Mi történik egy mikroszekundum alatt, amikor egy IGBT kikapcsol?

Minden alkalommal, amikor egyIGBTkikapcsol, valami erőszakos dolog történik nagyon rövid időn belül.

Feszültséghullám-összehasonlítás, amely az IGBT kikapcsolási tüskét mutatja CRE csillapító kondenzátorral és anélkül

Az eszközön átfolyó áram megszakad. Az áramkör kóbor induktivitásában tárolt energia sehová sem jut el. Feszültségcsúcsként szabadul fel. Ha semmi sem nyeli el ezt a feszültségcsúcsot, az meghaladhatja az IGBT névleges feszültségét és károsíthatja az eszközt.

Pontosan erre a problémára tervezték a csillapítókondenzátort. És érdemes ezt megfelelően megérteni, mert a jó és a közepes csillapítókondenzátor közötti különbség hónapok vagy évek múlva, nem pedig az első napon jelentkezik az eszköz meghibásodásaként.

A Snubber kondenzátor feladata

A csillapító kondenzátora kapcsolóberendezésen helyezkedik el, és a felszabaduló energiát biztonságos helyre juttatja.

Amikor az IGBT kikapcsol, a kondenzátor elnyeli a tranziens áramot, és korlátozza a feszültségemelkedés sebességét (dv/dt) az eszközön. Ez az egyetlen funkció három dolgot lát el egyszerre: elnyomja a feszültségcsúcsokat, csökkenti a kapcsolási veszteségeket, és kisimítja a hirtelen áram- és feszültségváltozásokat, amelyek az áramkör többi részét megterhelik.

Ahhoz, hogy ez jól működjön, két elektromos tulajdonság számít mindenekelőtt: az alacsony ekvivalens soros ellenállás (ESR) és az alacsony ekvivalens soros induktivitás (ESL). A magas ESR vagy ESL lelassítja a kondenzátor válaszát, és korlátozza, hogy milyen hatékonyan tudja elnyelni a gyors tranzienseket. Ez az oka annak is, hogy a fémezett polipropilén fólia a legtöbb csillapító alkalmazáshoz választott anyag. Az alacsony ESR/ESL értéket egy öngyógyuló dielektrikummal ötvözi, így a kondenzátor ismételt feszültségterhelés után is megbízhatóan működik.

Bent aSMJ-PCRE műanyag dobozos IGBT csillapító kondenzátor

A CRE SMJ-P egy műanyag dobozos csillapítókondenzátor, amelyet kifejezetten IGBT-védelemre terveztek, ónozott rézbetétekkel az IGBT modulra való egyszerű telepítés érdekében.

CRE SMJ-P műanyag dobozos IGBT védőkondenzátor ónozott rézvezetékekkel

Főbb műszaki paraméterek:

Maga a konstrukció ugyanazon logika köré épül, mint az elektromos teljesítmény. A műanyag ház gyantával van lezárva, amely megvédi a tekercset a nedvességtől és a mechanikai igénybevételtől. Mind axiális, mind radiális kivezetés-konfigurációk állnak rendelkezésre, így ugyanaz a kondenzátorcsalád különböző modulelrendezésekhez illeszkedhet anélkül, hogy minden alkalommal egyedi újratervezésre lenne szükség.

Egy részlet, amit a legtöbb cikk kihagy: Az ólom geometriája ugyanolyan fontos, mint a kapacitás

Legtöbbcsillapító kondenzátorA tartalom megáll a „használj polipropilén fóliát, az magától helyreáll” mondatnál. Ez igaz, de ez csak a mérnöki történet fele, és ez a fele nem az, ami valójában eldönti, hogy egy adott alkatrész működik-e egy adott áramkörben.

A másik fele a hurok induktivitása. A kapacitás értéke önmagában nem garantálja az alacsony feszültségcsúcsot, ha a kondenzátor öninduktivitása magas marad, mivel a csatlakozók és a belső csatlakozások közötti hurokban fennmaradó induktivitás maga is felelős a feszültségcsúcs vagy tranziens létrehozásáért. Más szóval, egy nagy kapacitású alkatrész hosszú, vékony vezetékekkel gyengébben teljesíthet, mint egy kisebb alkatrész rövid, széles csatlakozókkal.

Diagram a hosszú kivezetésű és a közvetlenül szerelt csillapítókondenzátor-kivezetések hurokinduktivitásának összehasonlítására

Ez az oka annak is, hogy a rögzítési módszer fontosabb, mint amilyennek egy adatlapon látszik. A széles, lapos csatlakozókkal ellátott kondenzátorok, amelyek közvetlenül az IGBT modulra csavarozhatók, alacsonyabb öninduktivitást érnek el, mint a hosszú kivezető vezetékekkel csatlakoztatott alkatrészek. Az SMJ-P ónozott rézbetétes kivezetései és az axiális vagy radiális konfiguráció választhatósága pontosan ezért létezik: hogy a csatlakozási útvonal rövid maradjon, és a névleges kapacitás valóban biztosítsa a számára előírt dv/dt védelmet.

Az önjavító tulajdonság továbbra is számít, de külön-külön. Egy fémezett polipropilén fólia, amely lokalizált dielektromos áttörést szenved, mikroszekundumok alatt izolálja a hibákat ahelyett, hogy teljesen meghibásodna, ezért a fólia továbbra is a standard dielektromos anyag ebben az alkalmazásban a kerámia vagy elektrolitikus alternatívákkal szemben. Az önjavítás és az alacsony hurok induktivitása azonban két különböző mérnöki probléma, és egy csillapító kondenzátornak mindkettőt jól kell megoldania.

SMJ-P a CRE szélesebb Snubber kondenzátor-tartományán belül

ASMJ-P műanyag doboz formátumA CRE által kínált számos kivezetés- és házkonfiguráció egyike az IGBT és GTO túlfeszültség-védelemhez. A szerelési helytől, a kivezetések tájolásától és a hőkövetelményektől függően a CRE axiális kivezetésű és Mylar szalagos változatokat is gyárt, amelyek ugyanazon fémezett polipropilén filmtechnológiára épülnek, és ugyanazon ESR/ESL teljesítményszabványok szerint készülnek. Ez azt jelenti, hogy a tervezőcsapat az elrendezés fejlődésével válthat a formátumok között anélkül, hogy a mögöttes dielektromos rendszert a nulláról kellene újraminősíteni.

Hogyan ellenőrzik a mérnökök a Snubber kondenzátor kiválasztását?

Az adatlapon szereplő kapacitás és feszültségérték nem elegendő annak megerősítéséhez, hogy egy csillapítókondenzátor működik egy adott áramkörben. A SEMIKRON által az IGBT alkalmazási megjegyzéseiben dokumentált standard ellenőrzési módszer a tényleges kollektor-emitter feszültséghullám-alak mérése kikapcsoláskor, a csillapítókondenzátorral és anélkül, és annak megerősítése, hogy a csúcs a legrosszabb eseti körülmények között az IGBT névleges blokkoló feszültségén belül marad. Kikapcsolás után az áram kommutál a csillapítókondenzátorba, áramcsúcsot hozva létre a kapcsolási pillanatban, majd csillapított rezgés következik a csillapítókondenzátor és az egyenáramú kör között, az rezgési frekvenciát a gyűjtősín parazita induktivitása és a csillapítókondenzátor értéke állítja be.

Ugyanez a hangsúly a kivezetések geometriáján és a közvetlenül szerelt csatlakozók hardverén, mint elsődleges tervezési változón, és nem utólagos szempontként, visszaköszön a széles körben elterjedt teljesítményelektronikai tervezési szakirodalomban, beleértve Rudy Severns Cornell Dubilier által kiadott csillapító tervezési referenciáját is. Az alapul szolgáló fizikát az IEC 61071 szabvány is formalizálja, amely a teljesítményelektronikai kondenzátorokat szabályozó nemzetközi szabvány, és amelynek az SMJ-P is megfelel. A lényeg minden forrásban egységes:A cél nem csak egy kapacitásérték egy specifikációs lapon, hanem a csúcsfeszültség mért, megismételhető csökkenése kikapcsoláskor.

Hol használják az SMJ-P kondenzátorokat?

Félhídas IGBT kapcsolási rajz C3 csillapító kondenzátorral, amely az egyenáramú sínekre van kötve.

A védőkondenzátorok nem niche alkatrészek. Ott jelennek meg, ahol egy teljesítménykapcsoló eszköznek védelmet kell nyújtania a saját kapcsolási művelete ellen:

• Frekvenciaváltók és motorhajtások, ahol az IGBT-k folyamatosan kapcsolnak, és következetes dv/dt védelmet igényelnek

•Elektromos járművek teljesítményelektronikája, ahol a kapcsolási hatékonyság és az alkatrészek élettartama közvetlenül befolyásolja a hatótávolságot és a megbízhatóságot

•Megújuló energiarendszerek, beleértve a napelemes invertereket is, ahol a feszültségcsúcs-elnyomás évtizedekig tartó működés során védi a nagy teljesítményű kapcsolóberendezéseket

•Egyenirányítók,SVC-kés mozdonyok tápegységei, ahol a nagy impulzusáramok és a nagy igénybevételt jelentő kitöltési tényezők különösen kritikussá teszik az ESR és az ESL teljesítményét

Mindezen alkalmazásokban ugyanaz a közös szál: a kapcsolóeszközök tranzienseket generálnak, és valaminek tisztán kell elnyelnie azokat, ciklusról ciklusra, a rendszer élettartama alatt.

Miért halmozódnak fel az anyag- és gyártási döntések az idő múlásával?

Egy csillapítókondenzátor feladata egyszerűnek tűnik egy adatlapon. A gyakorlatban a teljesítményt olyan részletek határozzák meg, amelyek csak évek óta működnek a rendszerben: mennyire következetesen javítja magát a dielektrikum a terhelés után, mennyire szigorúan szabályozzák az ESR-t és az ESL-t egy gyártási tételben, és hogy a szigetelési ellenállás a teljes hőmérsékleti tartományban megmarad-e, ne csak szobahőmérsékleten.

Ez az oka annak, hogy a CRE SMJ-P jelzése a 100 000 órás várható élettartamát egy adott hőmérsékleti feltételhez (≤85 °C) köti, ahelyett, hogy általános számként adná meg, és ezért a szigetelési ellenállást külön-külön, kapacitástartományonként adják meg, ahelyett, hogy egyetlen általános értékként adnák meg. Az ilyen típusú specifikációk számítanak egy tervet validáló mérnök számára, nem csak egy marketing állítás.

GYIK: IGBT csillapító kondenzátor kiválasztása

Q1：Mi az aIGBT csillapító kondenzátormire használják? 

Az IGBT-csillapító kondenzátor elnyomja az IGBT kikapcsolásakor keletkező feszültségcsúcsokat, megvédve az eszközt a névleges blokkolófeszültség túllépésétől. A CRE SMJ-P fémbevonatú polipropilén filmkondenzátorát erre a célra tervezték, 700 V DC és 3000 V DC közötti névleges feszültségtartománnyal.

Q2：Hogyan válasszam ki a megfelelő csillapító kondenzátor gyártót? 

Olyan gyártót keressen, amely alacsony ESR/ESL filmkondenzátorokat, elismert tanúsítványokat (IEC 61071, UL94V-0), valamint egyedi kapacitás- vagy feszültségopciókat kínál.CREegy DC-Linket szállító filmkondenzátor-gyártó,IGBT-csillapító, valamint EMC-szűrőkondenzátorok teljesítményelektronikához, megújuló energiaforrásokhoz és vasúti közlekedési alkalmazásokhoz, mind axiális, mind radiális kivezetés-konfigurációval.

Q3：Mi teszi a polipropilén filmkondenzátort jobbá más csillapítókondenzátor típusoknál? 

A fémezett polipropilén fólia alacsony ESR/ESL értéket, öngyógyuló dielektromos tulajdonságokat és stabil teljesítményt kínál széles hőmérsékleti tartományban, így a csillapító alkalmazások standard dielektromos anyaga az elektrolitikus vagy kerámia alternatívákkal összehasonlítva. A CRE SMJ-P -40°C és +85°C között működik, névleges élettartama 100 000 óra.

Az SMJ-P teljes műszaki dokumentációja itt érhető el: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

Referenciák:

1. ÚJ ENERGIÁT TEREMTENI, „Műanyag dobozos IGBT csillapító kondenzátor SMJ-P„, Termékadatlap. (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)

2. Semikron Danfoss, „IGBT csúcsfeszültségmérés és csillapító kondenzátor specifikációja”, AN 07-006 alkalmazási megjegyzés.

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

3. Severns, Rudy. „Snubberek tervezése teljesítményáramkörökhöz.” Cornell Dubilier Alkalmazási Jegyzet. (https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf)

A műszaki adatok a jelen dokumentum írásának időpontjában közzétett adatokat tükrözik. Az olvasóknak a végleges terv felhasználása előtt ellenőrizniük kell az aktuális adatokat a gyártó legfrissebb adatlapjával szemben.