Šta se dešava u mikrosekundi kada se IGBT isključi

Svaki putIGBTisključuje se, nešto nasilno se dešava u vrlo kratkom vremenskom periodu.

Poređenje talasnog oblika napona koji prikazuje isklopni skok IGBT-a sa i bez CRE prigušnog kondenzatora

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

Ovo 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 preko prekidačkog uređaja 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 radi tri stvari odjednom: potiskuje naponske skokove, smanjuje gubitke pri preključivanju i ublažava nagle promjene struje i napona koje opterećuju ostatak kola.

Da bi ovo dobro funkcionisalo, dva električna svojstva su važnija od svega ostalog: nizak ekvivalentni serijski otpor (ESR) i niska ekvivalentna serijska induktivnost (ESL). Visok ESR ili ESL usporava odziv kondenzatora i ograničava njegovu efikasnost u stezanju brzih tranzijenata. To je također razlog zašto je metalizirani polipropilenski film materijal izbora za većinu primjena prigušivača. Kombinuje nizak ESR/ESL sa samoobnavljajućim dielektrikom, tako da kondenzator pouzdano radi čak i nakon ponovljenog naponskog opterećenja.

UnutarSMJ-PCRE-ov IGBT prigušujući kondenzator u plastičnoj kutiji

CRE-ov SMJ-P je prigušujući kondenzator u plastičnoj kutiji, posebno napravljen za IGBT zaštitu, sa kalajisanim bakrenim umetnutim izvodima za jednostavnu instalaciju direktno na IGBT modul.

CRE SMJ-P IGBT prigušujući kondenzator u plastičnoj kutiji sa kalajisanim bakrenim priključkom

Ključni tehnički parametri:

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

Detalj koji većina članaka preskače: Geometrija izvoda 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 polovina inženjerske priče, i to je polovina koja zapravo ne odlučuje hoće li dati dio raditi u datom kolu.

Druga polovina je induktivnost petlje. Sama vrijednost kapacitivnosti ne garantuje nizak naponski skok ako samoinduktivnost kondenzatora ostane visoka, jer je preostala induktivnost u petlji između terminala i unutrašnjih veza sama po sebi odgovorna za generisanje naponskog skoka ili tranzijenta. Drugim riječima, dio s visokim kapacitetom i dugim, tankim izvodima može podbaciti u odnosu na manji dio s kratkim, širokim terminalima.

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

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

Svojstvo samoobnavljanja je i dalje važno, odvojeno. 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 su dva različita inženjerska problema, a prigušujući kondenzator mora riješiti oba.

SMJ-P unutar šireg asortimana prigušnih kondenzatora kompanije CRE

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

Kako inženjeri provjeravaju izbor prigušnog kondenzatora

Kapacitet i nazivni napon u tehničkom listu nisu dovoljni da se potvrdi da će prigušujući kondenzator raditi u datom kolu. Standardna metoda verifikacije, koju je SEMIKRON dokumentovao u svojim bilješkama o primjeni IGBT-a, jeste mjerenje stvarnog oblika talasnog oblika napona kolektor-emiter pri isključenju, sa i bez prigušivačkog kondenzatora na mjestu, i potvrđivanje da vrh ostaje unutar nazivnog napona blokiranja IGBT-a u najgorim uslovima. Nakon isključenja, struja komutira u prigušujući kondenzator, proizvodeći vrh struje u trenutku preključivanja, nakon čega slijedi prigušena oscilacija između prigušivačkog kondenzatora i DC-veze, sa frekvencijom oscilacija koju određuje parazitska induktivnost sabirnice i vrijednost prigušivačkog kondenzatora.

Isti naglasak na geometriji vodova i hardveru za direktno montiranje terminala 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. Osnovna fizika je također formalizirana u IEC 61071, međunarodnom standardu koji reguliše kondenzatore za energetsku elektroniku, a koji SMJ-P treba da ispuni. Poenta u svim ovim izvorima je dosljedna:Cilj nije samo vrijednost kapacitivnosti na specifikaciji, već izmjereno, ponovljivo smanjenje vršnog napona pri isključenju.

Gdje se koriste SMJ-P kondenzatori

Dijagram kola IGBT tranzistora sa polu-mostnim motorom i prigušnim kondenzatorom C3 spojenim preko DC sabirnica.

Prigušivači kondenzatora nisu nišna komponenta. Pojavljuju se svugdje gdje je uređaju za prebacivanje 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 efikasnost preključivanja i vijek trajanja komponenti direktno utiču na domet i pouzdanost

•Sistemi obnovljive energije, uključujući solarne invertere, gdje supresija naponskih skokova štiti uređaje za prebacivanje velike snage tokom decenija rada

•Ispravljači,SVC-ovii napajanje lokomotiva, gdje visoke impulsne 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, tokom životnog vijeka sistema.

Zašto se izbori materijala i proizvodnje s vremenom pogoršavaju

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

Zbog toga CRE-ov SMJ-P povezuje svoj vijek trajanja od 100.000 sati sa specifičnim temperaturnim stanjem vruće tačke (≤85°C), umjesto da ga navodi kao generički broj, i zato se otpor izolacije specificira odvojeno prema rasponu kapacitivnosti, a ne kao jedna opšta vrijednost. Ovo su vrste specifikacija koje su važne inženjeru koji validira dizajn, a ne samo marketinška tvrdnja.

Često postavljana pitanja: Odabir IGBT prigušnog kondenzatora

Q1：Šta jeIGBT prigušujući kondenzatorkoristi se za? 

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

Q2：Kako da odaberem pravog proizvođača prigušnih kondenzatora? 

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

Q3：Šta čini polipropilenski filmski kondenzator boljim od drugih tipova prigušnih kondenzatora? 

Metalizirani polipropilenski film nudi nizak ESR/ESL, samoobnavljajuća dielektrična svojstva i stabilne performanse u širokom temperaturnom rasponu, što ga čini standardnim dielektrikom za primjene prigušivača u usporedbi s elektrolitskim ili keramičkim alternativama. CRE-ov SMJ-P radi od -40°C do +85°C s nazivnim vijekom trajanja od 100.000 sati.

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

Reference:

1. STVORI NOVU ENERGIJU, “Plastična kutija IGBT prigušnog kondenzatora SMJ-P,” Tehnički list proizvoda. （https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html）

2. Semikron Danfoss, „Mjerenje vršnog napona IGBT tranzistora 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 energetska kola.“ Napomena o primjeni Cornell Dubilier. （https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf）

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