Der Silikontransistor ist seit seiner Einführung im Jahr 1947 zu einem festen Bestandteil der modernen Elektronik geworden. Transistorenbasierte Komponenten bieten eine unübertroffene Strom- und Signalsteuerung in nahezu allen Branchen, Anwendungen und Niederspannungsschaltungen. Die Fähigkeiten von Transistoren werden ständig weiterentwickelt, weshalb Schaltungsoptimierungen für den Schutz der nachgeschalteten Hardware von entscheidender Bedeutung sind.
Snubberkondensatoren für IGBT
In einigen Branchen, in denen Hochvolttransistoren verwendet werden, müssen spezielle Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, um zu gewährleisten, dass zugehörige Peripherieschaltungen leistungsfähig sind und vor schädlichen Auswirkungen geschützt sind, die gewöhnlich im Hochspannungs- und Hochfrequenzbetrieb beobachtet werden. Im Folgenden untersuchen wir, wie ein Snubberkondensator zur Reduzierung von parasitärer Induktivität elektrischer Verkabelungen eingesetzt wird, die eine Folge von Hochfrequenzsystemeffekten ist, welche häufig in Hochspannungs-IGBT-Schaltkreisen auftreten.
Was ist ein IGBT?
Bipolar-Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Englisch: Insulated-Gate Bipolar Transistors, kurz IGBTs) finden aufgrund ihrer kompetitiven Schnelligkeit und Steuerung höherer Source-Spannungen vor allem in Schaltanwendungen im Mittel- bis Hochstrombereich Anwendung. Der Stromfluss zu einem IGBT Im Gegensatz zu anderen Leistungstransistoren, bei denen der Strom in die Basis fließt, fließt bei einem IGBT der Strom durch sein Gate, um als das Signal des Transistors zu wirken. Durch diesen Aufbau lassen sich Eigenschaften wie z.B. geringer Spannungsabfall und geringe Stromdichte im Ein-Zustand erreichen, was in Hochstrom-Steuersystemen von Vorteil ist. IGBTs zeichnen sich durch ihre Verwendung in Anwendungen aus, in denen hohe Spannungen und hohe Schaltgeschwindigkeiten wichtig sind, wie z.B.:
- • Elektrofahrzeuge
- • Klimaanlagen
- • Frequenzumrichter
- • Industrieanlagen
IGBTs sind durch ihre Hochstrom- und Hochfrequenzfähigkeiten überraschend anfällig für Überspannungen während des Ausschaltens, die oft durch parasitäre Induktivität der peripheren elektrischen Verkabelungen verursacht werden.
Parasitäre Induktivität von Kondensatoren: Hochstrom-IGBT-Module
Die meisten Hochstrom-Schaltanwendungen erfordern eine große Menge von Verkabelungen, welche zur Stromverteilung in einem System verwendet werden. Diese Verkabelungen haben ihren eigenen Induktivitätswert, der als parasitäre Induktivität bezeichnet wird. Das gilt nicht nur für große Verkabelungssysteme, sondern für alle Komponenten einschließlich selbst der kleinsten Widerstände.
Die Systembelastung durch diese Induktivität wird allerdings in Hochstromsystemen, die eine große Menge von Masse und Verkabelungen enthalten, noch verstärkt. Man stelle sich die Menge von Verkabelungen vor, die in einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs benötigt werden: Es werden kilometerlange Steuerkabel und große Massen von Hochspannungs- und Hochstromverkabelungen gebraucht, die der Stromverteilung rund um das Batteriesystem zu den Steuersystemen und schließlich dem Antriebsstrang dienen. Zusammengenommen ist die große Menge von Verkabelungen anfällig für die Erzeugung hoher parasitärer Induktivitätswerte. Wenn das System nicht in der Lage ist, die negativen Auswirkungen dieser Induktivität einzudämmen, können dadurch andere Komponenten in der Schaltung beschädigt werden, wie beispielsweise ein IGBT im Aus-Zustand.
IGBTs werden dafür im Laufe der Zeit besonders anfällig, weil sie bei sehr hohen Frequenzen schalten, was letztendlich eine großen Zahl von Ein- und Aus-Zuständen über die Lebensdauer der Komponente hinweg zur Folge hat. Wenn beispielsweise Komponente (A) ein Jahr lang bei einer Frequenz von 10 Hz schaltet und Komponente (B) ein Jahr lang bei einer Frequenz von 100 Hz schaltet, dann war Komponente (B) zehnmal so häufig im Ein- und Aus-Zustand als Komponente (A). IGBTs sind durch ihre Hochfrequenz deutlich mehr Ein- und Aus-Zuständen ausgesetzt als standardmäßige Transistoren, wodurch sie zur Abnutzung und zum Ausfall neigen, und zwar als Folge von durch parasitäre Induktivität verursachte Überspannungen über die Lebensdauer des Bauteils hinweg.
Was ist ein Snubberkondensator?
Ein durchdacht angeordneter Snubberkondensator mildert die Auswirkungen der parasitären Induktivität in IGBT-Systemen und beseitigt einige der Risiken, die mit der Verwendung von zur Induktivität neigenden Materialien in Hochstromsystemen verbunden sind. Ein Design, das einen richtig dimensionierten Snubberkondensator verwendet – oder sogar ein Snubberkondensator-Array – kann das Ausmaß einer Überspannung durch parasitäre Induktivität drastisch reduzieren und das „dauerhafte“ Oberschwingungs-Läuten des IGBT-Systems abschwächen. Durch die Verwendung eines Kondensators mit größerem Wert als Snubberkondensator wird der Überspannungswert insgesamt reduziert, allerdings kann dies ein unerwünschtes Läuten aufgrund von Systemoberschwingung zur Folge haben. Ein Snubberkondensator kann trotz allem die Wahrscheinlichkeit reduzieren, dass Ihr IGBT-Gate während eines durch parasitäre Induktivität verursachte Überspannung im Aus-Zustand zerstört wird.
Snubberkondensatortypen
Ein Snubberkondensator ist darauf ausgelegt, die Leistung der Schaltung zu erhöhen. Er verbessert jedoch auch die Fähigkeit des IGBTs, Hochgeschwindigkeits-Schaltfunktionen effizienter zu nutzen, und ermöglicht potenziell sogar eine Hochfrequenzsteuerung. Ein hochleistungsfähiger Kondensator ist optimal für die Verwendung in einer Hochleistungs-Hochstromschaltung geeignet, da er auch in der Lage sein muss, deren problematische Systemauswirkungen zu bewältigen. Bei der Analyse der Anordnung von Snubberkondensatoren durch Tech Web konzentrierte man sich darauf, wie unterschiedliche Kondensatorkonfigurationen und -typen funktionierten. Es wurden gezielt verschiedene Serien- und Parallelkonfigurationen von Snubberkondensatordesigns getestet. Beim Vergleich von zwei großen Nippon Chemi-Con Filmkondensatoren mit einem Array fünf paralleler Gruppen von zwei Murata Keramikkondensatoren überzeugten die Keramikkondensatoren mit einem Überspannungsschutzeffekt, der fast doppelt so effektiv war als der der großen Filmkondensatoren.
Auswahl und Anordnung Snubberkondensatoren in IGBT
Wenn man einen Snubberkondensator in das Design einer IGBT-Schaltung einplant, ist die Position relativ zum IGBT von entscheidender Bedeutung. Ein Snubberkondensator soll die systemweite parasitäre Induktivität mindern, weshalb auch die Menge von „System“ zwischen dem Snubberkondensator und dem IGBT sehr wichtig ist. Wenn Ihr Snubberkondensator weit von Ihrem IGBT entfernt ist, dann kann das Material zwischen den beiden Komponentenbaugruppen unerwünschte parasitäre Induktivität und darüber hinaus Oberschwingungswellen ausbilden, wodurch letztlich der Überspannungsschutzeffekt des Snubbers reduziert wird und sich Risiken für den IGBT ergeben. Je geringer der Abstand zwischen Snubberkondensator und IGBT ist, umso weniger werden vom IGBT durch parasitäre Induktivität verursachte Überspannungen wahrgenommen.
Das Design von Snubberkondensatoren in IGBT
Prüfen Sie Ihr Snubberkondensatordesign, um eine Beschädigung der gesamten Schaltung zu vermeiden. Die Analyse von Tech Web hat gezeigt, dass unterschiedliche Snubberkondensatorkomponenten und -Konfigurationen die Auswirkungen von Überspannungen während eines Schaltvorgangs drastisch beeinflussen können. Während einige Parameter wie beispielsweise die Größe des Kondensators kontrolliert werden können, sind die möglichen Systemeffekte Ihrer Schaltung möglicherweise weniger kontrollierbar. Bei der Auswahl des besten Snobberkondensatorendesigns sind umfassende Prüfungen sinnvoll. Wählen Sie Ihre Snubberkondensatoren sorgfältig aus – basierend darauf, wie Ihre Schaltung funktionieren soll und wie tolerant Ihr IGBT gegenüber Überspannungen ist.
