și acționări ale motorului, unde IGBT-urile comută continuu și necesită protecție dv/dt consistentă

•Electronică de putere pentru vehicule electrice, unde eficiența de comutare și longevitatea componentelor afectează direct autonomia și fiabilitatea

•Sisteme de energie regenerabilă, inclusiv invertoare solare, unde suprimarea vârfurilor de tensiune protejează dispozitivele de comutare de mare putere pe parcursul a decenii de funcționare

•Redresoare,SVC-uriși surse de alimentare pentru locomotive, unde curenții de impuls mari și ciclurile de funcționare solicitante fac ca performanța ESR și ESL să fie deosebit de critică

Firul comun al tuturor acestor aplicații este același: dispozitivele de comutare generează tranzitorii și ceva trebuie să le absoarbă în mod curat, ciclu după ciclu, pe toată durata de viață a sistemului.

De ce alegerile de materiale și fabricație se compun în timp

Funcția unui condensator de amortizare pare simplă pe o fișă tehnică. În practică, performanța este decisă de detalii care nu apar decât după ce sistemul a funcționat ani de zile: cât de constant se auto-repară dielectricul după stres, cât de strict sunt controlate ESR și ESL pe parcursul unui lot de producție și dacă rezistența izolației se menține pe întregul interval de temperatură, mai degrabă decât doar la temperatura camerei.

De aceea, SMJ-P de la CRE leagă durata sa de viață estimată de 100.000 de ore de o anumită condiție de temperatură a punctului fierbinte (≤85°C), în loc să o menționeze ca un număr generic, și de aceea rezistența izolației este specificată separat în funcție de intervalul de capacitate, mai degrabă decât ca o singură cifră generală. Acestea sunt tipurile de specificații care contează pentru un inginer care validează un proiect, nu doar o afirmație de marketing.

Întrebări frecvente: Selectarea condensatorului de amortizare IGBT

Q1：Ce este unCondensator de amortizare IGBTfolosit pentru? 

Un condensator de amortizare IGBT suprimă vârfurile de tensiune generate atunci când un IGBT se oprește, protejând dispozitivul de depășirea tensiunii nominale de blocare. Condensatorul cu film de polipropilenă metalizată SMJ-P de la CRE este proiectat în acest scop, cu un interval de tensiune nominală de la 700V CC la 3000V CC.

Q2：Cum aleg producătorul potrivit de condensatoare de amortizare? 

Căutați un producător care oferă condensatoare cu peliculă cu ESR/ESL scăzut, certificări recunoscute (IEC 61071, UL94V-0) și opțiuni personalizate de capacitate sau tensiune.CREeste un producător de condensatoare cu film care furnizează DC-Link,Amortizor IGBTși condensatoare cu filtru EMC pentru electronică de putere, energie regenerabilă și aplicații în transportul feroviar, disponibile atât cu configurații axiale, cât și radiale.

Q3：Ce face ca un condensator cu film de polipropilenă să fie mai bun decât alte tipuri de condensatoare cu amortizare? 

Folia de polipropilenă metalizată oferă ESR/ESL scăzut, proprietăți dielectrice de auto-reparare și performanță stabilă pe o gamă largă de temperaturi, ceea ce o face dielectricul standard pentru aplicațiile de amortizare în comparație cu alternativele electrolitice sau ceramice. SMJ-P de la CRE funcționează de la -40°C la +85°C, cu o durată de viață nominală de 100.000 de ore.

Documentația tehnică completă pentru SMJ-P este disponibilă aici: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

Referințe:

1. CRE ENERGIE NOUĂ, „Condensator de amortizare IGBT cu cutie de plastic SMJ-P„, Fișă tehnică a produsului. (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)”

2. Semikron Danfoss, „Măsurarea tensiunii de vârf IGBT și specificațiile condensatoarelor de amortizare”, Nota de aplicare AN 07-006.

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

3. Severns, Rudy. „Proiectarea amortizoarelor pentru circuite de putere.” Notă de aplicare Cornell Dubilier. （https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf）

Specificațiile tehnice reflectă datele publicate la momentul redactării. Cititorii ar trebui să confirme valorile nominale actuale în raport cu cea mai recentă fișă tehnică a producătorului înainte de utilizarea proiectului final.