Što se događa u mikrosekundi kada se IGBT isključi

Svaki putIGBTgasi se, nešto nasilno se događa u vrlo kratkom vremenskom okviru.

Usporedba valnog oblika napona koji prikazuje isklopni vrh IGBT-a sa i bez CRE prigušnog kondenzatora

Struja koja teče kroz uređaj se prekida. Energija pohranjena u zalutaloj induktivnosti strujnog kruga nema kamo otići. Oslobađa se kao naponski skok. Ako ništa ne apsorbira taj skok, može premašiti nazivni napon IGBT-a i oštetiti uređaj.

To je upravo problem koji prigušujući kondenzator treba riješiti. I vrijedi ga pravilno razumjeti, jer se razlika između dobrog i osrednjeg prigušivačkog kondenzatora pokazuje kao kvar uređaja mjesecima ili godinama kasnije, a ne prvog dana.

Posao prigušnog kondenzatora

A prigušujući kondenzatornalazi se nasuprot prekidačkom uređaju i predaje oslobođenu energiju negdje na sigurno mjesto.

Kada se IGBT isključi, kondenzator apsorbira prolaznu struju i ograničava brzinu porasta napona (dv/dt) na uređaju. Ta jedna funkcija istovremeno radi tri stvari: potiskuje naponske skokove, smanjuje gubitke pri preklapanju i izglađuje nagle promjene struje i napona koje opterećuju ostatak kruga.

Da bi ovo dobro funkcioniralo, dva električna svojstva su važnija od svega ostalog: niski ekvivalentni serijski otpor (ESR) i niska ekvivalentna serijska induktivnost (ESL). Visoki ESR ili ESL usporava odziv kondenzatora i ograničava njegovu učinkovitost pri zatvaranju brzih prijelaznih pojava. To je također razlog zašto je metalizirani polipropilenski film materijal izbora za većinu prigušivača. Kombinira niski ESR/ESL sa samoobnavljajućim dielektrikom, tako da kondenzator pouzdano radi čak i nakon ponovljenog naponskog naprezanja.

UnutarSMJ-PCRE-ov IGBT prigušujući kondenzator u plastičnoj kutiji

CRE-ov SMJ-P je prigušujući kondenzator u plastičnoj kutiji namjenski izrađen za IGBT zaštitu, s kalajisanim bakrenim umetnutim izvodima za jednostavnu ugradnju izravno na IGBT modul.

CRE SMJ-P IGBT prigušujući kondenzator u plastičnoj kutiji s bakrenim priključkom obloženim kositrom

Ključni tehnički parametri:

Sama konstrukcija izgrađena je oko iste logike kao i električne performanse. Plastično kućište je zapečaćeno smolom koja štiti namot od vlage i mehaničkih naprezanja. Dostupne su i aksijalne i radijalne konfiguracije izvoda, tako da ista obitelj kondenzatora može odgovarati različitim rasporedima modula bez prilagođenog redizajna svaki put.

Detalj koji većina članaka preskače: Geometrija vodova je jednako važna kao i kapacitet

Većinaprigušujući kondenzatorsadržaj se zaustavlja na „koristite polipropilensku foliju, ona se sama obnavlja.“ To je istina, ali to je samo polovica inženjerske priče, a to je polovica koja zapravo ne odlučuje hoće li određeni dio raditi u određenom krugu.

Druga polovica je induktivitet petlje. Sama vrijednost kapacitivnosti ne jamči nizak naponski skok ako samoinduktivitet kondenzatora ostane visok, jer je preostali induktivitet u petlji između terminala i unutarnjih spojeva sam po sebi odgovoran za generiranje naponskog skoka ili prijelaznog stanja. Drugim riječima, dio s visokim kapacitetom i dugim, tankim vodičima može podbaciti u performansama od manjeg dijela s kratkim, širokim terminalima.

Dijagram koji uspoređuje induktivitet petlje između terminala dugog vodiča i direktno montiranog prigušnog kondenzatora

Zbog toga je i način montaže važniji nego što izgleda na podatkovnom listu. Kondenzatori sa širokim, ravnim terminalima koji se mogu izravno pričvrstiti vijcima na IGBT modul postižu nižu samoinduktivnost od dijelova spojenih dugim žicama. SMJ-P-ovi bakreni umetci s kositrenim premazom i izbor aksijalne ili radijalne konfiguracije postoje upravo iz tog razloga: kako bi put spoja bio kratak i kako bi nazivni kapacitet zapravo pružio zaštitu od dv/dt za koju je specificiran.

Svojstvo samoobnavljanja i dalje je važno, zasebno. Metalizirani polipropilenski film koji doživi lokalizirani dielektrični proboj izolira taj kvar u mikrosekundama, umjesto da potpuno otkaže, zbog čega film ostaje standardni dielektrik za ovu primjenu u odnosu na keramičke ili elektrolitske alternative. Ali samoobnavljanje i niska induktivnost petlje dva su različita inženjerska problema, a prigušujući kondenzator mora riješiti oba.

SMJ-P unutar šireg asortimana CRE-ovih prigušnih kondenzatora

TheSMJ-P format plastične kutijeje jedna od nekoliko konfiguracija izvoda i kućišta koje CRE nudi za zaštitu od prigušivača IGBT i GTO tračnica. Ovisno o prostoru za montažu, orijentaciji izvoda i toplinskim zahtjevima, CRE također proizvodi varijante s aksijalnim izvodima i mylar trakama izgrađene na istoj tehnologiji metaliziranog polipropilenskog filma i projektirane prema istim ESR/ESL standardima performansi. To znači da se dizajnerski tim može kretati između formata kako se raspored razvija, bez ponovne kvalifikacije temeljnog dielektričnog sustava od nule.

Kako inženjeri provjeravaju odabir prigušnog kondenzatora

Kapacitet i nazivni napon u podatkovnom listu nisu dovoljni za potvrdu da će prigušujući kondenzator raditi u danom krugu. Standardna metoda provjere, koju je SEMIKRON dokumentirao u svojim bilješkama o primjeni IGBT-a, jest mjerenje stvarnog valnog oblika napona kolektor-emiter pri isključivanju, sa i bez prigušivačkog kondenzatora, te potvrđivanje da vrh ostaje unutar nazivnog napona blokiranja IGBT-a u najgorim uvjetima. Nakon isključivanja, struja komutira u prigušujući kondenzator, stvarajući vrh struje u trenutku preklapanja, nakon čega slijedi prigušena oscilacija između prigušivačkog kondenzatora i istosmjerne veze, s frekvencijom oscilacija koju određuje parazitska induktivnost sabirnice i vrijednost prigušivačkog kondenzatora.

Isti naglasak na geometriji vodiča i hardveru terminala za izravnu montažu kao primarnoj dizajnerskoj varijabli, a ne kao naknadnoj misli, odražava se u široko rasprostranjenoj literaturi o dizajnu energetske elektronike, uključujući referencu Rudyja Severnsa o dizajnu prigušivača koju je objavio Cornell Dubilier. Temeljna fizika također je formalizirana u IEC 61071, međunarodnom standardu koji regulira kondenzatore za energetsku elektroniku, a koji SMJ-P treba zadovoljiti. Poanta u svim tim izvorima je dosljedna:Cilj nije samo vrijednost kapacitivnosti na specifikacijama, već izmjereno, ponovljivo smanjenje vršnog napona pri isključenju.

Gdje se koriste SMJ-P kondenzatori

Dijagram strujnog kruga polumostnog IGBT tranzistora s prigušnim kondenzatorom C3 spojenim preko istosmjernih sabirnica.

Prigušivači kondenzatora nisu specijalizirana komponenta. Pojavljuju se svugdje gdje je uređaju za preklapanje napajanja potrebna zaštita od vlastitog preklopnog djelovanja:

• Inverteri i motorni pogoni, gdje se IGBT-i kontinuirano prebacuju i potrebna im je konzistentna dv/dt zaštita

•Elektronika za napajanje električnih vozila, gdje učinkovitost preključivanja i dugovječnost komponenti izravno utječu na domet i pouzdanost

•Sustavi obnovljive energije, uključujući solarne invertere, gdje supresija naponskih skokova štiti uređaje za velike snage tijekom desetljeća rada

•Ispravljači,SVC-ovii napajanje lokomotiva, gdje visoke pulsne struje i zahtjevni radni ciklusi čine performanse ESR-a i ESL-a posebno kritičnim

Zajednička nit svih ovih primjena je ista: preklopni uređaji generiraju tranzijente, a nešto ih mora čisto apsorbirati, ciklus za ciklusom, tijekom životnog vijeka sustava.

Zašto se izbori materijala i proizvodnje s vremenom pogoršavaju

Rad prigušnog kondenzatora izgleda jednostavno na podatkovnom listu. U praksi, performanse određuju detalji koji se ne pojavljuju sve dok sustav ne radi godinama: koliko se dosljedno dielektrik samoobnavlja nakon naprezanja, koliko su čvrsto kontrolirani ESR i ESL u proizvodnoj seriji i održava li se otpor izolacije u cijelom temperaturnom rasponu, a ne samo na sobnoj temperaturi.

Zato CRE-ov SMJ-P veže svoj vijek trajanja od 100 000 sati za određeni temperaturni uvjet vruće točke (≤85 °C), umjesto da ga navodi kao generički broj, te zato se otpor izolacije specificira zasebno prema rasponu kapacitivnosti, a ne kao jedna opća vrijednost. To su vrste specifikacija koje su važne inženjeru koji potvrđuje dizajn, a ne samo marketinška tvrdnja.

Često postavljana pitanja: Odabir IGBT prigušnog kondenzatora

Q1：Što jeIGBT prigušujući kondenzatorkoristi se za? 

IGBT prigušivački kondenzator potiskuje naponske skokove nastale kada se IGBT isključi, štiteći uređaj od prekoračenja nazivnog napona blokiranja. CRE-ov metalizirani polipropilenski filmski kondenzator SMJ-P konstruiran je za tu svrhu, s nazivnim rasponom napona od 700 V DC do 3000 V DC.

Q2：Kako odabrati pravog proizvođača prigušnih kondenzatora? 

Potražite proizvođača koji nudi filmske kondenzatore s niskim ESR/ESL naponom, priznate certifikate (IEC 61071, UL94V-0) i prilagođene opcije kapaciteta ili napona.KREje proizvođač filmskih kondenzatora koji isporučuje DC-Link,IGBT prigušivači EMC-filtarski kondenzatori za energetsku elektroniku, obnovljive izvore energije i primjenu u željezničkom prijevozu, s dostupnim aksijalnim i radijalnim konfiguracijama izvoda.

Q3：Što čini polipropilenski filmski kondenzator boljim od drugih vrsta prigušnih kondenzatora? 

Metalizirana polipropilenska folija nudi niski ESR/ESL, samoobnavljajuća dielektrična svojstva i stabilne performanse u širokom temperaturnom rasponu, što je čini standardnim dielektrikom za primjene prigušivača u usporedbi s elektrolitičkim ili keramičkim alternativama. CRE-ov SMJ-P radi od -40°C do +85°C s nazivnim vijekom trajanja od 100 000 sati.

Potpuna tehnička dokumentacija za SMJ-P dostupna je ovdje: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

Reference:

1. STVORI NOVU ENERGIJU, “Plastični kutijasti IGBT prigušivački kondenzator SMJ-P”, Podaci o proizvodu. (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)

2. Semikron Danfoss, „Mjerenje vršnog napona IGBT-a i specifikacija prigušnih kondenzatora“, Bilješka o primjeni AN 07-006.

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

3. Severns, Rudy. „Dizajn prigušivača za energetske krugove.“ Bilješka o primjeni Cornell Dubilier. （https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf）

Tehničke specifikacije odražavaju objavljene podatke u vrijeme pisanja. Čitatelji bi trebali provjeriti trenutne nazivne vrijednosti u odnosu na najnoviji tehnički list proizvođača prije konačne upotrebe u dizajnu.