Kas notiek mikrosekundē, kad IGBT izslēdzas?

Katru reiziIGBTizslēdzas, ļoti īsā laika posmā notiek kaut kas vardarbīgs.

Sprieguma viļņu formas salīdzinājums, kurā parādīts IGBT izslēgšanas impulss ar un bez CRE slāpēšanas kondensatora

Caur ierīci plūstošā strāva tiek pārtraukta. Ķēdes izkliedētajā induktivitātē uzkrātajai enerģijai nav kur iet. Tā atbrīvojas kā sprieguma svārstības. Ja nekas neabsorbē šo svārstību, tas var pārsniegt IGBT nominālo spriegumu un sabojāt ierīci.

Tieši šīs problēmas risināšanai ir paredzēts snuberkondensators. Un to ir vērts pareizi izprast, jo atšķirība starp labu un viduvēju snuberkondensatoru parādās kā ierīču atteices pēc mēnešiem vai gadiem, nevis jau pirmajā dienā.

Snubber kondensatora darbs

A slāpēšanas kondensatorsatrodas pāri komutācijas ierīcei un nodod šo atbrīvoto enerģiju drošā vietā.

Kad IGBT izslēdzas, kondensators absorbē pārejas strāvu un ierobežo sprieguma pieauguma ātrumu (dv/dt) visā ierīcē. Šī vienīgā funkcija vienlaikus veic trīs lietas: tā nomāc sprieguma lēcienus, samazina komutācijas zudumus un izlīdzina pēkšņas strāvas un sprieguma izmaiņas, kas noslogo pārējo ķēdi.

Lai tas darbotos labi, divas elektriskās īpašības ir svarīgākas par visu pārējo: zema ekvivalentā virknes pretestība (ESR) un zema ekvivalentā virknes induktivitāte (ESL). Augsta ESR jeb ESL palēnina kondensatora reakciju un ierobežo to, cik efektīvi tas var nostiprināt ātru pāreju. Tāpēc arī metalizēta polipropilēna plēve ir izvēles materiāls lielākajai daļai slāpēšanas pielietojumu. Tā apvieno zemu ESR/ESL ar pašatjaunojošu dielektriķi, tāpēc kondensators turpina darboties droši pat pēc atkārtotas sprieguma slodzes.

IekšpusēSMJ-PCRE plastmasas kastes IGBT slāpēšanas kondensators

CRE SMJ-P ir plastmasas kārbas slāpēšanas kondensators, kas īpaši izstrādāts IGBT aizsardzībai, ar alvas pārklātiem vara ieliktņu vadiem vienkāršai uzstādīšanai tieši uz IGBT moduļa.

CRE SMJ-P plastmasas kārbas IGBT slāpēšanas kondensators ar alvas pārklātiem vara vadiem

Galvenie tehniskie parametri:

Pati konstrukcija ir veidota pēc tās pašas loģikas kā elektriskā veiktspēja. Plastmasas korpuss ir noslēgts ar sveķiem, kas aizsargā tinumu no mitruma un mehāniskās slodzes. Ir pieejamas gan aksiālās, gan radiālās vadu konfigurācijas, tāpēc viena un tā pati kondensatoru saime var ietilpt dažādos moduļu izkārtojumos bez nepieciešamības katru reizi pārveidot dizainu.

Detaļa, ko vairums rakstu izlaiž: svina ģeometrija ir tikpat svarīga kā kapacitāte

Lielākā daļaslāpēšanas kondensatorssaturs apstājas pie teikuma “izmantojiet polipropilēna plēvi, tā pati atjaunojas”. Tā ir taisnība, taču tā ir tikai puse no inženierijas stāsta, un tieši šī puse patiesībā neizlemj, vai konkrētā detaļa darbojas konkrētā shēmā.

Otra puse ir cilpas induktivitāte. Kapacitātes vērtība vien negarantē zemu sprieguma svārstību, ja kondensatora pašinduktivitāte saglabājas augsta, jo atlikušā induktivitāte cilpā starp spailēm un iekšējiem savienojumiem pati par sevi ir atbildīga par sprieguma svārstību vai pārejas procesa ģenerēšanu. Citiem vārdiem sakot, augstas kapacitātes detaļa ar gariem, plāniem vadiem var darboties sliktāk nekā mazāka detaļa ar īsiem, platiem spailēm.

Diagramma, kurā salīdzināta cilpas induktivitāte starp garvada un tieši montējamiem slāpēšanas kondensatora spailēm

Tāpēc arī montāžas metode ir svarīgāka nekā tā izskatās datu lapā. Kondensatori ar platiem, plakaniem spailēm, kurus var tieši pieskrūvēt pie IGBT moduļa, sasniedz zemāku pašinduktivitātes koeficientu nekā detaļas, kas savienotas ar gariem vadiem. SMJ-P alvas pārklājuma vara ieliktņu vadi un aksiālās vai radiālās konfigurācijas izvēle pastāv tieši šī iemesla dēļ: lai savienojuma ceļš būtu īss un nominālā kapacitāte faktiski nodrošinātu tai norādīto dv/dt aizsardzību.

Pašatjaunošanās īpašība joprojām ir svarīga atsevišķi. Metalizēta polipropilēna plēve, kas piedzīvo lokalizētu dielektrisko sabrukumu, izolē šos defektus mikrosekundēs, nevis pilnībā sabojājas, tāpēc plēve joprojām ir standarta dielektriķis šajā pielietojumā, salīdzinot ar keramikas vai elektrolītiskām alternatīvām. Taču pašatjaunošanās un zema cilpas induktivitāte ir divas dažādas inženiertehniskas problēmas, un slāpēšanas kondensatoram ir jāsaprot abas pareizi.

SMJ-P CRE plašākajā slāpēšanas kondensatoru diapazonā

TheSMJ-P plastmasas kastes formātsir viena no vairākām vadu un korpusa konfigurācijām, ko CRE piedāvā IGBT un GTO slāpēšanas aizsardzībai. Atkarībā no montāžas vietas, vadu orientācijas un termiskajām prasībām CRE ražo arī aksiālo vadu un Mylar lentes variantus, kas izgatavoti, izmantojot to pašu metalizētās polipropilēna plēves tehnoloģiju un izstrādāti atbilstoši tiem pašiem ESR/ESL veiktspējas standartiem. Tas nozīmē, ka projektēšanas komanda var pārslēgties starp formātiem, mainoties izkārtojumam, bez nepieciešamības no jauna pārkvalificēt pamatā esošo dielektrisko sistēmu.

Kā inženieri pārbauda slāpējošā kondensatora izvēli

Datu lapā norādītā kapacitāte un sprieguma vērtējums nav pietiekami, lai apstiprinātu, ka slāpēšanas kondensators darbosies noteiktā ķēdē. Standarta verifikācijas metode, ko SEMIKRON dokumentējis savās IGBT lietošanas piezīmēs, ir izmērīt faktisko kolektora-emitera sprieguma viļņu formu izslēgšanas brīdī ar un bez slāpēšanas kondensatora un apstiprināt, ka maksimums sliktākajos apstākļos paliek IGBT nominālā bloķēšanas sprieguma robežās. Pēc izslēgšanas strāva komutējas slāpēšanas kondensatorā, radot strāvas maksimumu pārslēgšanas brīdī, kam seko slāpētas svārstības starp slāpēšanas kondensatoru un līdzstrāvas saiti ar svārstību frekvenci, ko nosaka kopnes parazitārā induktivitāte un slāpēšanas kondensatora vērtība.

Šis pats uzsvars uz vadu ģeometriju un tieši montējamu spaiļu aparatūru kā primāro konstrukcijas mainīgo, nevis pēc apsvēruma, ir atspoguļots plaši izplatītajā jaudas elektronikas dizaina literatūrā, tostarp Rūdija Severnsa "snubber" dizaina atsaucē, ko publicējis Kornels Dubiljē. Pamatā esošie fizikālie principi ir formalizēti arī IEC 61071, starptautiskajā standartā, kas reglamentē jaudas elektronikas kondensatorus, un kuram SMJ-P ir paredzēts atbilst. Visos šajos avotos ir konsekvents viedoklis:Mērķis nav tikai kapacitātes vērtība specifikācijas lapā, bet gan izmērīts, atkārtojams maksimālā sprieguma samazinājums izslēgšanas brīdī.

Kur tiek izmantoti SMJ-P kondensatori

Pustilta IGBT shēma ar slāpēšanas kondensatoru C3, kas savienots pāri līdzstrāvas kopnes sliedēm.

Slāpēšanas kondensatori nav nišas komponents. Tie parādās visur, kur jaudas komutācijas ierīcei ir nepieciešama aizsardzība pret tās pašas komutācijas darbību:

• Invertori un motora piedziņas, kur IGBT nepārtraukti pārslēdzas un tiem nepieciešama pastāvīga dv/dt aizsardzība

•Elektromobiļu jaudas elektronika, kur komutācijas efektivitāte un komponentu ilgmūžība tieši ietekmē darbības rādiusu un uzticamību

•Atjaunojamās enerģijas sistēmas, tostarp saules invertorus, kur sprieguma svārstību slāpēšana aizsargā lieljaudas komutācijas ierīces vairāku desmitgažu darbības laikā

•Taisngrieži,SVCun lokomotīvju barošanas bloki, kur lielas impulsa strāvas un prasīgi darba cikli padara ESR un ESL veiktspēju īpaši kritisku

Visām šīm lietojumprogrammām ir kopīga iezīme: komutācijas ierīces ģenerē pārejas impulsus, un kaut kam tie ir jāabsorbē tīri, ciklu pēc cikla, visu sistēmas kalpošanas laiku.

Kāpēc materiālu un ražošanas izvēles laika gaitā sarežģījas

Slāpējošā kondensatora uzdevums datu lapā izskatās vienkāršs. Praksē veiktspēju nosaka detaļas, kas neparādās, kamēr sistēma nav darbojusies gadiem ilgi: cik konsekventi dielektriķis atjaunojas pēc slodzes, cik stingri ESR un ESL tiek kontrolēti visā ražošanas partijā un vai izolācijas pretestība saglabājas visā temperatūras diapazonā, nevis tikai istabas temperatūrā.

Tāpēc CRE SMJ-P saista savu 100 000 stundu paredzamo kalpošanas laiku ar konkrētu karstās temperatūras nosacījumu (≤85 °C), nevis norāda to kā vispārīgu skaitli, un tāpēc izolācijas pretestība tiek norādīta atsevišķi pa kapacitātes diapazoniem, nevis kā viens vispārējs skaitlis. Šāda veida specifikācijas ir svarīgas inženierim, kas apstiprina projektu, nevis tikai mārketinga apgalvojums.

Bieži uzdotie jautājumi: IGBT slāpēšanas kondensatora izvēle

Q1：Kas irIGBT slāpēšanas kondensatorskam izmantots? 

IGBT slāpēšanas kondensators apslāpē sprieguma lēcienus, kas rodas, kad IGBT izslēdzas, tādējādi pasargājot ierīci no nominālā bloķēšanas sprieguma pārsniegšanas. Šim nolūkam ir izstrādāts CRE metalizētais polipropilēna plēves kondensators SMJ-P ar nominālo sprieguma diapazonu no 700 V līdz 3000 V līdzstrāvai.

Q2：Kā izvēlēties pareizo snubber kondensatora ražotāju? 

Meklējiet ražotāju, kas piedāvā zema ESR/ESL plēves kondensatorus, atzītus sertifikātus (IEC 61071, UL94V-0) un pielāgotas kapacitātes vai sprieguma opcijas.CREir plēves kondensatoru ražotājs, kas piegādā DC-Link,IGBT slāpētājsun EMC filtru kondensatori jaudas elektronikai, atjaunojamās enerģijas un dzelzceļa transporta lietojumprogrammām, ar pieejamām gan aksiālām, gan radiālām vadu konfigurācijām.

Q3：Kas padara polipropilēna plēves kondensatoru labāku par citiem snubber kondensatoru veidiem? 

Metalizēta polipropilēna plēve piedāvā zemu ESR/ESL, pašatjaunojošas dielektriskās īpašības un stabilu veiktspēju plašā temperatūras diapazonā, padarot to par standarta dielektriķi slāpēšanas lietojumos, salīdzinot ar elektrolītiskām vai keramikas alternatīvām. CRE SMJ-P darbojas temperatūrā no -40°C līdz +85°C ar paredzamo kalpošanas laiku 100 000 stundas.

Pilna SMJ-P tehniskā dokumentācija ir pieejama šeit: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

Atsauces:

1. RADIET JAUNU ENERĢIJU, “Plastmasas kastes IGBT slāpēšanas kondensators SMJ-P”, Produkta datu lapa. (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)

2. Semikron Danfoss, “IGBT maksimālā sprieguma mērīšana un slāpēšanas kondensatora specifikācija”, “Pielietojuma piezīme AN ​​07-006”.

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

3. Severns, Rūdijs. “Strāvas ķēžu slāpētāju projektēšana.” Kornela Dubiljē pielietojuma piezīme. (https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf)

Tehniskās specifikācijas atspoguļo publicētos datus rakstīšanas brīdī. Pirms galīgās konstrukcijas izmantošanas lasītājiem jāpārbauda pašreizējie vērtējumi, salīdzinot tos ar ražotāja jaunāko datu lapu.