Que ocorre no microsegundo en que se apaga un IGBT

Cada vez que unhaIGBTapágase, algo violento ocorre nun intervalo de tempo moi pequeno.

Comparación da forma de onda de tensión que mostra o pico de desconexión de IGBT con e sen un condensador de amortiguación CRE

A corrente que flúe a través do dispositivo interrómpese. A enerxía almacenada na inductancia dispersa do circuíto non ten onde ir. Libérase como un pico de tensión. Se nada absorbe ese pico, pode superar a tensión nominal do IGBT e danar o dispositivo.

Este é exactamente o problema que se concibe para resolver un condensador de amortiguación. E paga a pena entendelo axeitadamente, porque a diferenza entre un bo condensador de amortiguación e un mediocre maniféstase en fallos do dispositivo meses ou anos despois, non o primeiro día.

O traballo dun condensador amortecedor

A condensador de amortiguaciónatópase sobre o dispositivo de conmutación e leva esa enerxía liberada a algún lugar seguro para ir.

Cando o IGBT se apaga, o condensador absorbe a corrente transitoria e limita a velocidade á que aumenta a tensión (dv/dt) no dispositivo. Esa única función fai tres cousas á vez: suprime os picos de tensión, reduce as perdas de conmutación e suaviza os cambios bruscos de corrente e tensión que someten a tensión ao resto do circuíto.

Para que isto funcione ben, dúas propiedades eléctricas importan máis que calquera outra cousa: unha baixa resistencia en serie equivalente (ESR) e unha baixa inductancia en serie equivalente (ESL). Unha ESR ou ESL alta ralentiza a resposta do condensador e limita a eficacia coa que pode bloquear un transitorio rápido. Esta é tamén a razón pola que a película de polipropileno metalizado é o material elixido para a maioría das aplicacións de amortiguador. Combina unha baixa ESR/ESL cun dieléctrico autorreparador, polo que o condensador segue funcionando de forma fiable mesmo despois de repetidas tensións de tensión.

Dentro doSMJ-PCondensador de amortiguación IGBT de caixa de plástico de CRE

O SMJ-P de CRE é un condensador de amortiguación de caixa de plástico deseñado especificamente para a protección IGBT, con cables de inserción de cobre estañado para unha instalación sinxela directamente no módulo IGBT.

Condensador de amortiguación IGBT en caixa de plástico CRE SMJ-P con cables de cobre estañados

Parámetros técnicos clave:

A propia construción baséase na mesma lóxica que o rendemento eléctrico. A carcasa de plástico está selada con resina, o que protexe o enrolamento da humidade e da tensión mecánica. Hai dispoñibles configuracións de conexións axiais e radiais, polo que a mesma familia de condensadores pode adaptarse a diferentes disposicións de módulos sen un redeseño personalizado cada vez.

Un detalle que a maioría dos artigos omiten: a xeometría dos cables importa tanto como a capacitancia

A maioríacondensador de amortiguacióno contido remata en "usa película de polipropileno, autorreparase". Iso é certo, pero é só a metade da historia da enxeñaría, e é a metade que en realidade non decide se unha peza determinada funciona nun circuíto determinado.

A outra metade é a inductancia do bucle. O valor da capacitancia por si só non garante un pico de baixa tensión se a autoindutancia do condensador permanece alta, porque a inductancia restante no bucle entre os terminais e as conexións internas é a propia responsable de xerar un pico de tensión ou transitorio. Noutras palabras, unha peza de alta capacitancia con cables longos e delgados pode ter un rendemento inferior a unha peza máis pequena con terminais curtos e anchos.

Diagrama que compara a inductancia do bucle entre terminais de condensador de amortecemento de cable longo e de montaxe directa

Tamén é por iso que o método de montaxe importa máis do que parece nunha folla de datos. Os condensadores con terminais anchos e planos que se poden aparafusar directamente ao módulo IGBT conseguen unha autoindutancia menor que as pezas conectadas a través de cables longos. Os cables de inserción de cobre estañado de SMJ-P e a opción de configuración axial ou radial existen precisamente por esta razón: para manter a ruta de conexión curta e permitir que a capacitancia nominal realmente ofreza a protección dv/dt para a que está especificada.

A propiedade de autorreparación segue a ser importante, por separado. Unha película de polipropileno metalizado que experimenta unha rotura dieléctrica localizada illa ese fallo en microsegundos, en lugar de fallar directamente, razón pola cal a película segue a ser o dieléctrico estándar para esta aplicación en comparación coas alternativas cerámicas ou electrolíticas. Pero a autorreparación e a baixa inductancia de bucle son dous problemas de enxeñaría diferentes, e un condensador de amortiguación ten que acertar con ambos.

SMJ-P dentro da gama máis ampla de condensadores de amortiguación de CRE

O/AFormato de caixa de plástico SMJ-Pé unha das varias configuracións de cables e carcasas que CRE ofrece para a protección de amortecedores IGBT e GTO. Dependendo do espazo de montaxe, a orientación dos cables e os requisitos térmicos, CRE tamén produce variantes de cables axiales e cinta Mylar construídas coa mesma tecnoloxía de película de polipropileno metalizado e deseñadas cos mesmos estándares de rendemento ESR/ESL. Isto significa que un equipo de deseño pode cambiar entre formatos a medida que evoluciona un deseño, sen ter que recalificar o sistema dieléctrico subxacente desde cero.

Como os enxeñeiros verifican a elección dun condensador de amortiguación

A capacitancia e a tensión nominal nunha folla de datos non son suficientes para confirmar que un condensador de amortiguación funcionará nun circuíto determinado. O método de verificación estándar, documentado por SEMIKRON nas súas notas de aplicación de IGBT, consiste en medir a forma de onda da tensión colector-emisor real no momento da apagada, co condensador de amortiguación e sen el no seu lugar, e confirmar que o pico se mantén dentro da tensión de bloqueo nominal do IGBT nas peores condicións. Despois da apagada, a corrente conmuta ao condensador de amortiguación, producindo un pico de corrente no instante de conmutación, seguido dunha oscilación amortiguada entre o condensador de amortiguación e o enlace de CC, coa frecuencia de oscilación establecida pola inductancia parasitaria da barra colectora e o valor do condensador de amortiguación.

Esta mesma énfase na xeometría dos cables e no hardware dos terminais de montaxe directa como unha variable de deseño principal, en lugar dunha idea secundaria, reflíctese na literatura de deseño de electrónica de potencia de ampla circulación, incluída a referencia de deseño de amortecedores de Rudy Severns publicada por Cornell Dubilier. A física subxacente tamén está formalizada na IEC 61071, a norma internacional que rexe os condensadores para electrónica de potencia, que o SMJ-P está deseñado para cumprir. A idea en todas estas fontes é consistente:O obxectivo non é só un valor de capacitancia nunha folla de especificacións, senón unha redución medida e repetible da tensión pico ao apagar.

Onde se empregan os condensadores SMJ-P

Diagrama dun circuíto IGBT de media ponte co condensador de amortiguación C3 conectado aos carrís do bus de CC.

Os condensadores de amortiguación non son un compoñente de nicho. Aparecen sempre que un dispositivo de conmutación de potencia precise protección da súa propia acción de conmutación:

• Inversores e accionamentos de motor, onde os IGBT conmutan continuamente e precisan unha protección dv/dt consistente

•Electrónica de potencia para vehículos eléctricos, onde a eficiencia de conmutación e a lonxevidade dos compoñentes afectan directamente o alcance e a fiabilidade

•Sistemas de enerxía renovable, incluídos os inversores solares, onde a supresión de picos de tensión protexe os dispositivos de conmutación de alta potencia durante décadas de funcionamento

•Rectificadores,SVCse fontes de alimentación de locomotoras, onde as altas correntes de pulso e os ciclos de traballo esixentes fan que o rendemento de ESR e ESL sexa especialmente crítico

O fío condutor común en todas estas aplicacións é o mesmo: os dispositivos de conmutación xeran transitorios e algo ten que absorbelos de forma limpa, ciclo tras ciclo, durante a vida útil do sistema.

Por que as eleccións de materiais e fabricación se agravan co tempo

O traballo dun condensador de amortiguación parece sinxelo nunha folla de datos. Na práctica, o rendemento decídese por detalles que non aparecen ata que o sistema leva anos funcionando: a consistencia coa que o dieléctrico se autorrepara despois dunha tensión, o rigor do control da ESR e a ESL nun lote de produción e se a resistencia de illamento se mantén en todo o rango de temperatura en lugar de só á temperatura ambiente.

É por iso que o SMJ-P de CRE vincula a súa clasificación de vida útil de 100 000 horas a unha condición específica de temperatura de punto de acceso (≤85 °C), en lugar de indicala como un número xenérico, e por iso que a resistencia de illamento se especifica por separado por rango de capacitancia en lugar de como unha única cifra xeral. Estes son o tipo de especificacións que importan a un enxeñeiro que valida un deseño, non só unha afirmación de mercadotecnia.

Preguntas frecuentes: selección de condensadores de amortiguamento IGBT

Q1：Que é un/unhaCondensador de amortiguación IGBTusado para? 

Un condensador de amortiguación IGBT suprime os picos de tensión xerados cando un IGBT se apaga, protexendo o dispositivo de superar a súa tensión de bloqueo nominal. O condensador de película de polipropileno metalizado SMJ-P de CRE está deseñado para este propósito, cun rango de tensión nominal de 700 V CC a 3000 V CC.

Q2：Como podo elixir o fabricante axeitado de condensadores de amortiguación? 

Busca un fabricante que ofreza condensadores de película de baixa ESR/ESL, certificacións recoñecidas (IEC 61071, UL94V-0) e opcións de capacitancia ou tensión personalizadas.CREé un fabricante de condensadores de película que subministra DC-Link,Amortiguador IGBTe condensadores de filtro EMC para aplicacións de electrónica de potencia, enerxías renovables e transporte ferroviario, con configuracións de cables axiais e radiais dispoñibles.

Q3：Que fai que un condensador de película de polipropileno sexa mellor que outros tipos de condensadores de amortiguación? 

A película de polipropileno metalizado ofrece unha baixa ESR/ESL, propiedades dieléctricas autorreparables e un rendemento estable nun amplo rango de temperaturas, o que a converte no dieléctrico estándar para aplicacións de amortiguador en comparación coas alternativas electrolíticas ou cerámicas. O SMJ-P de CRE funciona de -40 °C a +85 °C cunha vida útil nominal de 100.000 horas.

A documentación técnica completa do SMJ-P está dispoñible aquí: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

Referencias:

1. CRE NOVA ENERXÍA, “Condensador de amortiguación IGBT de caixa de plástico SMJ-P", Ficha técnica do produto. (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)"

2. Semikron Danfoss, “Medición de tensión máxima IGBT e especificación de condensadores de amortiguación”, “Nota de aplicación AN 07-006”.

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

3. Severns, Rudy. «Deseño de amortecedores para circuítos de potencia». Nota de aplicación de Cornell Dubilier. (https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf)

As especificacións técnicas reflicten os datos publicados no momento da redacción. Os lectores deben confirmar as clasificacións actuais coa folla de datos máis recente do fabricante antes do uso do deseño final.