Ngăn chặn hư hỏng của mô-đun IGBT và tụ điện snubber gây ra bởi quá nhiệt hay quá tải.

Ngăn chặn hư hỏng của mô-đun IGBT và tụ điện snubber gây ra bởi quá nhiệt hay quá tải.
Thông thường IGBT được sử dụng trong những mạch đóng cắt tần số cao, từ 2 đến hàng chục kHz. Ở tần số đóng cắt cao như vậy, những sự cố có thể phá hủy phần tử rất nhanh và dẫn đến phá hỏng toàn bộ thiết bị. Sự cố thường xảy ra nhất là quá dòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc từ các phần tử có lỗi do chế tạo hoặc lắp ráp.
Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm. Tuy nhiên quá tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt. Mặt khác khi khóa IGBT lại trong một thời gian rất ngắn khi dòng điện rất lớn dấn đến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áp trên collector, emiter, lập tức đánh thủng phần tử. Trong sự cố quá dòng, không thể tiếp tục điều khiển IGBT bằng những xung ngắn theo qui luật như cũ, cũng không đơn giản là ngắt xung điều khiển để dập tắt dòng điện được.
Có thể ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột bằng cách sử dụng các mạch dập RC (snubber circuit), mắc song song với các phần tử. Tuy nhiên các mạch dập có thể làm tăng kích thước và giảm độ tin cậy của thiết bị. Giải pháp tối ưu được đưa ra là làm chậm lại quá trình khóa của IGBT, hay còn gọi là khóa mềm (soft turn-off) khi phát hiện có sự cố dòng tăng quá mức cho phép.
Tụ dập xung trong mạch snubber chúng ta sẽ gọi nó với tên gọi là tụ snubber. Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu điện áp đỉnh IGBT và đặc tính kỹ thuật tụ snubber.
Lưu ý ứng dụng này cung cấp thông tin về cách lựa chọn và kiểm tra tụ điện snubber cho các module IGBT trong ứng dụng năng lượng cao và làm thế nào để kiểm tra hiệu quả. Thông tin này sẽ giúp ngăn chặn hư hỏng của mô-đun IGBT và tụ điện snubber gây ra bởi quá nhiệt hay quá tải.
TỔNG QUAN
Nếu dòng chuyển mạch nhanh, khi đó điện áp overshoot xảy ra, có thể vô hiệu hóa sức mạnh chuyển đổi bán dẫn. Việc vượt qua điện áp (The voltage overshoot) là do năng lượng được lưu trữ trong từ trường của luồng dòng điện (Ví dụ: kết nối DC-link). Nó được liên kết bằng giá trị của điện cảm ký sinh hoặc LS điện cảm rò rỉ (E = 0,5 * LS * i ²). Điện áp (V = LS * di / dt) có thể vượt quá mức tối đa ngăn chặn điện áp của chất bán dẫn điện (VCES, VRRM ...) vì nó được thêm vào điện áp DC-link. Các biện pháp đối phó đầu tiên là thiết kế một quy nạp DC-link thấpđể giữ cho điện áp trên bán dẫn thấp. Điều này được thực hiện bằng phương tiện của một hệ thống thanh cái nhiều lớp (Sandwich của + tấm kim loại DC, DC-và cách nhiệt lớp giữa) và các kết nối ngắn giữa nguồn điện áp (DC-liên kết tụ) và công suất bán dẫn. Ngoài ra, tụ điện snubber là đề nghị, cần được gắn trực tiếp trên thiết bị đầu cuối DC-liên kết của mỗi mô-đun IGBT. Snubber này hoạt động như một bộ lọc thông thấp và "tiếp quản" điện áp vọt lố. H. 1 cho thấy thiết kế điển hình. Các dạng sóng trong H. 2 cho thấy so với điện áp trên một IGBT tại turn-off có và không có tụ điện snubber. Hiệu quả điện áp tăng đột biến giảm có thể được nhìn thấy rõ ràng. hình. 3 cho thấy một mạch tương đương với cuộn cảm ký sinh.

Để quyết định xem một tụ điện snubber là cần thiết, điện áp thu-phát tối đa (VCEpeak) của IGBT phải được kiểm tra theo trường hợp xấu nhất điều kiện để đảm bảo rằng VCESwill không được vượt quá trong bất kỳ điều kiện vận hành. Nếu cần thiết, một số các khía cạnh phải được xem xét khi lựa chọn bên phải tụ điện snubber cho ứng dụng:
1. Capacitor DC-voltage class.
2. Capacitance value and series inductance
3. Pulse handling capability.
4. RMS voltage and RMS current
5. Lifetime


THAM SỐ TỤ ĐIỆN
Lớp điện áp DC
Điện áp DC tối đa được đưa ra trong bảng dữ liệu Rated DC voltagerđể đạt được tuổi thọ. Semicon ductors với 1200V chặn điện áp được sử dụng lên đến 900V DC-link điện áp. Đối với
các ứng dụng này, tụ điện có điện áp danh định 1000V được khuyến khích. Đối với 1700V chất bán dẫn, 1250V hoặc 1600V tụ điện được đề nghị, tùy thuộc vào điện áp DC-link.
Điện áp cao điểm cũng có được trong các giá trị chấp nhận bởi vì nếu không bộ phim nhựa có thể bị hư hỏng. Điện áp cao điểm cho phép được đưa ra trong bảng dữ liệu hoặc phải được yêu cầu. Hãy xem xét cũng là DC áp dụng điện áp phải được giảm khi các tụ điện đang hoạt động
ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thanthe đánh giá.
Điện dung và series-inductance
Giá trị điện dung có thể đủ cao để đạt được đủ điện áp tăng đột biến ức chế trong quá trình tắt.
Giá trị tiêu biểu cho các tụ điện là từ 0,1 đến 1,0 μF μF. Nhưng không chỉ là giá trị điện dung quan trọng đối với này. Cũng là một thiết kế quy nạp thấp của tụ điện là quan trọng. Các cảm còn lại, gây ra bởi các vòng lặp giữa các thiết bị đầu cuối và các kết nối nội bộ của tụ điện có trách nhiệm điện áp tăng đột biến đầu tiên V2 nhìn thấy trong hình. 2. Một giá trị điện dung cao không đảm bảo cho một cành điện áp thấp nếu tự cảm vẫn còn.
Một tự cảm thấp có thể đạt được bằng cách sử dụng tụ với thiết bị đầu cuối rộng bằng phẳng có thể được hơi say trực tiếp vào thiết bị đầu cuối khối IGBT. Các tụ điện nên được thiết kế để các thiết bị đầu cuối bao vây như một khu vực nhỏ càng tốt và rằng họ là trực tiếp kết nối với cuộn dây tụ điện mà không cần phải nội bộ dây giữa (xem hình 1.).
Sự lựa chọn của snubber chính xác nên được xác định theo phép đo. Hơn nữa, kim tụ polypropylene lá nên được sử dụng với nhựa trường hợp theo UL94V-0.
Xử lý xung:
Các kết nối bên trong của các tụ điện có khả năng chịu đựng chỉ có một số lượng hạn chế năng lượng tại mỗi chuyển đổi sự kiện. Các tờ dữ liệu của nhà cung cấp chỉ định giới hạn cho hoạt động xung như tôi ² t hoặc v ² giá trị t. Những giá trị có thể được tính từ dao động hiện tại hoặc
Dạng sóng điện áp của tụ điện. lon tính này dễ dàng được thực hiện bằng cách sử dụng dao động kỹ thuật số hiện đại.
Một đánh thủng tụ điện chỉ có thể xảy ra do rất cao dòng cao điểm, ngay cả khi điện áp có liên quan là thấp hơn so với những người quy định. Trong trường hợp này quan trọng điều là năng lượng liên quan và thông thường sẽ có một mất kết nối giữa phun kim loại và phim metallization. Bởi vì năng lượng rất cao tham gia các zation phim Metalli sẽ được bốc hơi trên các kết nối khu vực để phun kim loại. Điều này sẽ dẫn đến một tụ điện yếu tố mất cao hoặc thậm chí là một mất mát điện dung.
Các giá trị dt / dv tối đa là ít quan trọng vì các dạng sóng hình sin damped.


Điện áp RMS và RMS hiện tại (RMS voltage and RMS current)
Một dao động damped xảy ra tại mỗi sự kiện chuyển đổi (trên hoặc tắt = hai lần chuyển đổi tần số của IGBT) giữa các tụ điện snubber và thanh xe buýt điện dung. Các cường độ tối đa, V3, cho một dao động không bị nghẹt và tần số có thể được tính bằng cách sử dụng công thức trong hình. 3. này RMS dẫn hiện hành để tự sưởi ấm của tụ điện. Các tụ điện sẽ ổn định ở một số nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào môi trường xung quanh nhiệt độ và các điều kiện lắp ráp (ví dụ nhiệt độ
của thiết bị đầu cuối mô-đun năng lượng). Bảng dữ liệu cho giá trị cho phép RMS hiện tại
và điện áp RMS tùy thuộc vào tần số. Các tần số dao động phụ thuộc vào DC-link đi lạc
cảm và giá trị tụ điện snubber. tiêu biểu giá trị nằm trong khoảng 100 kHz đến 1 MHz. Các
cho phép RMS hiện giảm theo tần số vì những thiệt hại tăng lên.
Xin vui lòng xem "Đo tụ điện RMS hiện tại" phần dưới bài viết mà cho lời khuyên cho đo lường hiện nay thực tế trên tụ điện.
Tuổi thọ:
Tuổi thọ tụ điện và tỷ lệ thất bại chủ yếu bị ảnh hưởng do nhiệt độ hoạt động và điện áp hoạt động. Các tiêu chí thất bại khác nhau từ nhà cung cấp đến nhà cung cấp. Kiểm tra
bảng dữ liệu và ứng dụng ghi chú cho cả cuộc đời và thất bại tốc độ dữ liệu.
Sự tự phục hồi: (Self healing )
Các tính năng độ tin cậy quan trọng nhất của tụ màng mỏng là để xóa một khiếm khuyết trong điện môi. Các tụ điện có thể được sử dụng sau đó mà không có bất kỳ hạn chế. khuyết tật này xảy ra khi cường độ trường điện môi vượt quá sự cố cục bộ tại một điểm yếu trong bản cực.
Đo lường và xác minh:
Điện áp căng thẳng của IGBT (VCEpeak)
Giá trị tối đa của VCESmust không bao giờ được vượt quá. Do đó, các phép đo phải được thực hiện để xác định giá trị tối đa của VCE (cũng viết là VCEpeak) có thể xảy ra trong ứng dụng. Nó sẽ cho thấy các mô-đun riêng của mình, hội đồng quản trị trình điều khiển (cổng điện trở), liên kết DC và tụ điện snubber thực hiện tốt cùng nhau liên quan đến VCEpeak với. Nó được đề nghị
điều tra 4 điều kiện làm việc như sau:
• tối đa hoạt động cao điểm hiện tại của thiết bị;
• Trong chuyến đi hiện tại từ cao nhất đến thấp nhất ngắn mạch (SC) cảm quy định để áp dụng;
Lưu ý: SC khác nhau có thể xảy ra trong ứng dụng, ví dụ như vào tải, trên các dây cáp để tải hoặc bên trong thiết bị gần với khối IGBT. tiêu biểu SC giá trị điện cảm là L> 10μH cho tải và SC
L <1μH cho thiết bị đầu cuối thiết bị SC. Đây chỉ là một đoạn ngắn cáp hoặc kết nối cứng. thử nghiệm nên được bắt đầu từ cuộn cảm cao hơn đi xuống đến mức thấp nhất.
Các vượt qua điện áp cao nhất thường xảy ra khi IGBT tắt ngay trước khi bão hòa xảy ra. Đây là cuộn cảm ngắn mạch thấp khi phát hiện hơn hiện tại tắt IGBT chỉ trước khi bão hòa xảy ra. thử nghiệm nên được thực hiện ở nhiệt độ thấp và cao ngã ba nhiệt độ đường giao nhau.
• Chân bắn qua - Leg shot through (không áp dụng cho các mô-đun SKiiP và trình điều khiển có chức năng khóa liên động);
Lưu ý: TOP và BOT IGBT được bật tại cùng một thời gian. Trong trường hợp này, bão hòa xảy ra, mà phải được phát hiện và xóa bởi hội đồng quản trị điều khiển trong thời gian ghi trên bảng dữ liệu IGBT.
Trường hợp khác nhau có thể được điều tra:
- TOP và BOT chuyển đổi trên cùng một lúc
- TOP đã được bật và tiến hành hiện tại khi BOT được chuyển đổi trên (và ngược lại).
• Khóa Diode;
Lưu ý: gai điện áp có thể xảy ra diode tắt, có thể dẫn đến điện áp cao chặn trên các diode và song song kết nối IGBT. Trường hợp xấu nhất là chủ yếu là ở hiện tại thấp (<10% * IC) và nhiệt độ thấp. Điện áp phải được đo trên diode đó được tắt hoặc trên IGBT kết nối song song.
Đôi khi các tụ điện snubber là cần thiết hơn cho việc chuyển đổi diode tắt hơn cho IGBT tắt.
Ngắn về thời gian của điốt cũng có thể gây ra điện áp gai nếu chip không nổi hoàn toàn với các Control board.
Điện áp chặn nên được đo càng gần Chip IGBT càng tốt. Đối với các mô-đun SKiiP, gần nhất
điểm là những thiết bị đầu cuối điện mô-đun. Để rời rạc mô-đun điện như SEMiX và SEMITRANS địa chỉ liên lạc phát phụ trợ có sẵn trong đó là gần điện cho chip.
Điện áp trên nội bộ mô-đun cuộn cảm đi lạc giữa điểm đo và chip IGBT phải được thêm vào giá trị đo để có được điện áp chặn thực tế tại IGBT cấp chip.
Một cách tiếp cận thực tế cho hầu hết các ứng dụng là để thực hiện những gì được biết đến như một "thử nghiệm xung kép" (xem hình. 6). Với giá trị khác nhau của điện cảm tải và xung chiều dài, mỗi điều kiện tải từ tải trọng thấp quá tải có thể được điều chỉnh. Một thử nghiệm xung đơn với chiều dài xung hạn chế nên được sử dụng cho một mạch ngắn. Trong những thử nghiệm này, driver board receives điều khiển nhận tín hiệu đầu vào từ một xung máy phát điện thay vì của control board.
Thủ tục đo lường:
 • DC-link được nuôi bằng một nguồn điện áp DC cách nhiệt được giới hạn trong sản lượng hiện tại. Thông thường một vài 100 mA là đủ. Đặt điện áp DC đặt lên mức cao nhất giá trị có thể có trong các ứng dụng. Điều này thường là giá trị về bảo vệ điện áp.
• Các mạch ngắn được thực hiện bởi cáp dày từ DC cộng với kết nối với AC để đo chuyển đổi BOT và từ DC trừ AC để đo trên TOP chuyển đổi.
Điện cảm được cho bởi chiều dài của dây; 1μH tương ứng với khoảng 1m chiều dài. Ngắnmạch cũng có thể được gây ra bằng cách kết nối dây giữa hai thiết bị đầu cuối AC của hai chân khác nhau của một mạch biến tần. Một IGBT (ví dụ như TOP giai đoạn L1) có được chuyển vĩnh viễn trên trong khi xung áp dụng cho các IGBT khác (ví dụ BOT giai đoạn L2).
• Một máy phát điện xung với điều chỉnh độ dài xung kết nối vào đầu vào người lái xe. Các máy phát xung có thể được thiết lập để xung đơn và xung đôi.
• Nếu việc bảo vệ quá dòng (OCP) được thực hiện bởi hệ thống kiểm soát và không phải là Driver, sau đó điều khiển tín hiệu lỗi ban OCP phải được giám sát để tìm điểm khi tín hiệu đầu vào sẽ được thiết lập để tắt. Đây không phải là cần thiết cho các mô-đun SKiiP vì OCP được thực hiện trong hội đồng quản trị điều khiển.
• Bắt đầu với những cảm cao nhất. Tiến hành duy nhất xung, tăng chiều dài xung cho đến khi OCP tắt. Đo giá trị tối đa của chương trình VCE.
• Giảm độ tự cảm và lặp lại các thử nghiệm xuống mạch cảm ngắn thấp nhất quy định cho ứng dụng. Tìm giá trị lớn nhất của VCEpeak.
• Áp dụng một xung đôi để điều tra về chuyển đổi IGBT trên và diode tắt hành vi. Diode (ví dụ:
BOT) được tắt khi IGBT bổ sung (Ví dụ: TOP) được chuyển vào trong khi diode là tiến hành hiện nay. Điều này là khi xung thứ hai là áp dụng.
• Thực hiện các phép đo trên mỗi mô-đun IGBT.
Giá trị cao nhất xảy ra trên mô-đun đó là xa nhất từ liên kết tụ DC.
• Thực hiện các thử nghiệm ở nhiệt độ thấp và cao. Một nhiệt độ cao có thể đạt được bằng cách nung nóng nhiệt chìm ví dụ sử dụng một tấm sưởi. Các đường giao nhau nhiệt độ là khoảng tản nhiệt nhiệt độ vì sự gia tăng nhiệt độ do để chuyển đổi duy nhất là không đáng kể.
Grounding và điện áp kết nối đầu dò:
• Grounding the oscilloscope là cần thiết cho an toàn và lấy số đo chính xác. Do đó nguồn điện DC phải được cô lập để ngăn chặn một ngắn mạch.
• Đó là đề nghị để kết nối các cực âm của đầu dò điện áp DC cộng với khi đo VCEof TOP IGBT vì tiềm năng này không không thay đổi. Điều này làm giảm tiếng ồn trên chế độ thông thường các tín hiệu đo. Nếu điện áp cổng của TOP IGBT cũng được đo, AC có thể được căn cứ (Hình 5) và cực âm của các đầu dò điện áp phải được kết nối với AC này.
• Differential (cô lập) đầu dò điện áp có thể được sử dụng cho phép đo khi họ có đủ băng thông. Khi bắt đầu các phép đo được Để kiểm tra hành vi của vi sai điện áp đầu dò ví dụ bằng cách so sánh tín hiệu VCEmeasurement với một điện áp thụ động thăm dò.
• Chế độ nhiễu thông thường trên các tín hiệu đo có thể cũng có thể được giảm bằng cách đặt ferrites thích hợp qua các đầu dò và trên dao động nguồn điện cáp.
H. 4 đo VCEpeak trên BOT IGBT.
H. 5 đo VCEpeak trên TOP IGBT.
H. 6 tiêu biểu dạng sóng xung đôi
Đo tụ điện RMS hiện tại
Một dòng điện xoay chiều đang chảy trong các tụ điện sau khi tắt IGBT và diode.
Khi tắt IGBT, dòng điện từ thanh cái commutates vào tụ điện snubber. Điều này dẫn đến một
cao điểm hiện tại tích cực tại thời điểm chuyển đổi. Đây là theo sau là một dao động tắt dần giữa tụ điện snbber và DC-liên kết tụ (Hình 7).
Khi tắt các diode, sự phục hồi ngược lại hiện tại sẽ được "rút ra" của tụ điện snubber. này dẫn đến một cao điểm hiện tại theo hướng tiêu cực ở chuyển đổi thời điểm. Tương tự như tắt IGBT, một dao động tắt dần sau đó thậm chí có thể cao hơn trong biên độ hơn tại IGBT tắt (Hình 8).
Tần số của dao động tắt dần trong cả hai trường hợp là xác định bởi thanh cái điện cảm ký sinh và giá trị tụ điện snubber. Thông thường, tần số nằm trong khoảng 100 kHz đến vài MHz
Dao động dẫn đến thiệt hại trong các tụ điện và do đó để tự sưởi ấm. Bảng dữ liệu của nhà cung cấp tụ điện cung cấp cho các phụ tải cho phép của tụ điện như RMS điện áp hoặc RMS hiện hành.
Đo lường và calculationsmust được thực hiện để kiểm tra các tụ điện không bị quá tải trong
hệ điều hành.
Thủ tục đo lường:
Đo lường hiện nay thực hiện, ví dụ, bằng một Bộ chuyển đổi hiện tại Rogowsky xung quanh các tụ điện chân cho kết quả tốt. Một đo lường AC-điện áp có thể ít chính xác vì giá trị thấp trong
so với cao DC điện áp.
Giá trị RMS có thể thường không được tính toán đơn giản bằng cách bằng cách sử dụng "biện pháp RMS" chức năng của một kỹ thuật số hiện đại dao động trong khoảng thời gian toàn bộ đầu ra biến tần tần số. Việc bù đắp của các đầu dò quá cao trong so với tổng giá trị RMS thấp để có được số liệu chính xác.
Một cách tiếp cận thực tế là để đo lường giá trị RMS trong thời gian dao động ở switchoff của "BOT"-Diode (t1) và "TOP"-IGBT (t2) (xem Hình 9). Hai bộ phận được thiết lập theo giai đoạn chuyển đổi (T = 1/fsw) để tính toán từ này tổng giá trị RMS cho giai đoạn chuyển đổi.
Điều này đã được thực hiện cho các dạng sóng hình sin của toàn bộ một bộ chuyển đổi tần số. Là một trường hợp xấu nhất xem xét nó có thể được thực hiện một lần vào các giá trị tối đa Irms (t1) và Irms (t2).



Điện áp RMS có thể được tính như sau:
H. 7 Cắt IGBT hình. 8 Cắt diode
H. 9 Đo tụ điện snubber hiện hành.
Các phép đo phải được thực hiện tối đa điều kiện hoạt động nhiệt. cao nhất tương ứng
nhiệt độ đường giao nhau diode dẫn đến sự đảo ngược cao nhất hồi phục hiện tại. điều kiện hoạt động tối đa nhiệt là những giá trị của sản lượng chuyển đổi hiện nay, chuyển đổi tần số, môi trường xung quanh và nhiệt độ bồn rửa cung cấp cho nhiệt độ cao nhất. quá tải ngắn trong lần thứ hai phạm vi thường không đáng kể. Nó nên được đưa vào xem xét thatthe cho phép điện áp và RMS hiện tại phụ thuộc vào tần số của dao động. Đây là được đưa ra trong bảng dữ liệu của các tụ điện.
Các tụ điện snubber cũng được nhấn mạnh bởi IGBT liền kề mô-đun từ giai đoạn khác tại cùng một DC-link. Tuy nhiên, tải này thường thấp hơn rất nhiều vì Bus bar giữa các mô-đun IGBT.
Nhiệt độ và tự sưởi ấm đi vào hoạt động
Các nhà cung cấp tụ giới hạn nhiệt độ chấp nhận của các tụ điện trong thời gian hoạt động. Các tụ điện có thể thất bại ngay lập tức nếu nhiệt độ này bị vượt quá. Cũng tự nhiệt độ nóng là có hạn, là thước đo cho tải tụ điện. Trong các ứng dụng quan trọng, nó phải được
kiểm tra điều kiện hoạt động tối đa nhiệt rằng nhiệt độ không vượt quá.
Các tụ điện được làm nóng bởi những điều sau đây:
• hiện tại AC nung nóng thiết bị lên do tổn thất nội bộ (tan δ / ESR)
• Nhiệt độ môi trường
• Hệ thống sưởi ấm bởi nhiệt độ thanh cái cao.
Nhiệt độ hoạt động được đưa ra bởi cộng môi trường xung quanh sự khác biệt nhiệt độ của hiệu ứng tự sưởi ấm.
TOperation = Ta + dTself nóng
Nhiệt độ môi trường xung quanh Tais nhiệt độ tụ khi không hoạt động nhưng được gắn ở vị trí ban đầu. Nhiệt độ này có thể được đo trên một kết nối không giả tụ tương tự như các tụ điện được thử nghiệm. này nhiệt độ có thể cao hơn nhiệt độ cabin vì sưởi ấm thêm do kết nối nóng
Bus bar.
Nhiệt độ hoạt động có thể được đo bằng cặp nhiệt điện được đặt bên trong các tụ điện
gần với điểm nóng nhưng điều này đòi hỏi phải chuẩn bị đặc biệt
tụ điện. Một đo lường ofthe nhiệt độ cơ thể là đủ khi gradient nhiệt độ từ nóng chỗ để cơ thể được biết đến (rth).
TOperation = tbody + rth * i ² * RESR