1947年の誕生以来、シリコン トランジスタは現代の電子機器の定番となっています。トランジスタベースのコンポーネントは、ほぼすべての業界、アプリケーション、低電圧回路に比類のない電力および信号制御を提供します。トランジスタの能力が増大するにつれて、下流のハードウェアを保護するために回路の最適化が重要になります。
IGBT用スナバコンデンサ
高電圧トランジスタが使用される一部の業界では、関連する周辺回路が効率的であり、高電圧、高周波動作で一般的に見られる有害な影響から保護されていることを保証するために、特別な予防措置を講じる必要があります。高電圧IGBT回路でよく見られる高周波システム効果の結果として生じる電気配線の寄生インダクタンスを、スナバ コンデンサを使用して低減する方法について説明します。
IGBTとは何ですか?
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT） 競争力のある速度と、大幅に低い信号電圧でより高い電源電圧を制御できるため、中〜高電力、高周波スイッチング アプリケーションで主に使用されます。ベースに流れる電流に依存する他のパワートランジスタとは異なり、IGBTでは電流がゲートを通じて流れ、トランジスタの信号として機能します。この設定により、オンステージ電圧降下やオン状態電流密度が低いなどの特性が実現され、高出力制御システムに有利になります。IGBTは、次のような高電圧と高速スイッチングが重要なアプリケーションで使用されることで知られています。
- • 電気自動車
- • エアコン
- • 可変周波数ドライブ
- • 産業機器
IGBTは高出力と高周波機能を備えているため、スイッチオフ時にサージが発生しやすいという欠点があります。これは、周辺回路の配線の寄生インダクタンスによって発生することがよくあります。
コンデンサ寄生インダクタンス：高出力IGBTモジュール
ほとんどの高電力回路アプリケーションでは、システム全体に電力を分配するために使用される大量の配線が必要になります。この配線には独自のインダクタンス値があり、これを寄生インダクタンスと呼びます。これは大規模な配線システムだけではなく、実際には最小の抵抗器を含むすべてのコンポーネントに当てはまります。
ただし、このインダクタンスのシステムへの影響は、大量の質量と配線を含む高出力システムではさらに大きくなります。EVのパワートレインに必要な配線量を想像すると、バッテリー システムから制御システム、そして最終的にはドライブトレインに電力を分配するために、数マイルに及ぶ制御配線と大量の高電圧、高電流配線が必要になります。配線量が多くなると、寄生インダクタンスの値が大きくなりやすくなります。システムがこのインダクタンスの悪影響を効果的に軽減できない場合、オフ状態のIGBTなど、回路内の他のコンポーネントが損傷する可能性があります。
IGBTは、非常に高い周波数でスイッチングするため、時間の経過とともに特にこの傾向が強くなり、最終的にはコンポーネントの寿命全体にわたってオン状態とオフ状態の両方が大量に発生します。たとえば、デバイス (A) が1年間10 Hzの周波数でスイッチングし、デバイス (B) が1年間100 Hzの周波数でスイッチングした場合、デバイス (B) はデバイス (A) の10倍の頻度でオン状態とオフ状態の両方になります。IGBTの場合、高周波であるため、標準的なトランジスタよりもオン状態とオフ状態が大幅に多くなり、部品の寿命にわたって寄生インダクタンスによるサージの結果として劣化や故障が発生しやすくなります。
スナバコンデンサとは何ですか?
慎重に配置されたスナバ コンデンサは、IGBTシステムの寄生インダクタンスの影響を軽減し、高電力システムでインダクタンスが発生しやすい材料を使用することに伴うリスクの一部を排除します。適切なサイズのスナバ コンデンサ、またはスナバ コンデンサ アレイを使用する設計では、寄生インダクタンス サージの大きさを大幅に低減し、IGBTシステムの「長期的」な高調波リンギングを低減できます。スナバ コンデンサとして値の大きいコンデンサを使用すると、全体的なサージ値をより効果的に低減できますが、システムの高調波により望ましくないリンギングが発生する可能性があります。いずれにしても、スナバ コンデンサを使用すると、オフ状態の寄生インダクタンスによるサージ中にIGBTゲートが破損する可能性を大幅に減らすことができます。
スナバコンデンサの種類
スナバ コンデンサは回路のパフォーマンスを向上させるように設計されていますが、IGBTの高速スイッチング機能をより効率的に活用する能力も向上させ、高周波制御も可能になる可能性があります。高性能コンデンサは、厳しいシステム効果にも対処できなければならないため、高性能、高電力回路での使用に最適です。Tech Webはスナバ コンデンサの配置を分析する際に、さまざまなコンデンサの構成と種類のパフォーマンスに焦点を当て、具体的にはスナバ コンデンサ設計のさまざまな直列および並列構成をテストしました。日本ケミコンの大型フィルムコンデンサ2個と、村田製作所のセラミックコンデンサ2個を並列に5セット接続したものを比較すると、セラミックコンデンサは大型フィルムコンデンサのほぼ2倍のサージ抑制効果を発揮しました。
IGBTスナバコンデンサの選択と配置
IGBT回路にスナバ コンデンサを設計する場合、IGBTに対する位置が重要になります。スナバ コンデンサはシステム全体の寄生インダクタンスを最小限に抑えることを目的としているため、スナバ コンデンサとIGBT間の「システム」の量を最小限に抑えることも非常に重要です。スナバ コンデンサがIGBTから離れている場合、2つのコンポーネント アセンブリ間の材料によって不要な寄生インダクタンスが形成され、さらに高調波サージが発生する可能性があり、最終的にはスナバのサージ抑制効果が低下し、IGBTに損傷を与えるリスクがあります。スナバ コンデンサとIGBTが近いほど、寄生インダクタンスによるサージがIGBTによって検知される可能性が低くなります。
IGBTスナバコンデンサ設計
回路全体の損傷を避けるために、スナバ コンデンサの設計をテストします。Tech Webの分析では、さまざまなスナバ コンデンサのコンポーネントと構成が、スイッチング イベント中のサージの影響に劇的な影響を与える可能性があることが実証されました。コンデンサのサイズや品質などの一部のパラメータは制御できますが、回路の最終的なシステムへの影響は制御しにくい可能性があります。最適なスナバコンデンサ設計を選択するには、徹底的なテストを行うことが望ましいです。最終的には、回路に必要な動作とIGBTのサージ耐性に基づいて、コンデンサを慎重に選択してください。
