Dalla sua nascita nel 1947, il transistor in silicio è diventato un punto fermo dell'elettronica moderna. I componenti a transistor forniscono un controllo di alimentazione e di segnale impareggiabile per quasi tutti i settori, le applicazioni e i circuiti a bassa tensione. Con l'aumento delle capacità dei transistor, le ottimizzazioni dei circuiti sono fondamentali per proteggere l'hardware a valle.
Condensatori snubber per IGBT
In alcuni settori in cui si utilizzano transistor ad alta tensione, è necessario adottare precauzioni specifiche per garantire che i relativi circuiti periferici siano efficienti e protetti dagli effetti nocivi che si verificano comunemente nelle operazioni ad alta tensione e ad alta frequenza. Vediamo come utilizzare un condensatore snubber per ridurre l'induttanza parassita del cablaggio elettrico, che è il risultato degli effetti di sistema ad alta frequenza comunemente riscontrati nei circuiti IGBT ad alta tensione.
Che cos'è un IGBT?
I transistor bipolari a gate isolato (IGBT) sono utilizzati prevalentemente in applicazioni di commutazione di media e alta potenza e ad alta frequenza, grazie alla loro velocità competitiva e al controllo di tensioni di partenza più elevate con tensioni di segnale significativamente più basse. A differenza di altri transistor di corrente che si basano sul flusso di corrente nella loro base, la corrente scorre in un IGBT attraverso il relativo gate per agire come segnale del transistor. Questa configurazione consente di ottenere caratteristiche quali la bassa caduta di tensione in stato on e la densità di corrente in stato on, vantaggiose nei sistemi di controllo ad alta potenza. Gli IGBT si distinguono per il loro utilizzo in applicazioni in cui sono fondamentali alte tensioni e alte velocità di commutazione, come ad esempio:
- • Veicoli elettrici
- • Climatizzatori
- • Inverter a frequenza variabile
- • Apparecchiature industriali
Con le loro capacità di alta potenza e alta frequenza, gli IGBT sono sorprendentemente soggetti a sovratensioni al momento dello spegnimento, spesso causate dall'induttanza parassita del cablaggio del circuito periferico.
Induttanza parassita del condensatore: modulo IGBT ad alta potenza
La maggior parte delle applicazioni di circuiti ad alta potenza comporta un grande volume di cablaggio utilizzato per distribuire l'energia in un sistema. Questo cablaggio ha un valore di induttanza proprio, chiamato induttanza parassita. Questo non vale solo per i sistemi di cablaggio di grandi dimensioni, ma per tutti i componenti, compreso il più piccolo resistore.
Tuttavia, l'impatto di questa induttanza sul sistema è maggiore nei sistemi ad alta potenza che contengono grandi quantità di massa e cablaggio. Se si immagina la quantità di cablaggi necessari nel gruppo motopropulsore di un veicolo elettrico, sono necessari chilometri di cavi di controllo e grandi masse di cavi ad alta tensione e ad alta corrente per distribuire l'energia dal sistema della batteria al sistema di controllo e, infine, alla trasmissione. Se combinato, il grande volume di cablaggio è soggetto a creare grandi valori di induttanza parassita. Se il sistema non è in grado di mitigare efficacemente gli effetti negativi di questa induttanza, può danneggiare altri componenti del circuito, come un IGBT in stato off.
Gli IGBT sono particolarmente soggetti a questo problema nel tempo, poiché commutano a frequenze molto elevate, comportando una grande quantità di stati on e off nel corso della vita del componente. Ad esempio, se il dispositivo (A) commuta a una frequenza di 10 Hz per 1 anno e il dispositivo (B) commuta a una frequenza di 100 Hz per 1 anno, il dispositivo (B) sarà stato sia in stato on che off 10 volte più del dispositivo (A). Nel caso degli IGBT, l'alta frequenza li espone a un numero significativamente maggiore di stati on e off rispetto ai transistor standard, rendendoli soggetti al degrado e al guasto a causa delle sovratensioni causate dall'induttanza parassita nel corso della vita della parte.
Che cos'è un condensatore snubber?
Un condensatore snubber posizionato accuratamente attenua l'impatto dell'induttanza parassita nei sistemi IGBT ed elimina alcuni dei rischi associati all'utilizzo di materiali soggetti a induttanza nei sistemi ad alta potenza. Un progetto che utilizzi un condensatore snubber correttamente dimensionato, o anche un array del condensatore snubber, è in grado di ridurre drasticamente l'entità di un picco di induttanza parassita e ridurre l'oscillazione armonica "a lungo termine" del sistema IGBT. L'utilizzo di un condensatore di valore maggiore come condensatore snubber ridurrà meglio il valore complessivo del picco di corrente, ma potrebbe causare oscillazione indesiderata causata dalle armoniche del sistema. In ogni caso, l'utilizzo di un condensatore snubber può ridurre significativamente la possibilità di rovinare il gate dell'IGBT durante un picco di corrente causato dall'induttanza parassita in stato off.
Tipi di condensatori snubber
Un condensatore snubber è progettato per aumentare le prestazioni del circuito, ma aumenta anche la capacità dell'IGBT di sfruttare in modo più efficiente le capacità di commutazione ad alta velocità, consentendo potenzialmente un controllo ad alta frequenza. Un condensatore ad alte prestazioni è ideale per l'impiego in un circuito ad alte prestazioni e ad alta potenza, poiché deve essere in grado di gestire anche gli effetti di sistema più impegnativi. Quando Tech Web ha analizzato il posizionamento dei condensatori snubber, si è concentrata sulle prestazioni di varie configurazioni e tipi di condensatori, testando in particolare varie configurazioni di condensatori snubber in serie e in parallelo. Confrontando due grandi condensatori a film Nippon Chemi-Con con un array di cinque serie parallele di due condensatori in ceramica Murata, i condensatori in ceramica hanno ottenuto un effetto di soppressione delle sovratensioni quasi doppio rispetto ai grandi condensatori a film.
Selezione e posizionamento del condensatore snubber dell'IGBT
Quando si progetta un condensatore snubber nel circuito IGBT, la posizione rispetto all'IGBT è fondamentale. Poiché un condensatore snubber cerca di ridurre al minimo l'induttanza parassita dell'intero sistema, è molto importante ridurre al minimo anche la quantità di "sistema" tra il condensatore snubber e l'IGBT. Se il condensatore snubber è lontano dall'IGBT, il materiale tra i due componenti può formare induttanze parassite indesiderate e altre sovratensioni armoniche, riducendo l'effetto di soppressione delle sovratensioni dello snubber e rischiando di danneggiare l'IGBT. Quanto più vicini sono il condensatore snubber e l'IGBT, tanto meno l'IGBT rileverà le sovratensioni causate dall'induttanza parassita.
Progettazione del condensatore snubber per IGBT
Verificare il progetto del condensatore snubber per evitare di danneggiare l'intero circuito. L'analisi di Tech Web ha dimostrato che i diversi componenti e le diverse configurazioni dei condensatori snubber possono influenzare drasticamente l'impatto delle sovratensioni durante un evento di commutazione. Mentre alcuni parametri, come le dimensioni e la qualità dei condensatori, possono essere controllati, gli effetti finali del sistema del circuito possono essere meno controllabili. Per scegliere il miglior progetto di condensatore snubber è opportuno effettuare test significativi. In definitiva, scegliere con cura i condensatori in base alle prestazioni del circuito e alla tolleranza dell'IGBT alle sovratensioni.
