Все продукты | Schneider Electric Россия
Распределение электроэнергии низкого напряжения
Автоматизация и безопасность зданий
Распределение электроэнергии среднего напряжения и автоматизация электроснабжения
Автоматизация и промышленный контроль
Солнечная энергетика
Электроустановочное оборудование и системы управления домом
Самые популярные серии
Самые популярные серии
Самые популярные серии
Самые популярные серии
Самые популярные серии
Самые популярные серии
Самые популярные серии
-
Серии: 65
Серии: 25
Серии: 22
Серии: 25
Серии: 11
Серии: 46
Серии: 26
Серии: 1
Серии: 35
Оценка стойкости диодов Wolfspeed SiC Шоттки к dV/dt с помощью генератора импульсов на основе лавинного транзистора
Появление более 10 лет назад коммерческих диодов Шоттки на основе карбида кремния (SiC Шоттки) позволило значительно улучшить характеристики таких устройств, как корректоры коэффициента мощности (PFC) и инверторы приводов.
Этого удалось достичь благодаря отсутствию у SiC-приборов заряда обратного восстановления не основных носителей и соответствующему снижению уровня коммутационных потерь, свойственных традиционным PiN-диодам. Широкое распространение SiC-диодов Шоттки было несколько затруднено из-за проблем с надежностью, связанных с ограничениями по параметру dV/dt. В частности, приборы с низкой стойкостью к dV/dt оказались более подверженными отказам при воздействии больших пусковых токов.
Первоначальные исследования этой проблемы в отношении SiC-диодов Шоттки с напряжением 600 В выявили, что верхний предел dV/dt у них составляет 55–60 В/нс. Поскольку в этих опытах участвовали SiC-диоды, производимые не компанией Wolfspeed, то последующие исследования проводили специалисты Wolfspeed на собственных компонентах [1, 2]. Их анализ показал, что диоды Wolfspeed могут выдерживать скорость включения 75 В/нс и выключения 100 В/нс в течение более 100 тыс. циклов без разрушения.
Конечным результатом этих и других исследований явилось требование для производителей элементной базы указывать стойкость к dV/dt в качестве критерия надежности SiCдиодов Шоттки.
В данной работе дано описание скоростного высоко вольтного генератора импульсов, используемого для оценки стойкости карбидокремниевых диодов компании Wolfspeed к dV/dt. Поскольку диоды Wolfspeed не выходили из строя во время предварительного тестирования с использованием типовых параметров, для определения их предельных свойств необходимо разработать более быстродействующий генератор импульсов. Он должен быть в состоянии подвергать тестируемые приборы гораздо более высоким значениям
Разработка схемы и конструкции, а также измерение характеристик высокоскоростного генератора импульсов будут описаны вместе с оценкой стойкости к dV/dt SiC-диодов Шоттки с напряжением 600 и 1200 В
Условия эксплуатации
Устойчивость к воздействию dV/dt является одним из требований, устанавливающих ограничение скорости переключения в режиме «жесткой» коммутации. В этом можно убедиться на примере корректора коэффициента мощности (PFC, рис. 1), где применение SiC-приборов становится все более популярным. Предельная скорость переключения MOSFET М1 ограничена максимальным значением dV/dt бустерного диода D1.
В данном примере потери включения М1 исследуются для двух вариантов диодов с лимитом dV/dt на уровне 50 и 100 В/нс. Первый этап анализа предполагает использование идеальных компонентов (без учета паразитных параметров) и идеального линейного режима коммутации. Рассмотрим следующее исходное состояние: транзистор М1 выключен, ток 20 А протекает через дроссель L1, что приводит к открыванию диода D1 и прохождению тока в нагрузку RLOAD.
Эпюры напряжения «сток–исток» VDS и тока стока ID MOSFET показаны на рис. 2 для двух значений dV/dt (этот параметр имеет отрицательное значение, поскольку напряжение падает). Предполагается, что время спада тока одинаково для обоих случаев. Мгновенная мощность силового транзистора (p = I×V) и энергия переключения (E = ∫P×dt) рассчитаны на основе полученных данных, результаты представлены на рис. 3.
Пиковая мгновенная мощность равна для обоих рассматриваемых случаев, она также одинакова в ходе нарастания тока в процессе коммутации (t = 5–10 нс). Однако время, которое требуется для того, чтобы мощность упала до нулевого уровня для случая 50 В/нс, оказывается в два раза больше.
Очевидно, что такая разница оказывает сильное влияние на общее значение энергии динамических потерь. Величина Esw_tot для случая 50 В/нс составляет 168 мкДж по сравнению с 104 мкДж, т. е. на 61,5% больше, чем при dV/dt = 100 В/нс. Отметим, что коммутационные потери определяются как произведение частоты на энергию переключения. Существенная разница значений Esw для этих двух случаев иллюстрирует необходимость обеспечения максимальной стойкости к dV/dt для минимизации коммутационных потерь, повышения эффективности системы и даже возможности работы на более высоких частотах.
Оценка стойкости к dV/dt требует формирования очень быстрых высоковольтных импульсов.
Для этого используются разнообразные приборы, например генераторы на основе реле, увлажненных ртутью [3], и лавинных транзисторов [4–12]. Ртутные реле исторически использовались для создания экстремально быстрых фронтов. К сожалению, для формирования высоковольтных импульсов, необходимых для данных исследований, требуется разработка реле специальной конструкции. Второй широко используемый подход связан с применением биполярного транзистора (BJT) в лавинном режиме. Это происходит, когда напряжение «коллектор–эмиттер» превышает предельное значение VCEO, и транзистор переходит в состояние вторичного пробоя.
При ограничении времени перехода транзистора в режим вторичного пробоя он может быть использован как очень быстрый высоковольтный ключ с низким уровнем джиттера. Этот способ подходит для тестирования стойкости мощных SiC-приборов к dV/dt, однако характеристики и надежность обычных биполярных транзисторов не гарантируют их продолжительную работу в таком режиме.
Существуют так называемые лавинные BJT-приборы, специально разработанные для использования в состоянии вторичного пробоя. Генераторы на основе лавинных транзисторов широко используются для управления ячейками Поккельса, фотохронографами, лазерами и пр. Они являются отличным выбором и для настоящих исследований.
Для формирования высоковольтных импульсов лавинные транзисторы соединяются последовательно. Такая же схема была реализована и в данной работе. Характеристики генератора импульсов, показанного на рис. 4, оценивались на активной нагрузке 200 Ом. Напряжения измерялись с помощью высоковольтного пробника, подключенного непосредственно к разъему BNC, с адаптером, позволяющим устранить индуктивность заземляющего провода. Эпюры были получены с помощью цифрового осциллографа с частотой дискретизации 350 МГц (время нарастания — 1 нс) и пробника с частотой 400 МГц, 100V1 (время нарастания — 900 пс). Общее время нарастания сигнала, обусловленное частотными характеристиками осциллографа и пробника, составляет 1,35 нс.
В схеме использованы три последовательных транзистора с максимальным значением VCEO = 40 В. В установившемся режиме работы входное напряжение 400 В делится поровну, в результате чего напряжение «коллектор-эмиттер» VCE на каждом транзисторе достигает 133 В, что находится очень близко к лавинному состоянию. Схема работает следующим образом: на вход подается импульс управления, что вызывает лавинный пробой транзистора Q3. Далее вследствие «эффекта домино» происходит развитие лавинного процесса в двух остальных транзисторах. После этого конденсатор С1, подключенный к верхнему терминалу схемы, разряжается в течение менее чем 2 нс. Результатом описанного процесса является формирование отрицательного импульса с высоким значением dV/dt на нагрузочном резисторе RLOAD. Форма выходного импульса со временем нарастания 1,35 нс представлена на рис. 5.
Тестирование стойкости диода SiC Шоттки к
dV/dt
Наличие аттестованного высокоскоростного генератора импульсов позволяет протестировать стойкость к dV/dt диодов Шоттки Wolfspeed C3D03060A (600 В, 3 А).
Цель испытаний состояла в использовании новой измерительной установки для подачи очень быстрого импульса на диод C3D03060A и проверки возможного уровня ограничения по dV/dt. Подобная процедура позволяет провести более надежную оценку серии диодов C3D, чем это было сделано в предыдущих исследованиях. Лавинный генератор импульсов создан на основе последовательного соединения кремниевых биполярных транзисторов 2N5551 (VCEO_max = 160 В) для достижения более высоких значений переходных напряжений. В ходе проверки нагрузочный тестовый резистор 200 Ом (RLOAD) был заменен на испытуемый диод DUT (Device Under Test), а амплитуда испытательного импульса была установлена на уровне 800 В. Схема установки показана на рис. 6, результаты теста — на рис. 7.
Базовое значение dV/dt для диода с напряжением 600 В составляет 50 В/нс [13]. Это примерно в три раза выше, чем показали предыдущие измерения, выполненные Wolfspeed. Как и ранее, в ходе этих испытаний не произошло ни одного отказа.
Полученные данные наглядно демонстрируют стойкость диода C3D03060A и всего семейства C3D к dV/dt. Для подтверждения результатов испытаний необходимо провести дальнейшие тесты, однако проведенные измерения уже показали, что диоды Wolfspeed Шоттки C3D способны выдерживать более 300 В/нс. Следующим логическим шагом является проведение аналогичных испытаний диодов Wolfspeed семейства C4D с рабочим напряжением 1200 В, чтобы подтвердить их стойкость к dV/dt.
В качестве испытуемого прибора (DUT) для этих тестов был выбран диод C4D10120A (1200 В, 10 А). Схема испытательной установки показана на рис. 8. Тестовое напряжение VDD в ней установлено на уровне 1000 В. Следует отметить, что схема генератора импульсов должна быть изменена, для того чтобы учесть новую величину VDD, а также тот факт, что номинальное напряжение VRRM = 1200 В у диода C4D10120A вдвое больше, чем у C3D03060A.
Два кремниевых транзистора 2N5551 заменены на один Wolfspeed SiC MOSFET C2M0080120D.
Он быстро включается с помощью импульса, подаваемого на оставшийся в схеме лавинный транзистор 2N5551. Открывание SiC MOSFET-ключа вызывает разряд подключенного к верхней клемме SMD-конденсатора на общий провод, в результате чего обратно смещенный импульс 1000 В прикладывается к испытуемому диоду DUT. Измерение напряжения проводилось с помощью низкоимпедансного резистивного делителя, чтобы минимизировать дребезг.
Как показано на рис. 9, измеренное обратное значение dV/dt составляет 490 В/нс. Это примерно в шесть раз выше типового значения 80 В/нс, приводимого для SiC JBS-диодов с напряжением 1200 В [15]. В ходе испытаний не было выявлено ни одного отказа. Полученные результаты наглядно демонстрируют стойкость к dV/dt JBS-диодов C4D10160A и дают четкое подтверждение надежности всего семейства C4D.
Заключение
Стойкость SiC-диодов Шоттки к воздействию dV/dt является проблемой для многих разработчиков.
Цель данной работы состояла в создании высокоскоростного генератора импульсов, способного подвергнуть тестируемое устройство воздействию импульса с показателем dV/dt, значительно превышающим реальные значения, что необходимо для оценки надежности SiC-диодов Шоттки Wolfspeed семейств C3D и C4D. Диоды Wolfspeed продемонстрировали стойкость к dV/dt, в шесть раз превышающую общепромышленные показатели. Измеренные в ходе тестов значения dV/dt составили 295 и 490 В/нс соответственно. Важно отметить, что в ходе испытаний не произошло ни одного отказа, а значит, фактические возможности диодов Wolfspeed превышают измеренные значения. Во время написания статьи предельные показатели dV/dt для этих устройств остаются неизвестными.
Перевод:
Евгений Карташов;
Андрей Лебедев
dV/dt — что это такое и почему вас это должно волновать?
- ЧРП
Последнее обновление 23 ноября 2021 г.
Проблемы, вызванные ЧРП Использование: Преобразователи частоты (ЧРП) полезны во многих приложениях.
Они могут помочь контролировать скорость и экономить энергию, но также могут создавать проблемы. Один из побочных эффектов, который вам необходимо смягчить, называется dV/dt. Ниже мы расскажем, что это такое, почему вас это должно волновать и как это исправить.
ЧРП создают скачки напряжения, которые проходят через провода к двигателю. Название происходит от уравнения, которое помогает описать явление, дельта (Δ) напряжения / дельта (Δ) времени, где дельта означает «изменение». Проще говоря, dV/dt — это то, как всплесков напряжения искажают и усиливают по длине проводов. Вот почему вам нужно больше беспокоиться о dV/dt, чем длиннее ваши провода от частотно-регулируемого привода к двигателю.
У производителей есть разные рекомендации относительно того, насколько длинным может быть проводник, прежде чем вы начнете беспокоиться о dV/dt. Как правило, для приложений с низковольтными приводами мы склонны говорить, что при длине кабеля более 100 футов следует начинать думать о проблемах dV/dt.
Большинство проводов длиной более 500 футов — это то, где мы не чувствуем себя комфортно, цитируя диск без какой-либо стратегии смягчения dV / dt.
В отличие от проблем с гармониками , коммунальные службы обычно не беспокоятся о dV/dt, потому что все эффекты находятся на стороне нагрузки ЧРП. Если коммунальным службам все равно, то зачем вам? Короче говоря, потому что dV/dt может разрушить обмотки вашего двигателя. Если у вас есть длинные провода от вашего инвертора к двигателю, может быть проще и дешевле добавить устройство смягчения dV/dt, чем постоянно заменять ваши двигатели.
Аналогичным фактором является стоимость замена двигателя . Мы находим много приложений, где стоимость простоя достаточно высока, поэтому устранение риска отказов, связанных с dV/dt, является простым финансовым решением. Довольно часто двигатель в системе изготавливается по индивидуальному заказу, и его нелегко или дешево отремонтировать или найти замену.
Мы также видим некоторые приложения, такие как двигатели в глубоких скважинах, где стоимость физической замены двигателей делает защиту этого двигателя от dV/dt очевидным выбором.
Самый простой способ адресации dV/dt — добавить фильтр dV/dt. Это устройство предназначено для уменьшения скачков напряжения, которые усиливаются на расстоянии от провода. Они, как правило, являются наиболее экономичными вариантами для измерения dV/dt, хотя точная настройка и производительность могут различаться в зависимости от конструкции или производителя.
В ситуациях с гораздо большей длиной кабеля или более высокой вероятностью отказа двигателя может потребоваться более тщательное решение. В этих случаях вам может понадобиться синусоидальный фильтр. Это устройство берет сигнал ШИМ от частотно-регулируемого привода и преобразует его обратно ближе к исходной синусоидальной волне, что значительно снижает риски, связанные с большинством приложений с большой длиной кабеля.
Это решение более дорогое, иногда столько же, сколько сам ЧРП, но является более эффективным решением для устранения dV/dt, когда требуются лучшие результаты.
При решении проблем с dV/dt в вашей системе важно учитывать вашу ситуацию и потребности. Какова длина проводов и какова цена отказа двигателя? Свяжитесь с нами, и мы поможем вам выяснить, что может понадобиться вашей системе для работы с dV/dt.
Статьи по теме ЧРП
Тайлер Симмонс
Региональный менеджер по продажам
Тайлер — региональный менеджер по продажам, специализирующийся на ЧРП, двигателях и генераторах. Он является выпускником Университета штата Юта и любит проводить время с семьей и друзьями.
Свяжитесь с нами, используя эту форму
, или позвоните нам по телефону 1-800-800-2261, чтобы получить ответы на ваши технические вопросы. Наши специалисты по двигателям и приводам имеют более чем 30-летний опыт работы.
Мы знаем моторы и приводы!
Категории
КатегорииВыберите категориюЭлектробезопасностьИнструкции по видеоМоторИстории успехаПанель VFDVFDПоиск:
Фильтры DV/DT
Конфигуратор продукта и чертежи
Определение продукта
Фильтры HPS dV/dT специально разработаны для использования между частотно-регулируемыми приводами (VFD) и двигателями, когда используются кабели большей длины.
Фильтр dV/dT HPS Centurion™ D1 сочетает в себе индуктор и параллельную сеть резисторов для подавления как высокочастотных составляющих, так и скачков напряжения между ЧРП и двигателем. D1 может смягчить воздействие напряжения отраженной волны в большей степени, чем это может сделать только реактор. Фильтр D1 обеспечивает защиту двигателя, замедляя скорость роста напряжения и минимизируя вредные пиковые напряжения, возникающие в обмотках двигателя и по длине кабелей, питающих двигатель.
Станьте свидетелем тестирования HPS Centurion D1 в режиме реального времени в лаборатории HPS Power Quality.
Узнайте больше здесь.
Принцип действия
Термин «dV/dT» относится к изменению напряжения во времени. Что касается ЧРП, dV/dT объясняется как быстрое изменение напряжения в начале или конце прямоугольных импульсов, которые составляют широтно-импульсно-модулированный (ШИМ) выход ЧРП, который питает двигатель. Когда импульсы прямоугольной формы проходят по электрическому кабелю к двигателю, различия в импедансе между кабелем и обмотками двигателя вызывают «отражение» некоторой энергии в импульсе. В приложениях, где расстояние между двигателем и частотно-регулируемым приводом велико, напряжение двух импульсов может объединяться в обмотках кабеля или двигателя. Это создает состояние высокого напряжения, вдвое или более превышающего напряжение на шине постоянного тока частотно-регулируемого привода. В приложениях с длинными кабелями между ЧРП и двигателем могут возникать пиковые напряжения до 1600 В в системе 480 В и до 2100 В в системе 600 В. Эти высокие пиковые напряжения приведут к выходу из строя обмотки двигателя и преждевременному выходу из строя изоляции двигателя, что приведет к простою и упущенной выгоде.
