Что происходит за микросекунду после выключения IGBT-транзистора?

Каждый разИГБТЕсли устройство выключится, в очень короткий промежуток времени произойдёт что-то жестокое.

Сравнение осциллограмм напряжения, показывающее пиковое значение напряжения выключения IGBT с демпфирующим конденсатором CRE и без него.

Ток, протекающий через устройство, прерывается. Энергия, запасенная в паразитной индуктивности цепи, не имеет выхода. Она высвобождается в виде скачка напряжения. Если ничто не поглотит этот скачок, он может превысить номинальное напряжение IGBT и повредить устройство.

Именно эту проблему и призван решить демпфирующий конденсатор. И важно это понимать, потому что разница между хорошим и посредственным демпфирующим конденсатором проявляется в виде отказов устройства через месяцы или годы, а не в первый же день.

Функция демпфирующего конденсатора

A демпфирующий конденсаторОн располагается поперек коммутирующего устройства и обеспечивает безопасное направление высвобождаемой энергии.

Когда IGBT выключается, конденсатор поглощает переходный ток и ограничивает скорость нарастания напряжения (dv/dt) на устройстве. Эта единственная функция выполняет сразу три задачи: подавляет скачки напряжения, снижает потери при переключении и сглаживает резкие изменения тока и напряжения, которые создают нагрузку на остальную часть схемы.

Для эффективной работы конденсатора наиболее важны два электрических свойства: низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и низкая эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). Высокое ESR или ESL замедляет отклик конденсатора и ограничивает его способность эффективно подавлять быстрые переходные процессы. Именно поэтому металлизированная полипропиленовая пленка является предпочтительным материалом для большинства применений демпфирующих конденсаторов. Она сочетает в себе низкое ESR/ESL с самовосстанавливающимся диэлектриком, поэтому конденсатор продолжает надежно работать даже после многократного воздействия напряжения.

ВнутриСМЖ-П: Пластиковый корпус CRE для демпфирующего конденсатора IGBT

Демпфирующий конденсатор SMJ-P от CRE представляет собой пластиковый корпус, специально разработанный для защиты IGBT-транзисторов, с лужеными медными выводами для простой установки непосредственно на модуль IGBT.

Демпфирующий конденсатор CRE SMJ-P для IGBT в пластиковом корпусе с лужеными медными выводами.

Основные технические параметры:

Сама конструкция построена по тому же принципу, что и электрические характеристики. Пластиковый корпус герметизирован смолой, которая защищает обмотку от влаги и механических воздействий. Доступны как осевые, так и радиальные варианты выводов, поэтому конденсаторы одного и того же семейства могут подходить для различных конфигураций модулей без необходимости каждый раз перепроектирования.

Деталь, которую упускают из виду большинство статей: геометрия выводов имеет такое же значение, как и емкость.

Большинстводемпфирующий конденсаторСодержание ограничивается фразой «используйте полипропиленовую пленку, она самовосстанавливается». Это правда, но это лишь половина инженерной истории, и именно эта половина на самом деле не определяет, будет ли та или иная деталь работать в той или иной схеме.

Вторая половина — это индуктивность контура. Одного значения емкости недостаточно для гарантированного низкого скачка напряжения, если собственная индуктивность конденсатора остается высокой, поскольку оставшаяся индуктивность в контуре между выводами и внутренними соединениями сама по себе отвечает за генерацию скачка напряжения или переходного процесса. Другими словами, высокоемкостный компонент с длинными и тонкими выводами может работать хуже, чем более компактный компонент с короткими и широкими выводами.

Диаграмма, сравнивающая индуктивность контура между выводами демпфирующего конденсатора с длинными выводами и выводами конденсатора прямого монтажа.

Именно поэтому способ монтажа имеет большее значение, чем кажется на первый взгляд, судя по техническим характеристикам. Конденсаторы с широкими плоскими выводами, которые можно прикрутить непосредственно к модулю IGBT, обладают меньшей собственной индуктивностью, чем компоненты, соединенные длинными выводами. Медные луженые выводы и возможность выбора осевой или радиальной конфигурации конденсаторов SMJ-P созданы именно по этой причине: чтобы сократить длину соединительного пути и позволить номинальной емкости фактически обеспечивать защиту от перенапряжения/перенапряжения, на которую она рассчитана.

Самовосстанавливающиеся свойства по-прежнему имеют значение, хотя и отдельно. Металлизированная полипропиленовая пленка, в которой происходит локальный пробой диэлектрика, изолирует этот дефект за микросекунды, вместо того чтобы полностью выйти из строя, поэтому пленка остается стандартным диэлектриком для этого применения по сравнению с керамическими или электролитическими альтернативами. Но самовосстановление и низкая индуктивность контура — это две разные инженерные задачи, и демпфирующий конденсатор должен правильно решать обе проблемы.

SMJ-P в более широком ассортименте демпфирующих конденсаторов CRE

ОнФормат пластиковой коробки SMJ-PЭто одна из нескольких конфигураций выводов и корпусов, предлагаемых компанией CRE для защиты демпфирующих линий IGBT и GTO. В зависимости от монтажного пространства, ориентации выводов и тепловых требований, CRE также производит варианты с осевыми выводами и майларовой лентой, созданные на основе той же технологии металлизированной полипропиленовой пленки и разработанные в соответствии с теми же стандартами ESR/ESL. Это означает, что команда разработчиков может переходить между форматами по мере развития компоновки, не проводя повторную квалификацию базовой диэлектрической системы с нуля.

Как инженеры проверяют правильность выбора демпфирующего конденсатора

Указания емкости и номинального напряжения в технической документации недостаточны для подтверждения работоспособности демпфирующего конденсатора в данной схеме. Стандартный метод проверки, описанный компанией SEMIKRON в ее примечаниях по применению IGBT, заключается в измерении фактической формы напряжения коллектор-эмиттер в момент выключения, с установленным и без установленного демпфирующего конденсатора, и подтверждении того, что пиковое значение остается в пределах номинального блокирующего напряжения IGBT в наихудших условиях. После выключения ток коммутирует в демпфирующий конденсатор, создавая пик тока в момент переключения, за которым следует затухание колебаний между демпфирующим конденсатором и звеном постоянного тока, причем частота колебаний определяется паразитной индуктивностью шины и значением демпфирующего конденсатора.

Такой же акцент на геометрии выводов и клеммном оборудовании прямого монтажа как на основной переменной проектирования, а не как на второстепенном элементе, находит отражение в широко распространенной литературе по проектированию силовой электроники, включая справочник по проектированию демпфирующих конденсаторов Руди Севернса, опубликованный Корнелльским университетом Дубилиер. Основные физические принципы также формализованы в IEC 61071, международном стандарте, регулирующем конденсаторы для силовой электроники, которому соответствует SMJ-P. Во всех этих источниках прослеживается одна и та же закономерность:Цель состоит не просто в указании значения емкости в технической документации, а в измеренном, воспроизводимом снижении пикового напряжения при выключении.

Где используются SMJ-P конденсаторы

Схема полумостовой IGBT-системы с демпфирующим конденсатором C3, подключенным параллельно шине постоянного тока.

Демпфирующие конденсаторы — это не узкоспециализированный компонент. Они используются везде, где силовому коммутирующему устройству необходима защита от собственного коммутационного действия:

• Инверторы и электроприводыгде IGBT-транзисторы переключаются непрерывно и требуют постоянной защиты от перенапряжения/времени.

•Силовая электроника электромобилягде эффективность переключения и срок службы компонентов напрямую влияют на дальность действия и надежность.

•Системы возобновляемой энергиивключая солнечные инверторы, где подавление скачков напряжения защищает мощные коммутирующие устройства на протяжении десятилетий эксплуатации.

•Выпрямители,СВКи источники питания локомотивов.где высокие импульсные токи и жесткие коэффициенты заполнения делают показатели ESR и ESL особенно важными.

Общим для всех этих приложений является один и тот же принцип: коммутирующие устройства генерируют переходные процессы, и что-то должно беспрепятственно поглощать их, цикл за циклом, на протяжении всего срока службы системы.

Почему выбор материалов и производственных решений со временем приводит к усугублению ситуации?

На первый взгляд, задача демпфирующего конденсатора кажется простой, если судить по техническим характеристикам. На практике же производительность определяется деталями, которые проявляются лишь спустя годы эксплуатации системы: насколько стабильно диэлектрик самовосстанавливается после нагрузок, насколько строго контролируются эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) в рамках производственной партии, и сохраняется ли сопротивление изоляции во всем диапазоне температур, а не только при комнатной температуре.

Именно поэтому в стандарте CRE SMJ-P заявленный срок службы в 100 000 часов привязан к конкретному температурному режиму в самой горячей точке (≤85°C), а не указан как общее значение, и именно поэтому сопротивление изоляции указывается отдельно для каждого диапазона емкости, а не как единое общее значение. Для инженера, проверяющего конструкцию, важны именно такие характеристики, а не просто маркетинговое заявление.

Часто задаваемые вопросы: Выбор демпфирующего конденсатора для IGBT-транзисторов

Q1：Что такоеДемпфирующий конденсатор IGBTДля чего используется? 

Демпфирующий конденсатор для IGBT подавляет скачки напряжения, возникающие при выключении IGBT, защищая устройство от превышения номинального блокирующего напряжения. Металлизированный полипропиленовый пленочный конденсатор SMJ-P от CRE разработан именно для этой цели и имеет номинальный диапазон напряжений от 700 В постоянного тока до 3000 В постоянного тока.

Q2：Как выбрать подходящего производителя демпфирующих конденсаторов? 

Ищите производителя, предлагающего пленочные конденсаторы с низким ESR/ESL, имеющие признанные сертификаты (IEC 61071, UL94V-0), а также возможность выбора емкости или напряжения по индивидуальному заказу.КРЕявляется производителем пленочных конденсаторов, поставляющих продукцию для DC-Link.демпфер IGBTа также ЭМС-фильтрующие конденсаторы для силовой электроники, возобновляемой энергетики и железнодорожного транспорта, доступные как с осевым, так и с радиальным расположением выводов.

Q3：Чем пленочный полипропиленовый конденсатор лучше других типов демпфирующих конденсаторов? 

Металлизированная полипропиленовая пленка обладает низким ESR/ESL, самовосстанавливающимися диэлектрическими свойствами и стабильной работой в широком диапазоне температур, что делает ее стандартным диэлектриком для демпфирующих линий по сравнению с электролитическими или керамическими аналогами. Диэлектрик SMJ-P от CRE работает в диапазоне температур от -40°C до +85°C и имеет расчетный срок службы 100 000 часов.

Полная техническая документация по SMJ-P доступна здесь: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

Ссылки:

1. CRE NEW ENERGY, “Пластиковый корпус, демпфирующий конденсатор для IGBT SMJ-PТехническое описание продукта. (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)

2. Semikron Danfoss, «Технические характеристики конденсатора демпфирующей цепи IGBT для измерения пикового напряжения», «Примечание по применению AN 07-006».

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

3. Севернс, Руди. «Проектирование демпфирующих устройств для силовых цепей». Прикладная документация Корнеллского университета по Dubilier. (https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf)

Технические характеристики отражают опубликованные данные на момент написания. Перед окончательным использованием в проектировании читателям следует сверить текущие параметры с последней версией технических характеристик, предоставленной производителем.