เกิดอะไรขึ้นในหนึ่งไมโครวินาทีที่ IGBT ปิดการทำงาน

ทุกครั้งที่ไอจีบีทีเมื่อปิดเครื่องแล้ว จะเกิดเหตุการณ์รุนแรงขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆ

การเปรียบเทียบรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าที่แสดงจุดหยุดทำงานของ IGBT ทั้งแบบมีและไม่มีตัวเก็บประจุสนับเบอร์ CRE

กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านอุปกรณ์ถูกขัดจังหวะ พลังงานที่สะสมอยู่ในความเหนี่ยวนำส่วนเกินของวงจรไม่มีที่ไป มันจึงถูกปล่อยออกมาเป็นแรงดันไฟฟ้ากระชาก หากไม่มีสิ่งใดดูดซับแรงดันไฟฟ้ากระชากนั้น มันอาจเกินแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้ของ IGBT และทำให้อุปกรณ์เสียหายได้

นี่คือปัญหาที่ตัวเก็บประจุแบบสนับเบอร์ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อแก้ไข และมันคุ้มค่าที่จะทำความเข้าใจอย่างถูกต้อง เพราะความแตกต่างระหว่างตัวเก็บประจุแบบสนับเบอร์ที่ดีกับตัวที่คุณภาพปานกลางจะปรากฏให้เห็นในรูปของความล้มเหลวของอุปกรณ์ในอีกหลายเดือนหรือหลายปีข้างหน้า ไม่ใช่ในวันแรก

หน้าที่ของตัวเก็บประจุสนับเบอร์

A ตัวเก็บประจุสนับเบอร์ติดตั้งคร่อมอุปกรณ์สวิตช์และส่งพลังงานที่ปล่อยออกมาไปยังที่ปลอดภัย

เมื่อ IGBT ปิดการทำงาน ตัวเก็บประจุจะดูดซับกระแสชั่วขณะและจำกัดความเร็วในการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้า (dv/dt) ที่เกิดขึ้นกับอุปกรณ์ หน้าที่เดียวนี้ทำสามอย่างพร้อมกัน คือ ลดแรงดันไฟฟ้ากระชาก ลดการสูญเสียจากการสวิตช์ และทำให้การเปลี่ยนแปลงกระแสและแรงดันไฟฟ้าอย่างฉับพลันซึ่งสร้างความเครียดให้กับส่วนอื่นๆ ของวงจรนั้นราบเรียบขึ้น

เพื่อให้ระบบนี้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ คุณสมบัติทางไฟฟ้าสองประการที่สำคัญที่สุดคือ ความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าต่ำ (ESR) และความเหนี่ยวนำอนุกรมเทียบเท่าต่ำ (ESL) ค่า ESR หรือ ESL สูงจะทำให้การตอบสนองของตัวเก็บประจุช้าลงและจำกัดประสิทธิภาพในการหน่วงแรงดันกระชากอย่างรวดเร็ว นี่คือเหตุผลที่ฟิล์มโพลีโพรพีลีนเคลือบโลหะเป็นวัสดุที่เลือกใช้ในงานสนับเบอร์ส่วนใหญ่ เนื่องจากมีคุณสมบัติ ESR/ESL ต่ำและมีฉนวนที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ ทำให้ตัวเก็บประจุยังคงทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือแม้หลังจากได้รับแรงดันไฟเกินซ้ำๆ

ภายในเอสเอ็มเจ-พี: ตัวเก็บประจุสนับเบอร์ IGBT แบบกล่องพลาสติกของ CRE

SMJ-P ของ CRE เป็นตัวเก็บประจุแบบสนับเบอร์ในกล่องพลาสติกที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการป้องกัน IGBT โดยมีขั้วต่อทองแดงชุบดีบุกเพื่อการติดตั้งที่ง่ายดายโดยตรงบนโมดูล IGBT

ตัวเก็บประจุแบบ IGBT กันกระแทก CRE SMJ-P ในกล่องพลาสติก พร้อมสายทองแดงชุบดีบุก

พารามิเตอร์ทางเทคนิคที่สำคัญ:

โครงสร้างของตัวเก็บประจุนั้นสร้างขึ้นบนหลักการเดียวกับประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ตัวเรือนพลาสติกถูกปิดผนึกด้วยเรซิน ซึ่งช่วยป้องกันขดลวดจากความชื้นและแรงกดทางกล มีให้เลือกทั้งแบบขาต่อตามแนวแกนและแนวรัศมี ดังนั้นตัวเก็บประจุตระกูลเดียวกันจึงสามารถใช้งานได้กับรูปแบบโมดูลที่แตกต่างกันโดยไม่ต้องออกแบบใหม่ทุกครั้ง

รายละเอียดที่บทความส่วนใหญ่มองข้าม: รูปทรงของตัวนำมีความสำคัญพอๆ กับค่าความจุ

ที่สุดตัวเก็บประจุสนับเบอร์เนื้อหาจบลงที่ “ใช้ฟิล์มโพลีโพรพีลีน มันซ่อมแซมตัวเองได้” นั่นเป็นความจริง แต่เป็นเพียงครึ่งหนึ่งของเรื่องราวทางวิศวกรรม และเป็นครึ่งที่ไม่สามารถตัดสินได้ว่าชิ้นส่วนนั้นจะใช้งานได้ในวงจรที่กำหนดหรือไม่

อีกครึ่งหนึ่งคือค่าความเหนี่ยวนำของวงจร ค่าความจุเพียงอย่างเดียวไม่ได้รับประกันว่าจะมีแรงดันไฟกระชากต่ำ หากค่าความเหนี่ยวนำของตัวเก็บประจุยังคงสูงอยู่ เพราะค่าความเหนี่ยวนำที่เหลืออยู่ในวงจรระหว่างขั้วต่อและจุดเชื่อมต่อภายในนั้นเองที่เป็นสาเหตุให้เกิดแรงดันไฟกระชากหรือแรงดันไฟชั่วขณะ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ชิ้นส่วนที่มีความจุสูงและมีขาที่ยาวและบาง อาจทำงานได้ไม่ดีเท่ากับชิ้นส่วนขนาดเล็กที่มีขั้วต่อสั้นและกว้าง

แผนภาพเปรียบเทียบค่าความเหนี่ยวนำของวงจรระหว่างขั้วต่อตัวเก็บประจุแบบสนับเบอร์ชนิดสายยาวและชนิดติดตั้งโดยตรง

นี่คือเหตุผลว่าทำไมวิธีการติดตั้งจึงมีความสำคัญมากกว่าที่ปรากฏในเอกสารข้อมูลจำเพาะ ตัวเก็บประจุที่มีขั้วต่อแบบกว้างและแบนที่สามารถขันเข้ากับโมดูล IGBT ได้โดยตรงจะมีค่าความเหนี่ยวนำในตัวเองต่ำกว่าชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อผ่านสายไฟยาว ขั้วต่อทองแดงชุบดีบุกของ SMJ-P และการเลือกใช้การกำหนดค่าแบบแกนหรือแบบรัศมีมีอยู่ด้วยเหตุผลนี้โดยเฉพาะ: เพื่อให้เส้นทางการเชื่อมต่อสั้นลงและทำให้ค่าความจุที่กำหนดไว้สามารถให้การป้องกัน dv/dt ตามที่ระบุไว้ได้อย่างแท้จริง

คุณสมบัติการซ่อมแซมตัวเองยังคงมีความสำคัญอยู่เช่นกัน ฟิล์มโพลีโพรพีลีนเคลือบโลหะที่เกิดการชำรุดของฉนวนเฉพาะจุดจะแยกจุดบกพร่องนั้นภายในเวลาไม่กี่ไมโครวินาที แทนที่จะเสียหายโดยสิ้นเชิง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมฟิล์มจึงยังคงเป็นฉนวนมาตรฐานสำหรับการใช้งานนี้มากกว่าเซรามิกหรืออิเล็กโทรไลต์ แต่การซ่อมแซมตัวเองและการเหนี่ยวนำวงจรต่ำเป็นปัญหาทางวิศวกรรมที่แตกต่างกันสองประการ และตัวเก็บประจุแบบสนับเบอร์ต้องทำให้ทั้งสองอย่างถูกต้อง

SMJ-P เป็นส่วนหนึ่งของตัวเก็บประจุสนับเบอร์แบบกว้างของ CRE

เดอะรูปแบบกล่องพลาสติก SMJ-Pเป็นหนึ่งในรูปแบบการเชื่อมต่อและตัวเรือนหลายแบบที่ CRE นำเสนอสำหรับการป้องกัน IGBT และ GTO snubber ขึ้นอยู่กับพื้นที่ติดตั้ง ทิศทางการเชื่อมต่อ และข้อกำหนดด้านความร้อน CRE ยังผลิตรุ่นที่มีการเชื่อมต่อแบบแกนและแบบเทปไมลาร์ที่สร้างขึ้นบนเทคโนโลยีฟิล์มโพลีโพรพีลีนเคลือบโลหะแบบเดียวกัน และได้รับการออกแบบให้มีมาตรฐานประสิทธิภาพ ESR/ESL เดียวกัน ซึ่งหมายความว่าทีมออกแบบสามารถเปลี่ยนรูปแบบได้ตามการพัฒนาของเลย์เอาต์ โดยไม่ต้องตรวจสอบคุณสมบัติของระบบฉนวนพื้นฐานใหม่ตั้งแต่เริ่มต้น

วิศวกรตรวจสอบความถูกต้องของการเลือกตัวเก็บประจุสนับเบอร์อย่างไร

ค่าความจุและพิกัดแรงดันที่ระบุในเอกสารข้อมูลไม่เพียงพอที่จะยืนยันว่าตัวเก็บประจุสนับเบอร์จะทำงานได้ในวงจรที่กำหนด วิธีการตรวจสอบมาตรฐาน ซึ่งบันทึกไว้โดย SEMIKRON ในเอกสารประกอบการใช้งาน IGBT คือการวัดรูปคลื่นแรงดันคอลเลคเตอร์-อีมิเตอร์จริง ณ จุดที่ปิดการทำงาน ทั้งแบบมีและไม่มีตัวเก็บประจุสนับเบอร์ และยืนยันว่าค่าสูงสุดยังคงอยู่ในช่วงแรงดันบล็อกที่กำหนดของ IGBT ภายใต้สภาวะที่เลวร้ายที่สุด หลังจากปิดการทำงาน กระแสจะไหลเข้าสู่ตัวเก็บประจุสนับเบอร์ ทำให้เกิดกระแสสูงสุด ณ จุดที่สวิตช์ทำงาน ตามด้วยการสั่นแบบลดทอนระหว่างตัวเก็บประจุสนับเบอร์และ DC-link โดยความถี่ของการสั่นจะถูกกำหนดโดยค่าความเหนี่ยวนำปรสิตของบัสบาร์และค่าของตัวเก็บประจุสนับเบอร์

การเน้นย้ำเรื่องรูปทรงของขาอุปกรณ์และการติดตั้งขั้วต่อโดยตรงเป็นตัวแปรหลักในการออกแบบ แทนที่จะเป็นสิ่งที่คิดขึ้นมาทีหลังนั้น สะท้อนให้เห็นในเอกสารการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่แพร่หลาย รวมถึงเอกสารอ้างอิงการออกแบบสนับเบอร์ของ Rudy Severns ที่ตีพิมพ์โดย Cornell Dubilier หลักการทางฟิสิกส์พื้นฐานยังได้รับการกำหนดไว้ใน IEC 61071 ซึ่งเป็นมาตรฐานสากลที่ควบคุมตัวเก็บประจุสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ซึ่ง SMJ-P ได้รับการออกแบบให้ตรงตามมาตรฐานนี้ ประเด็นสำคัญจากแหล่งข้อมูลทั้งหมดเหล่านี้สอดคล้องกัน:เป้าหมายไม่ได้อยู่ที่ค่าความจุในเอกสารข้อมูลจำเพาะเพียงอย่างเดียว แต่เป็นการวัดและวัดซ้ำได้ของการลดลงของแรงดันไฟฟ้าสูงสุดขณะปิดเครื่อง

ตัวเก็บประจุ SMJ-P ถูกนำไปใช้ที่ใดบ้าง

แผนภาพวงจร IGBT แบบฮาล์ฟบริดจ์ พร้อมตัวเก็บประจุสนับเบอร์ C3 ที่ต่อคร่อมรางไฟ DC

ตัวเก็บประจุแบบสนับเบอร์ไม่ใช่ชิ้นส่วนเฉพาะกลุ่ม มันปรากฏอยู่ทุกที่ที่อุปกรณ์สวิตช์กำลังไฟฟ้าต้องการการป้องกันจากการทำงานของตัวมันเอง:

• อินเวอร์เตอร์และมอเตอร์ไดรฟ์ซึ่ง IGBT จะสลับการทำงานอย่างต่อเนื่องและต้องการการป้องกัน dv/dt ที่สม่ำเสมอ

•อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าซึ่งประสิทธิภาพในการสลับการทำงานและอายุการใช้งานของชิ้นส่วนส่งผลโดยตรงต่อระยะการใช้งานและความน่าเชื่อถือ

•ระบบพลังงานหมุนเวียนรวมถึงอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งระบบป้องกันแรงดันไฟกระชากช่วยปกป้องอุปกรณ์สวิตช์กำลังสูงตลอดการใช้งานหลายสิบปี

•วงจรเรียงกระแสบริการและแหล่งจ่ายไฟสำหรับหัวรถจักรซึ่งกระแสพัลส์สูงและรอบการทำงานที่ต้องการประสิทธิภาพสูง ทำให้ประสิทธิภาพของ ESR และ ESL มีความสำคัญอย่างยิ่ง

สิ่งที่เป็นจุดร่วมกันในแอปพลิเคชันทั้งหมดเหล่านี้ก็คือ อุปกรณ์สวิตช์สร้างสัญญาณชั่วขณะ และต้องมีสิ่งที่สามารถดูดซับสัญญาณเหล่านั้นได้อย่างสะอาดหมดจด ในแต่ละรอบการทำงาน ตลอดอายุการใช้งานของระบบ

เหตุใดการเลือกวัสดุและกระบวนการผลิตจึงส่งผลกระทบสะสมเมื่อเวลาผ่านไป

หน้าที่ของตัวเก็บประจุแบบสนับเบอร์ดูเหมือนจะง่ายบนเอกสารข้อมูลจำเพาะ แต่ในทางปฏิบัติ ประสิทธิภาพจะถูกตัดสินด้วยรายละเอียดต่างๆ ที่จะไม่ปรากฏให้เห็นจนกว่าระบบจะทำงานมาหลายปีแล้ว เช่น ความสม่ำเสมอในการซ่อมแซมตัวเองของฉนวนหลังจากได้รับความเครียด ความแม่นยำในการควบคุมค่า ESR และ ESL ในแต่ละล็อตการผลิต และความต้านทานของฉนวนที่คงที่ตลอดช่วงอุณหภูมิทั้งหมด ไม่ใช่แค่ที่อุณหภูมิห้องเท่านั้น

นี่คือเหตุผลที่ฉนวน SMJ-P ของ CRE ระบุอายุการใช้งาน 100,000 ชั่วโมงโดยอิงจากสภาวะอุณหภูมิจุดร้อนเฉพาะ (≤85°C) แทนที่จะระบุเป็นตัวเลขทั่วไป และเป็นเหตุผลที่ระบุค่าความต้านทานฉนวนแยกต่างหากตามช่วงความจุ แทนที่จะระบุเป็นตัวเลขเดียวแบบเหมาจ่าย นี่คือข้อกำหนดประเภทที่สำคัญสำหรับวิศวกรที่ตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบ ไม่ใช่แค่คำกล่าวอ้างทางการตลาด

คำถามที่พบบ่อย: การเลือกตัวเก็บประจุสนับเบอร์ IGBT

Q1:อะไรคือตัวเก็บประจุสนับเบอร์ IGBTใช้สำหรับอะไร? 

ตัวเก็บประจุแบบสนับเบอร์สำหรับ IGBT ทำหน้าที่ลดแรงดันไฟฟ้ากระชากที่เกิดขึ้นเมื่อ IGBT ปิดการทำงาน ป้องกันไม่ให้อุปกรณ์มีแรงดันไฟฟ้าเกินพิกัด ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มโพลีโพรพีลีนเคลือบโลหะรุ่น SMJ-P ของ CRE ได้รับการออกแบบมาเพื่อจุดประสงค์นี้ โดยมีช่วงแรงดันไฟฟ้าพิกัดตั้งแต่ 700V DC ถึง 3000V DC

Q2:ฉันจะเลือกผู้ผลิตตัวเก็บประจุสนับเบอร์ที่เหมาะสมได้อย่างไร? 

มองหาผู้ผลิตที่นำเสนอตัวเก็บประจุแบบฟิล์มที่มีค่า ESR/ESL ต่ำ ได้รับการรับรองมาตรฐาน (IEC 61071, UL94V-0) และมีตัวเลือกค่าความจุหรือแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดเองได้ครีเอเป็นผู้ผลิตตัวเก็บประจุแบบฟิล์มที่จัดจำหน่ายให้กับ DC-Linkตัวลดแรงกระแทก IGBTและตัวเก็บประจุแบบ EMC-filter สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง พลังงานหมุนเวียน และระบบขนส่งทางราง โดยมีทั้งแบบขาต่อแกนและขาต่อรัศมีให้เลือกใช้งาน

Q3:อะไรทำให้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มโพลีโพรพีลีนดีกว่าตัวเก็บประจุแบบสนับเบอร์ชนิดอื่นๆ? 

ฟิล์มโพลีโพรพีลีนเคลือบโลหะมีค่า ESR/ESL ต่ำ คุณสมบัติทางไดอิเล็กทริกที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ และประสิทธิภาพที่เสถียรในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ทำให้เป็นวัสดุไดอิเล็กทริกมาตรฐานสำหรับงานสนับเบอร์เมื่อเทียบกับวัสดุอิเล็กโทรไลต์หรือเซรามิกทางเลือกอื่นๆ SMJ-P ของ CRE ทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิ -40°C ถึง +85°C โดยมีอายุการใช้งานที่คาดการณ์ไว้ 100,000 ชั่วโมง

เอกสารทางเทคนิคฉบับเต็มสำหรับ SMJ-P สามารถดูได้ที่นี่: https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

เอกสารอ้างอิง:

1. CRE NEW ENERGY, “ตัวเก็บประจุ IGBT Snubber แบบกล่องพลาสติก SMJ-Pเอกสารข้อมูลผลิตภัณฑ์ (https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html)

2. Semikron Danfoss, “การวัดแรงดันสูงสุดของ IGBT และข้อกำหนดตัวเก็บประจุสนับเบอร์, “เอกสารประกอบการใช้งาน AN 07-006

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

3. Severns, Rudy. “การออกแบบตัวลดแรงดันกระชากสำหรับวงจรไฟฟ้า” เอกสารประกอบการใช้งานของ Cornell Dubilier (https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf)

ข้อมูลจำเพาะทางเทคนิคสะท้อนถึงข้อมูลที่เผยแพร่ ณ เวลาที่เขียนเอกสารนี้ ผู้อ่านควรตรวจสอบค่าต่างๆ ในปัจจุบันกับเอกสารข้อมูลล่าสุดของผู้ผลิตก่อนนำไปใช้ในการออกแบบขั้นสุดท้าย