Desde su creación en 1947, el transistor de silicio se ha convertido en un elemento básico de la electrónica moderna. Los componentes basados en transistores proporcionan una potencia y un control de señales inigualables a casi todos los sectores, aplicaciones y circuitos de baja tensión. A medida que aumentan las capacidades de los transistores, las optimizaciones de los circuitos son fundamentales para proteger el hardware posterior.
Capacitores de amortiguación para IGBT
En algunos sectores en los que se utilizan transistores de alta tensión, es necesario tomar precauciones específicas para garantizar que los circuitos periféricos relacionados sean eficientes y estén protegidos de los efectos nocivos que suelen producirse en operaciones de alta tensión y alta frecuencia. Exploremos cómo utilizar un capacitor de amortiguación para reducir la inductancia parásita del cableado eléctrico, que es el resultado de los efectos del sistema de alta frecuencia que se encuentran en general en los circuitos IGBT de alta tensión.
¿Qué es un IGBT?
Transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) se utilizan, por lo general, en aplicaciones de conmutación de media y alta potencia y alta frecuencia, dada su velocidad competitiva y el control de tensiones de fuente más altas con tensiones de señal bastante más bajas. A diferencia de otros transistores de potencia que dependen de la corriente que fluye hacia su base, la corriente fluye hacia un IGBT a través de su puerta para actuar como señal del transistor. Esta configuración permite obtener características como una baja caída de tensión en la etapa y una densidad de corriente en el estado, lo que resulta ventajoso en los sistemas de control de alta potencia. Los IGBTs destacan por su uso en aplicaciones en las que son críticas los altas tensiones y las altas velocidades de conmutación, como:
- • Vehículos eléctricos
- • Acondicionadores de aire
- • Accionamientos de frecuencia variable
- • Equipamiento industrial
Debido a su gran potencia y a su alta frecuencia, los IGBT son muy propensos a sufrir sobretensiones en el momento de la desconexión, lo que a menudo se debe a la inductancia parásita del cableado del circuito periférico.
Inductancia parásita del capacitor: módulo IGBT de alta potencia
La mayoría de las aplicaciones de circuitos de alta potencia implican un gran volumen de cableado que se utiliza para distribuir la energía a través de un sistema. Este cableado tiene un valor de inductancia propio, que se denomina inductancia parásita. Esto no solo se aplica a los grandes sistemas de cableado, sino a todos los componentes, incluido el resistor más pequeño.
Sin embargo, el impacto de esta inductancia en el sistema se agrava en los sistemas de alta potencia que contienen grandes cantidades de masa y cableado. Si se imagina la cantidad de cableado que se necesita en la cadena cinemática de un vehículo eléctrico, se necesitan kilómetros de cables de control y grandes masas de cableado de alta tensión y alta corriente para distribuir la energía por el sistema de la batería al sistema de control y, en última instancia, a la cadena cinemática. Cuando se combinan, el gran volumen de cableado es propenso a crear grandes valores de inductancia parásita. Si el sistema no puede mitigar con eficacia los efectos negativos de esta inductancia, puede dañar otros componentes del circuito, como un IGBT fuera de estado.
Los IGBT son, en especial, propensos a esto con el paso del tiempo, ya que conmutan a frecuencias muy altas, lo que acaba provocando una gran cantidad de estados de encendido y apagado a lo largo de la vida del componente. Por ejemplo, si el dispositivo (A) conmuta a una frecuencia de 10 Hz durante 1 año y el dispositivo (B) conmuta a una frecuencia de 100 Hz durante 1 año, el dispositivo (B) habrá estado tanto en estado encendido como en estado apagado 10 veces más que el dispositivo (A). En el caso de los IGBT, su alta frecuencia los expone a un número mucho mayor de estados de encendido y apagado que los transistores estándar, lo que los hace propensos a la degradación y al fallo como resultado de las sobretensiones causadas por la inductancia parásita a lo largo de la vida de la pieza.
¿Qué es un capacitor de amortiguación?
Un capacitor de amortiguación bien situado mitiga el impacto de la inductancia parásita en los sistemas IGBT y elimina algunos de los riesgos asociados a la utilización de materiales propensos a la inductancia en sistemas de alta potencia. Un diseño que utiliza un capacitor de amortiguación de tamaño adecuado - o incluso una matriz de capacitores de amortiguación - puede reducir mucho la magnitud de un aumento de la inductancia parásita y reducir el timbre armónico "a largo plazo" del sistema IGBT. El uso de un capacitor de mayor valor como el de amortiguación reducirá mejor el valor global de la sobretensión, pero puede dar lugar a un timbre indeseable dado el armónico del sistema. En cualquier caso, el uso de un capacitor de amortiguación puede reducir en gran medida la posibilidad de arruinar la puerta del IGBT durante una sobrecarga causada por la inductancia parásita fuera de estado.
Tipos de capacitores de amortiguación
Un capacitor de amortiguación está diseñado para aumentar el rendimiento del circuito, pero también aumenta la capacidad del IGBT para explotar las habilidades de conmutación de alta velocidad de manera más eficiente, lo que podría permitir incluso el control de alta frecuencia. Un capacitor de alto rendimiento es ideal para su uso en un circuito de alto rendimiento y alta potencia, ya que debe ser capaz de hacer frente también a sus desafiantes efectos del sistema. Cuando Tech Web analizó la colocación de los capacitores de amortiguación, se centró en el rendimiento de varias configuraciones y tipos de capacitores, probando en específico varias configuraciones en serie y en paralelo de los diseños de capacitores de amortiguación. Al comparar dos grandes capacitores de película Nippon Chemi-Con frente a una matriz de cinco conjuntos paralelos de dos capacitores de amortiguación cerámicos Murata los capacitores cerámicos presentaban un efecto de supresión de sobretensiones que era casi dos veces más eficaz que los grandes capacitores de película.
Selección y colocación del capacitor de amortiguación IGBT
Cuando diseñe un capacitor de amortiguación en su circuito IGBT, la ubicación en relación con el IGBT es fundamental. Dado que un capacitor de amortiguación busca minimizar la inductancia parásita de todo el sistema, minimizar la cantidad de "sistema" entre el capacitor de amortiguación y el IGBT es muy importante también. Si su capacitor de amortiguación está lejos de su IGBT, el material entre los dos conjuntos de componentes puede formar una inductancia parásita no deseada e incluso más sobretensiones armónicas, reduciendo en última instancia el efecto de supresión de sobretensiones del amortiguador corriendo el riesgo de dañar el IGBT. Cuanto más cerca estén el capacitor de amortiguación y el IGBT, menos sobretensiones causadas por la inductancia parásita notará el IGBT.
Diseño de capacitor de amortiguación para IGBT
Pruebe el diseño de su capacitor de amortiguación para evitar dañar el circuito en general. El análisis de Tech Web demostró que los diferentes componentes y configuraciones del capacitor de amortiguación pueden influir de manera drástica en el impacto de la sobretensión durante un evento de conmutación. Mientras que algunos parámetros, como el tamaño y la calidad del capacitores pueden controlarse, los efectos eventuales del sistema de su circuito pueden ser menos controlables. Para elegir el mejor diseño de capacitor de amortiguación es conveniente realizar pruebas significativas. En última instancia, elija sus capacitores con cuidado basándose en cómo necesita que funcione su circuito y qué tan tolerante es su IGBT a las sobretensiones.
