Điều gì xảy ra trong khoảnh khắc cực ngắn khi IGBT tắt?

Mỗi lần mộtIGBTKhi thiết bị tắt, một sự việc bạo lực xảy ra trong một khoảng thời gian rất ngắn.

So sánh dạng sóng điện áp cho thấy xung tắt của IGBT có và không có tụ điện giảm xung CRE.

Dòng điện chạy qua thiết bị bị gián đoạn. Năng lượng tích trữ trong điện cảm ký sinh của mạch không có nơi nào để giải phóng. Nó được giải phóng dưới dạng xung điện áp. Nếu không có gì hấp thụ xung điện áp đó, nó có thể vượt quá điện áp định mức của IGBT và làm hỏng thiết bị.

Đây chính xác là vấn đề mà tụ điện giảm xung được chế tạo để giải quyết. Và việc hiểu rõ vấn đề này là rất quan trọng, bởi vì sự khác biệt giữa một tụ điện giảm xung tốt và một tụ điện giảm xung tầm thường sẽ thể hiện qua các sự cố của thiết bị sau vài tháng hoặc vài năm sử dụng, chứ không phải ngay từ ngày đầu tiên.

Chức năng của tụ điện giảm xung

A tụ điện giảm xungNó nằm đối diện thiết bị chuyển mạch và cung cấp nơi an toàn để năng lượng được giải phóng.

Khi IGBT tắt, tụ điện hấp thụ dòng điện quá độ và hạn chế tốc độ tăng điện áp (dv/dt) trên thiết bị. Chức năng này thực hiện ba việc cùng một lúc: triệt tiêu các xung điện áp, giảm tổn thất chuyển mạch và làm mịn các thay đổi đột ngột về dòng điện và điện áp gây áp lực lên phần còn lại của mạch.

Để mạch hoạt động hiệu quả, hai đặc tính điện quan trọng hơn cả là: điện trở nối tiếp tương đương (ESR) thấp và điện cảm nối tiếp tương đương (ESL) thấp. ESR hoặc ESL cao làm chậm phản ứng của tụ điện và hạn chế khả năng kẹp chặt một xung điện nhanh. Đây cũng là lý do tại sao màng polypropylen mạ kim loại là vật liệu được lựa chọn cho hầu hết các ứng dụng mạch giảm xung. Nó kết hợp ESR/ESL thấp với chất điện môi tự phục hồi, do đó tụ điện vẫn hoạt động đáng tin cậy ngay cả sau khi chịu ứng suất điện áp lặp đi lặp lại.

Bên trongSMJ-PTụ điện giảm xung IGBT hộp nhựa của CRE

Tụ điện giảm xung SMJ-P của CRE là một loại tụ điện dạng hộp nhựa được thiết kế chuyên dụng để bảo vệ IGBT, với các dây dẫn bằng đồng mạ thiếc giúp lắp đặt dễ dàng trực tiếp lên mô-đun IGBT.

Tụ điện giảm xung IGBT hộp nhựa CRE SMJ-P với các đầu nối bằng đồng mạ thiếc.

Các thông số kỹ thuật chính:

Cấu trúc của tụ điện được xây dựng dựa trên cùng một nguyên lý logic như hiệu năng điện. Vỏ nhựa được bịt kín bằng nhựa epoxy, giúp bảo vệ cuộn dây khỏi hơi ẩm và ứng suất cơ học. Cả hai cấu hình chân dẫn hướng trục và hướng tâm đều có sẵn, do đó cùng một dòng tụ điện có thể phù hợp với các bố cục mô-đun khác nhau mà không cần thiết kế lại tùy chỉnh mỗi lần.

Một chi tiết mà hầu hết các bài viết thường bỏ qua: Hình dạng chân dẫn quan trọng không kém gì điện dung.

Hầu hếttụ điện giảm xungNội dung chỉ dừng lại ở câu "sử dụng màng polypropylene, nó có khả năng tự phục hồi". Điều đó đúng, nhưng đó chỉ là một nửa câu chuyện kỹ thuật, và đó cũng không phải là nửa quyết định liệu một bộ phận cụ thể có hoạt động trong một mạch điện cụ thể hay không.

Nửa còn lại là điện cảm vòng. Giá trị điện dung đơn thuần không đảm bảo tạo ra xung điện áp thấp nếu điện cảm tự thân của tụ điện vẫn cao, bởi vì điện cảm còn lại trong vòng giữa các cực và các kết nối bên trong tự nó chịu trách nhiệm tạo ra xung điện áp hoặc quá độ. Nói cách khác, một linh kiện có điện dung cao với các chân dài và mỏng có thể hoạt động kém hiệu quả hơn một linh kiện nhỏ hơn với các đầu nối ngắn và rộng.

Sơ đồ so sánh độ tự cảm vòng giữa các đầu cực tụ dập xung có chân dài và kiểu gắn trực tiếp.

Đây cũng là lý do tại sao phương pháp lắp đặt quan trọng hơn những gì thể hiện trên bảng thông số kỹ thuật. Tụ điện có đầu nối rộng, phẳng có thể được bắt vít trực tiếp vào mô-đun IGBT sẽ đạt được độ tự cảm thấp hơn so với các linh kiện được kết nối thông qua dây dẫn dài. Dây dẫn bằng đồng mạ thiếc của SMJ-P và lựa chọn cấu hình trục hoặc xuyên tâm tồn tại chính vì lý do này: để giữ cho đường dẫn kết nối ngắn và cho phép điện dung định mức thực sự cung cấp khả năng bảo vệ dv/dt như đã được chỉ định.

Tính chất tự phục hồi vẫn rất quan trọng, dù xét riêng lẻ. Một màng polypropylene mạ kim loại khi bị sự cố điện môi cục bộ sẽ tự động cách ly lỗi đó trong vài micro giây, thay vì bị hỏng hoàn toàn, đó là lý do tại sao màng vẫn là chất điện môi tiêu chuẩn cho ứng dụng này so với các chất thay thế bằng gốm hoặc điện phân. Nhưng khả năng tự phục hồi và độ tự cảm vòng thấp là hai vấn đề kỹ thuật khác nhau, và một tụ điện giảm xung phải đáp ứng được cả hai.

SMJ-P nằm trong dòng tụ điện giảm nhiễu rộng hơn của CRE.

CáiĐịnh dạng hộp nhựa SMJ-PĐây là một trong số nhiều cấu hình chân dẫn và vỏ mà CRE cung cấp để bảo vệ IGBT và mạch giảm xung GTO. Tùy thuộc vào không gian lắp đặt, hướng chân dẫn và yêu cầu về nhiệt, CRE cũng sản xuất các biến thể chân dẫn hướng trục và băng Mylar được xây dựng trên cùng công nghệ màng polypropylene mạ kim loại và được thiết kế theo cùng tiêu chuẩn hiệu suất ESR/ESL. Điều này có nghĩa là nhóm thiết kế có thể chuyển đổi giữa các định dạng khi bố cục phát triển, mà không cần phải kiểm định lại hệ thống điện môi cơ bản từ đầu.

Các kỹ sư kiểm chứng sự lựa chọn tụ điện giảm xung như thế nào?

Thông số điện dung và điện áp định mức trên bảng dữ liệu không đủ để xác nhận tụ điện dập xung sẽ hoạt động trong một mạch cụ thể. Phương pháp kiểm chứng tiêu chuẩn, được SEMIKRON ghi lại trong tài liệu ứng dụng IGBT của họ, là đo dạng sóng điện áp cực thu-cực phát thực tế khi tắt, có và không có tụ điện dập xung, và xác nhận rằng đỉnh điện áp vẫn nằm trong giới hạn điện áp chặn định mức của IGBT trong điều kiện xấu nhất. Sau khi tắt, dòng điện chuyển vào tụ điện dập xung, tạo ra một đỉnh dòng điện tại thời điểm chuyển mạch, tiếp theo là dao động tắt dần giữa tụ điện dập xung và liên kết DC, với tần số dao động được xác định bởi điện cảm ký sinh của thanh dẫn và giá trị của tụ điện dập xung.

Sự nhấn mạnh tương tự vào hình dạng chân dẫn và phần cứng đầu nối gắn trực tiếp như một biến số thiết kế chính, chứ không phải là một yếu tố được xem xét sau, được lặp lại trong các tài liệu thiết kế điện tử công suất được lưu hành rộng rãi, bao gồm cả tài liệu tham khảo về thiết kế mạch giảm xung của Rudy Severns do Cornell Dubilier xuất bản. Nguyên lý vật lý cơ bản cũng được chính thức hóa trong IEC 61071, tiêu chuẩn quốc tế quy định về tụ điện cho điện tử công suất, mà SMJ-P được thiết kế để đáp ứng. Điểm chung xuyên suốt tất cả các nguồn này là:Mục tiêu không chỉ là giá trị điện dung trên bảng thông số kỹ thuật, mà là sự giảm điện áp đỉnh khi tắt máy một cách đo lường được và có thể lặp lại.

Tụ điện SMJ-P được sử dụng ở đâu?

Sơ đồ mạch IGBT bán cầu với tụ dập xung C3 mắc song song với các đường ray bus DC.

Tụ điện giảm xung không phải là một linh kiện hiếm gặp. Chúng xuất hiện ở bất cứ nơi nào thiết bị chuyển mạch nguồn cần được bảo vệ khỏi chính hoạt động chuyển mạch của nó:

• Biến tần và bộ điều khiển động cơtrong trường hợp IGBT chuyển mạch liên tục và cần bảo vệ dv/dt ổn định.

•Điện tử công suất xe điệnTrong đó, hiệu suất chuyển mạch và tuổi thọ linh kiện ảnh hưởng trực tiếp đến phạm vi và độ tin cậy.

•Hệ thống năng lượng tái tạobao gồm cả các bộ biến tần năng lượng mặt trời, trong đó việc triệt tiêu xung điện áp giúp bảo vệ các thiết bị chuyển mạch công suất cao trong nhiều thập kỷ hoạt động.

•Bộ chỉnh lưu,Dịch vụvà nguồn cung cấp điện cho đầu máy xe lửaTrong đó, dòng xung cao và chu kỳ hoạt động khắt khe khiến hiệu suất ESR và ESL trở nên đặc biệt quan trọng.

Điểm chung trong tất cả các ứng dụng này là: các thiết bị chuyển mạch tạo ra các xung điện tạm thời, và cần có thứ gì đó để hấp thụ chúng một cách sạch sẽ, hết chu kỳ này đến chu kỳ khác, trong suốt vòng đời của hệ thống.

Vì sao các lựa chọn về vật liệu và quy trình sản xuất lại có tác động tích lũy theo thời gian?

Chức năng của tụ điện giảm xung trông có vẻ đơn giản trên bảng thông số kỹ thuật. Trên thực tế, hiệu suất được quyết định bởi các chi tiết chỉ xuất hiện sau khi hệ thống hoạt động trong nhiều năm: khả năng tự phục hồi của chất điện môi sau khi chịu ứng suất, mức độ kiểm soát ESR và ESL trong cùng một lô sản xuất, và liệu điện trở cách điện có duy trì ổn định trong toàn bộ dải nhiệt độ chứ không chỉ ở nhiệt độ phòng.

Đây là lý do tại sao tiêu chuẩn SMJ-P của CRE gắn liền tuổi thọ dự kiến ​​100.000 giờ với điều kiện nhiệt độ điểm nóng cụ thể (≤85°C), thay vì nêu ra một con số chung chung, và tại sao điện trở cách điện được chỉ định riêng theo phạm vi điện dung chứ không phải là một con số chung chung. Đây là những loại thông số kỹ thuật quan trọng đối với một kỹ sư khi thẩm định thiết kế, chứ không chỉ là một lời quảng cáo.

Câu hỏi thường gặp: Lựa chọn tụ điện giảm xung IGBT

Q1：Cái gì làtụ điện giảm xung IGBTDùng để làm gì? 

Tụ điện giảm xung IGBT triệt tiêu các xung điện áp phát sinh khi IGBT tắt, bảo vệ thiết bị khỏi vượt quá điện áp chặn định mức. Tụ điện màng polypropylen mạ kim loại SMJ-P của CRE được thiết kế cho mục đích này, với dải điện áp định mức từ 700V DC đến 3000V DC.

Q2：Làm thế nào để chọn nhà sản xuất tụ điện giảm xung phù hợp? 

Hãy tìm nhà sản xuất cung cấp tụ điện màng có điện trở nội/điện cảm nội thấp (low-ESR/ESL), chứng nhận được công nhận (IEC 61071, UL94V-0) và các tùy chọn điện dung hoặc điện áp tùy chỉnh.CRElà nhà sản xuất tụ điện màng cung cấp cho DC-Link,mạch giảm xung IGBTvà tụ điện lọc EMC cho các ứng dụng điện tử công suất, năng lượng tái tạo và vận tải đường sắt, với cả cấu hình chân cắm trục và xuyên tâm.

Q3：Điều gì khiến tụ điện màng polypropylene tốt hơn các loại tụ điện giảm xung khác? 

Màng polypropylen mạ kim loại có điện trở nội/điện dung nội thấp, đặc tính điện môi tự phục hồi và hiệu suất ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng, trở thành vật liệu điện môi tiêu chuẩn cho các ứng dụng mạch giảm nhiễu so với các vật liệu điện phân hoặc gốm thay thế. SMJ-P của CRE hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ -40°C đến +85°C với tuổi thọ định mức 100.000 giờ.

Tài liệu kỹ thuật đầy đủ về SMJ-P có tại đây: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

Tài liệu tham khảo:

1. CRE NEW ENERGY, “Tụ điện giảm xung IGBT hộp nhựa SMJ-P“Bảng dữ liệu sản phẩm. (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)

2. Semikron Danfoss, “Đo điện áp đỉnh IGBT và thông số kỹ thuật tụ điện giảm xung”, Tài liệu ứng dụng AN 07-006.

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

3. Severns, Rudy. “Thiết kế mạch giảm xung cho mạch điện nguồn.” Tài liệu ứng dụng Cornell Dubilier. (https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf)

Thông số kỹ thuật phản ánh dữ liệu đã công bố tại thời điểm viết bài. Người đọc nên xác nhận lại thông số hiện tại so với bảng dữ liệu mới nhất của nhà sản xuất trước khi sử dụng trong thiết kế cuối cùng.