Τι συμβαίνει στο μικροδευτερόλεπτο που απενεργοποιείται ένα IGBT

Κάθε φορά που έναIGBTαπενεργοποιείται, κάτι βίαιο συμβαίνει σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα.

Σύγκριση κυματομορφής τάσης που δείχνει την αιχμή απενεργοποίησης IGBT με και χωρίς πυκνωτή αποσβεστήρα CRE

Το ρεύμα που ρέει μέσα από τη συσκευή διακόπτεται. Η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στην αδέσποτη επαγωγή του κυκλώματος δεν έχει πουθενά να πάει. Απελευθερώνεται ως αιχμή τάσης. Εάν τίποτα δεν απορροφήσει αυτήν την αιχμή, μπορεί να υπερβεί την ονομαστική τάση του IGBT και να προκαλέσει ζημιά στη συσκευή.

Αυτό ακριβώς είναι το πρόβλημα για το οποίο έχει κατασκευαστεί ένας πυκνωτής αποσβεστήρα. Και αξίζει να το κατανοήσουμε σωστά, επειδή η διαφορά μεταξύ ενός καλού πυκνωτή αποσβεστήρα και ενός μέτριου φαίνεται ως βλάβες συσκευών μήνες ή χρόνια αργότερα, όχι από την πρώτη κιόλας μέρα.

Η δουλειά ενός πυκνωτή αποσβεστήρα

A πυκνωτής αποσβεστήρακάθεται απέναντι από τη συσκευή μεταγωγής και δίνει την απελευθερωμένη ενέργεια κάπου με ασφάλεια.

Όταν το IGBT απενεργοποιείται, ο πυκνωτής απορροφά το παροδικό ρεύμα και περιορίζει την ταχύτητα αύξησης της τάσης (dv/dt) στη συσκευή. Αυτή η μοναδική λειτουργία κάνει τρία πράγματα ταυτόχρονα: καταστέλλει τις αιχμές τάσης, μειώνει τις απώλειες μεταγωγής και εξομαλύνει τις απότομες αλλαγές ρεύματος και τάσης που καταπονούν το υπόλοιπο κύκλωμα.

Για να λειτουργήσει σωστά αυτό, δύο ηλεκτρικές ιδιότητες έχουν μεγαλύτερη σημασία από οτιδήποτε άλλο: η χαμηλή ισοδύναμη σειριακή αντίσταση (ESR) και η χαμηλή ισοδύναμη σειριακή αυτεπαγωγή (ESL). Η υψηλή ESR ή ESL επιβραδύνει την απόκριση του πυκνωτή και περιορίζει την αποτελεσματικότητα της σύσφιξης ενός γρήγορου μεταβατικού φαινομένου. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο η μεταλλοποιημένη μεμβράνη πολυπροπυλενίου είναι το υλικό επιλογής για τις περισσότερες εφαρμογές απόσβεσης. Συνδυάζει χαμηλή ESR/ESL με ένα αυτοεπιδιορθούμενο διηλεκτρικό, έτσι ώστε ο πυκνωτής να διατηρεί την αξιόπιστη λειτουργία του ακόμα και μετά από επαναλαμβανόμενες καταπονήσεις τάσης.

Μέσα στοSMJ-PΠυκνωτής IGBT Snubber από πλαστικό κουτί της CRE

Ο SMJ-P της CRE είναι ένας πυκνωτής απόσβεσης πλαστικού κουτιού, ειδικά κατασκευασμένος για προστασία IGBT, με επικασσιτερωμένους αγωγούς από χαλκό για εύκολη εγκατάσταση απευθείας στη μονάδα IGBT.

Πυκνωτής IGBT από πλαστικό κουτί CRE SMJ-P με επικασσιτερωμένους αγωγούς χαλκού

Βασικές τεχνικές παράμετροι:

Η ίδια η κατασκευή βασίζεται στην ίδια λογική με την ηλεκτρική απόδοση. Το πλαστικό περίβλημα είναι σφραγισμένο με ρητίνη, η οποία προστατεύει την περιέλιξη από την υγρασία και τις μηχανικές καταπονήσεις. Διατίθενται τόσο αξονικές όσο και ακτινικές διαμορφώσεις ακροδεκτών, επομένως η ίδια οικογένεια πυκνωτών μπορεί να ταιριάζει σε διαφορετικές διατάξεις μονάδων χωρίς προσαρμοσμένο επανασχεδιασμό κάθε φορά.

Μια λεπτομέρεια που παραλείπεται στα περισσότερα άρθρα: Η γεωμετρία των μολύβδων έχει τόση σημασία όσο και η χωρητικότητα

Πλέονπυκνωτής αποσβεστήραΤο περιεχόμενο σταματά στο «χρησιμοποιήστε μεμβράνη πολυπροπυλενίου, αυτοεπιδιορθώνεται». Αυτό είναι αλήθεια, αλλά είναι μόνο η μισή ιστορία της μηχανικής και η μισή δεν αποφασίζει στην πραγματικότητα εάν ένα δεδομένο εξάρτημα λειτουργεί σε ένα δεδομένο κύκλωμα.

Το άλλο μισό είναι η επαγωγή βρόχου. Η τιμή της χωρητικότητας από μόνη της δεν εγγυάται μια χαμηλή αιχμή τάσης εάν η αυτοεπαγωγή του πυκνωτή παραμένει υψηλή, επειδή η υπόλοιπη επαγωγή στον βρόχο μεταξύ των ακροδεκτών και των εσωτερικών συνδέσεων είναι η ίδια υπεύθυνη για τη δημιουργία μιας αιχμής τάσης ή μιας παροδικής μεταβολής. Με άλλα λόγια, ένα εξάρτημα υψηλής χωρητικότητας με μακριά, λεπτά καλώδια μπορεί να υποαποδίδει ένα μικρότερο εξάρτημα με κοντούς, φαρδιούς ακροδέκτες.

Διάγραμμα που συγκρίνει την επαγωγή βρόχου μεταξύ ακροδεκτών πυκνωτή αποσβεστήρα μεγάλου μήκους και άμεσης τοποθέτησης

Αυτός είναι επίσης ο λόγος για τον οποίο η μέθοδος τοποθέτησης έχει μεγαλύτερη σημασία από ό,τι φαίνεται σε ένα φύλλο δεδομένων. Οι πυκνωτές με φαρδιούς, επίπεδους ακροδέκτες που μπορούν να βιδωθούν απευθείας στη μονάδα IGBT επιτυγχάνουν χαμηλότερη αυτεπαγωγή από τα εξαρτήματα που συνδέονται μέσω μακριών καλωδίων. Τα επικασσιτερωμένα καλώδια από χαλκό της SMJ-P και η επιλογή αξονικής ή ακτινικής διαμόρφωσης υπάρχουν ακριβώς για αυτόν τον λόγο: για να διατηρείται η διαδρομή σύνδεσης σύντομη και να επιτρέπεται στην ονομαστική χωρητικότητα να παρέχει στην πραγματικότητα την προστασία dv/dt για την οποία έχει προδιαγραφεί.

Η ιδιότητα αυτοΐασης εξακολουθεί να έχει σημασία, ξεχωριστά. Μια μεταλλοποιημένη μεμβράνη πολυπροπυλενίου που υφίσταται μια εντοπισμένη διηλεκτρική διάσπαση απομονώνει αυτό το σφάλμα σε μικροδευτερόλεπτα, αντί να αποτυγχάνει εντελώς, γι' αυτό και η μεμβράνη παραμένει το τυπικό διηλεκτρικό για αυτήν την εφαρμογή έναντι των κεραμικών ή ηλεκτρολυτικών εναλλακτικών λύσεων. Αλλά η αυτοΐαση και η χαμηλή επαγωγή βρόχου είναι δύο διαφορετικά προβλήματα μηχανικής και ένας πυκνωτής απόσβεσης πρέπει να τα κάνει και τα δύο σωστά.

SMJ-P εντός της ευρύτερης γκάμας πυκνωτών αποσβεστήρα της CRE

ΟΜορφή πλαστικού κουτιού SMJ-Pείναι μία από τις πολλές διαμορφώσεις ηλεκτροδίων και θηκών που προσφέρει η CRE για προστασία από τον αποσβεστήρα IGBT και GTO. Ανάλογα με τον χώρο τοποθέτησης, τον προσανατολισμό των ηλεκτροδίων και τις θερμικές απαιτήσεις, η CRE παράγει επίσης παραλλαγές αξονικού ηλεκτροδίου και ταινίας Mylar, κατασκευασμένες με την ίδια τεχνολογία μεταλλοποιημένης μεμβράνης πολυπροπυλενίου και κατασκευασμένες σύμφωνα με τα ίδια πρότυπα απόδοσης ESR/ESL. Αυτό σημαίνει ότι μια ομάδα σχεδιασμού μπορεί να μετακινείται μεταξύ μορφών καθώς εξελίσσεται μια διάταξη, χωρίς να επαναπροσδιορίζει το υποκείμενο διηλεκτρικό σύστημα από την αρχή.

Πώς οι μηχανικοί επαληθεύουν μια επιλογή πυκνωτή αποσβεστήρα

Η χωρητικότητα και η ονομαστική τάση σε ένα φύλλο δεδομένων δεν επαρκούν για να επιβεβαιωθεί ότι ένας πυκνωτής αποσβεστήρα θα λειτουργήσει σε ένα δεδομένο κύκλωμα. Η τυπική μέθοδος επαλήθευσης, που τεκμηριώνεται από την SEMIKRON στις σημειώσεις εφαρμογής IGBT, είναι η μέτρηση της πραγματικής κυματομορφής τάσης συλλέκτη-εκπομπού κατά την απενεργοποίηση, με και χωρίς τον πυκνωτή αποσβεστήρα στη θέση του, και η επιβεβαίωση ότι η κορυφή παραμένει εντός της ονομαστικής τάσης αποκλεισμού του IGBT υπό τις χειρότερες συνθήκες. Μετά την απενεργοποίηση, το ρεύμα μετατρέπεται στον πυκνωτή αποσβεστήρα, παράγοντας μια κορυφή ρεύματος κατά τη στιγμή μεταγωγής, ακολουθούμενη από μια αποσβεσμένη ταλάντωση μεταξύ του πυκνωτή αποσβεστήρα και του συνδέσμου DC, με τη συχνότητα ταλάντωσης να καθορίζεται από την παρασιτική επαγωγή της ράβδου διαύλου και την τιμή του πυκνωτή αποσβεστήρα.

Αυτή η ίδια έμφαση στη γεωμετρία των ακροδεκτών και στο υλικό ακροδεκτών άμεσης τοποθέτησης ως κύρια μεταβλητή σχεδιασμού, αντί για δευτερεύουσα σκέψη, αντικατοπτρίζεται στην ευρέως διαδεδομένη βιβλιογραφία σχεδιασμού ηλεκτρονικών ισχύος, συμπεριλαμβανομένης της αναφοράς σχεδιασμού snubber του Rudy Severns που δημοσιεύτηκε από τον Cornell Dubilier. Η υποκείμενη φυσική τυποποιείται επίσης στο IEC 61071, το διεθνές πρότυπο που διέπει τους πυκνωτές για ηλεκτρονικά ισχύος, το οποίο έχει σχεδιαστεί να πληροί το SMJ-P. Το σημείο σε όλες αυτές τις πηγές είναι συνεπές:Ο στόχος δεν είναι απλώς μια τιμή χωρητικότητας σε ένα φύλλο προδιαγραφών, είναι μια μετρούμενη, επαναλήψιμη μείωση της μέγιστης τάσης κατά την απενεργοποίηση.

Πού χρησιμοποιούνται οι πυκνωτές SMJ-P

Διάγραμμα κυκλώματος IGBT ημι-γέφυρας με πυκνωτή απόσβεσης C3 συνδεδεμένο στις ράγες διαύλου DC.

Οι πυκνωτές απόσβεσης δεν αποτελούν εξειδικευμένο εξάρτημα. Εμφανίζονται όπου μια συσκευή μεταγωγής ισχύος χρειάζεται προστασία από τη δική της ενέργεια μεταγωγής:

• Μετατροπείς και κινητήρες, όπου τα IGBT εναλλάσσονται συνεχώς και χρειάζονται συνεπή προστασία dv/dt

•Ηλεκτρονικά ισχύος ηλεκτρικών οχημάτων, όπου η απόδοση μεταγωγής και η μακροζωία των εξαρτημάτων επηρεάζουν άμεσα την εμβέλεια και την αξιοπιστία

•Συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων των ηλιακών μετατροπέων, όπου η καταστολή των αιχμών τάσης προστατεύει τις συσκευές μεταγωγής υψηλής ισχύος για δεκαετίες λειτουργίας

•Ανορθωτές,SVCsκαι τροφοδοτικά ατμομηχανής, όπου τα υψηλά παλμικά ρεύματα και οι απαιτητικοί κύκλοι λειτουργίας καθιστούν την απόδοση ESR και ESL ιδιαίτερα κρίσιμη

Το κοινό νήμα σε όλες αυτές τις εφαρμογές είναι το ίδιο: οι συσκευές μεταγωγής παράγουν μεταβατικά φαινόμενα και κάτι πρέπει να τα απορροφά καθαρά, κύκλο με τον κύκλο, για όλη τη διάρκεια ζωής του συστήματος.

Γιατί οι επιλογές υλικών και κατασκευής επιδεινώνονται με την πάροδο του χρόνου

Η λειτουργία ενός πυκνωτή απόσβεσης φαίνεται απλή σε ένα φύλλο δεδομένων. Στην πράξη, η απόδοση καθορίζεται από λεπτομέρειες που δεν εμφανίζονται μέχρι το σύστημα να λειτουργήσει για χρόνια: πόσο σταθερά το διηλεκτρικό αυτοεπιδιορθώνεται μετά από καταπόνηση, πόσο αυστηρά ελέγχονται η ESR και η ESL σε μια παρτίδα παραγωγής και αν η αντίσταση μόνωσης αντέχει σε όλο το εύρος θερμοκρασιών και όχι μόνο σε θερμοκρασία δωματίου.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το SMJ-P της CRE συνδέει την αξιολόγηση του προσδόκιμου ζωής των 100.000 ωρών με μια συγκεκριμένη θερμοκρασία θερμού σημείου (≤85°C), αντί να την αναφέρει ως γενικό αριθμό, και γιατί η αντίσταση μόνωσης καθορίζεται ξεχωριστά ανά εύρος χωρητικότητας και όχι ως ένα ενιαίο γενικό ποσό. Αυτά είναι τα είδη προδιαγραφών που έχουν σημασία για έναν μηχανικό που επικυρώνει ένα σχέδιο, όχι απλώς έναν ισχυρισμό μάρκετινγκ.

Συχνές ερωτήσεις: Επιλογή πυκνωτή αποσβεστήρα IGBT

Q1：Τι είναι έναΠυκνωτής αποσβεστήρα IGBTχρησιμοποιείται για; 

Ένας πυκνωτής απόσβεσης IGBT καταστέλλει τις αιχμές τάσης που δημιουργούνται όταν ένα IGBT απενεργοποιείται, προστατεύοντας τη συσκευή από την υπέρβαση της ονομαστικής τάσης αποκλεισμού. Ο πυκνωτής μεμβράνης μεταλλοποιημένου πολυπροπυλενίου SMJ-P της CRE έχει σχεδιαστεί για αυτόν τον σκοπό, με εύρος ονομαστικής τάσης από 700V DC έως 3000V DC.

Q2：Πώς μπορώ να επιλέξω τον σωστό κατασκευαστή πυκνωτών αποσβεστήρα; 

Αναζητήστε έναν κατασκευαστή που προσφέρει πυκνωτές μεμβράνης χαμηλού ESR/ESL, αναγνωρισμένες πιστοποιήσεις (IEC 61071, UL94V-0) και προσαρμοσμένες επιλογές χωρητικότητας ή τάσης.ΚΡΙείναι κατασκευαστής πυκνωτών φιλμ που προμηθεύει DC-Link,Αποσβεστήρας IGBTκαι πυκνωτές φίλτρου EMC για ηλεκτρονικά ισχύος, ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και εφαρμογές σιδηροδρομικών μεταφορών, με διαθέσιμες διαμορφώσεις αξονικών και ακτινικών καλωδίων.

Q3：Τι κάνει έναν πυκνωτή μεμβράνης πολυπροπυλενίου καλύτερο από άλλους τύπους πυκνωτών αποσβεστήρα; 

Η μεταλλοποιημένη μεμβράνη πολυπροπυλενίου προσφέρει χαμηλό ESR/ESL, αυτοεπιδιορθούμενες διηλεκτρικές ιδιότητες και σταθερή απόδοση σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, καθιστώντας την το τυπικό διηλεκτρικό υλικό για εφαρμογές απόσβεσης σε σύγκριση με ηλεκτρολυτικές ή κεραμικές εναλλακτικές λύσεις. Το SMJ-P της CRE λειτουργεί από -40°C έως +85°C με ονομαστικό προσδόκιμο ζωής 100.000 ωρών.

Η πλήρης τεχνική τεκμηρίωση για το SMJ-P είναι διαθέσιμη εδώ: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

Αναφορές:

1. ΔΗΜΙΟΥΡΓΗΣΤΕ ΝΕΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ,Πλαστικό κουτί IGBT πυκνωτή αποσβεστήρα SMJ-P"," Φύλλο δεδομένων προϊόντος. (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)

2. Semikron Danfoss, «Μέτρηση μέγιστης τάσης IGBT και προδιαγραφή πυκνωτή αποσβεστήρα», «Σημείωση εφαρμογής AN 07-006».

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

3. Severns, Rudy. «Σχεδιασμός αποσβεστήρων για κυκλώματα ισχύος». Σημείωμα εφαρμογής Cornell Dubilier. （https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf）

Οι τεχνικές προδιαγραφές αντικατοπτρίζουν τα δημοσιευμένα δεδομένα κατά τη στιγμή της σύνταξης. Οι αναγνώστες θα πρέπει να επιβεβαιώσουν τις τρέχουσες αξιολογήσεις με βάση το πιο πρόσφατο δελτίο δεδομένων του κατασκευαστή πριν από την τελική χρήση του σχεδιασμού.