Показатель эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) демпфирующего конденсатора для оценки тепловой усталости IGBT в модуляторах

Показатель эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) демпфирующего конденсатора для оценки тепловой усталости IGBT в модуляторах

Резюме

Модули на базе IGBT выходят из строя чаще, чем любые другие компоненты твердотельного модулятора, составляя 58% всех отказов в полевых условиях. Каждый разряд PFN вызывает в кристалле кратковременный скачок ΔTj, а соединительные провода и слой припоя получают кумулятивные повреждения. Демпфирующий конденсатор с низким ESR уменьшает выброс при выключении и потери при переключении, поэтому ΔTj снижается на 30 К, а срок службы устройства увеличивается в 4 раза. В этой статье представлена ​​модель, диапазон ESR и этапы проектирования.

1. Введение

Чаще всего твердотельный модулятор выходит из строя в месте соединения с переключателем. Данные из сервисных журналов модуляторов показывают, что отказы модулей IGBT составляют 58% от всех отказов, опережая блок звена постоянного тока (17%) и плату драйвера (12%). Модуль пропускает импульсный ток и температурные колебания в одном цикле.

Каждый разряд с частотой 200 Гц вызывает тепловой удар по кристаллу. Устройство проводит ток 200 А в течение 3 мкс, затем ток падает до нуля за 200 нс. Температура кристалла повышается на ΔTj и возвращается к базовому значению в течение 1 мс.

Этот цикл повторяется 200 раз в секунду на протяжении многих лет. В каждом цикле соединительные провода и слой припоя получают небольшие повреждения, и эти повреждения накапливаются до тех пор, пока соединение не разомкнется или не ухудшится теплопроводность.

Демпфирующий конденсатор расположен рядом с устройством и принимает импульс выключения. Его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) определяет как импульс, так и потери, поэтому он определяет ΔTj. В этой статье представлена ​​модель тепловой усталости, диапазон ESR, четыре полевые задачи и этапы проектирования.

2. Основной механизм

2.1 Отношения Коффина и Мэнсона

Количество циклов работы силового модуля подчиняется степенному закону при изменении температуры:

N_f = A · (ΔTj)^(−n)

где N_f — количество циклов до отказа, ΔTj — изменение температуры перехода за цикл, A — материальная константа от 10⁸ до 10¹², а n — показатель степени Коффина-Мэнсона от 5 до 7 для паяного соединения. Показатель степени крутой, поэтому небольшое изменение ΔTj значительно увеличивает срок службы.

Измеренный разброс соответствует кривой: 30 К дают 8.4×10⁶ циклов, 50 К — 1.4×10⁶, а 75 К — 4×10⁵. Каждое снижение на 20 К возвращает от 3 до 5 раз больше срока службы.

2.2 Выброс при выключении, вызванный индуктивностью контура

IGBT-транзистор выключается, переходя в индуктивность контура, и напряжение на коллекторе резко возрастает выше напряжения на шине:

V_peak = V_DC + L_stray · I_C / t_fall

где V_peak — пиковое напряжение коллектора, V_DC — напряжение шины, L_stray — индуктивность контура, I_C — ток коллектора, а t_fall — время спада тока. При 600 В, 150 нГн, 200 А и 200 нс пиковое значение достигает 750 В, что на 25% выше напряжения шины и превышает номинальные параметры устройства.

2.3 Емкость демпфирующего элемента и демпфирование

Демпфирующий конденсатор принимает ток во время спада напряжения и поддерживает его на низком уровне:

C_snub ≥ I_C · t_fall / (2 · V_DC)

где C_snub — емкость демпфирующей цепи, I_C — ток коллектора, t_fall — время спада, а V_DC — напряжение шины. При 200 А, 200 нс и 600 В значение составляет 33 нФ. Затем демпфирующий резистор определяет потери в контуре:

ESR_opt = √(L_stray / C_snub)

где ESR_opt — сопротивление, обеспечивающее затухание петли при критическом демпфировании, L_stray — индуктивность петли, а C_snub — емкость демпфирующего резистора. При 150 нГн и 33 нФ значение составляет 2.13 Ом для петли, которую разделяют конденсатор и последовательный резистор.

2.4 Почему низкий показатель ESR не всегда лучше

При эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) ниже 5 мОм контур практически не затухает. Затем импульс выключения колеблется на частоте контура, и это колебание излучает электромагнитные помехи и создает дополнительное напряжение на устройстве. На этой частоте конденсатор также испытывает более высокий пульсирующий ток.

При эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) выше 200 мОм демпфирующий заряд внутри компонента сгорает. В этом случае напряжение остается близким к напряжению шины, демпфирующий заряд не совершает работы, и ΔTj возвращается к значению без демпфирования. Диапазон от 30 мОм до 50 мОм сдерживает оба эффекта.

Рис. 1 — Количество циклов снижается с 8.4 миллионов при перепаде температур в 30 К до 400 000 при 75 К, а демпфирующий резистор сопротивлением 30-50 мОм поддерживает перепад температур на уровне 45 К.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: ΔTj увеличивается по мере старения теплового пути.

При циклическом изменении мощности слой припоя истончается, поэтому тепловое сопротивление между переходом и корпусом возрастает. Испытание в течение 3000 часов при частоте 200 Гц показало увеличение R_th(jc) с 0.085 К/Вт до 0.094 К/Вт, что составляет 10.6%. В ходе того же испытания было показано увеличение ΔTj с 45 К до 53 К при фиксированной нагрузке.

Проблема 2: Демпфирующий резистор класса II теряет емкость под действием смещения.

В случае микросхемы Y5V при высоком напряжении смещения и частоте значение тока падает до 30% от номинального, поэтому микросхема емкостью 1 нФ ведет себя как 300 пФ на фронте переключения. В этом случае демпфирующий контур потребляет меньше заряда, и перерегулирование возобновляется. Микросхема класса I сохраняет более 98% своего номинального тока при той же нагрузке.

Проблемный момент 3: область демпфирующей петли увеличивает индуктивность.

Демпфирующий контур, расположенный на расстоянии 30 мм от устройства, добавляет 40 нГн дополнительной индуктивности в цепь выключения. В результате перерегулирование возрастает даже при использовании качественного конденсатора. Следует поддерживать площадь цепи менее 1 см² и располагать конденсатор близко к выводам коллектора и эмиттера.

Проблемный момент 4: Первая поломка происходит в 15:00.

Контрольная группа с демпфирующим элементом Y5V показала первый отказ соединительного провода через 1500 часов при ΔTj 68 К. Тот же модуль с демпфирующим элементом класса I проработал 3000 часов без отказов. Отказ происходит в месте соединения, и состояние соединения изменяется в зависимости от ΔTj.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Подберите размер амортизатора, исходя из времени падения.

Возьмите ток коллектора, время спада и напряжение шины и разделите. При 200 А, 200 нс и 600 В ответ получим 33 нФ. Подставьте следующее стандартное значение выше этого и проверьте пульсации тока в соответствии с номинальными характеристиками компонента.

Стратегия 2: Установите ESR на основе импеданса контура.

Разделите индуктивность контура на емкость демпфирующей цепи, затем извлеките квадратный корень. При индуктивности 150 нГн и емкости 33 нФ сопротивление контура должно составлять 2.13 Ом. Используйте HVCT8G часть с сопротивлением от 40 мОм до 50 мОм для доли конденсатора, и толстопленочный резистор при 67 Ом последовательно для обеспечения демпфирования.

Стратегия 3: Согласовать конденсатор с частотой фронта сигнала.

На фронте замыкания находится информация выше 10 МГц. Проверьте емкость на этой частоте, а не на 1 кГц: компонент класса I сохраняет более 98% своего значения, в то время как компонент класса II может сохранять 30%. Установите N4700 часть, где важен край.

Стратегия 4: Управление скоростью переключения с помощью контура управления затвором.

Увеличение сопротивления затвора замедляет включение и снижает скорость восстановления диода в противоположной ветви. Это также увеличивает потери при переключении и ΔTj. Установите сопротивление затвора на 10 Ом для PFN с частотой 200 Гц, затем измерьте одновременно перерегулирование и потери в устройстве.

Стратегия 5: Добавить зажим Миллера и быстродействующий демпфер.

Небольшой конденсатор, подключенный от затвора к эмиттеру, предотвращает паразитное включение во время быстрого фронта коллектора. быстровосстанавливающийся диод В цепи зажима УЗО зажим остается готовым к следующему импульсу. Считывайте импульсный ток с помощью датчика с низкой индуктивностью. резистор выборки на обратном пути.

Стратегия 6: Отслеживание ΔTj в процессе эксплуатации

Измерьте температуру корпуса и импульсный ток, затем вычислите ΔTj по кривой теплового импеданса. Повышение на 15% при фиксированной нагрузке свидетельствует о деградации припоя. Также зарегистрируйте V_ce(sat) и спланируйте замену до того, как оно поднимется на 15%.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Демпферный конденсатор (HVCT8G-102/20 кВ)	1 нФ ±5%	20 кВ постоянного тока, 1 МГц, 1 В среднеквадратичного значения
ЭПР на частоте 1 МГц	от 30 мОм до 50 XNUMX мОм	1 МГц, 1 В среднеквадратичного значения, 25 °C
ESL (корпус дверной ручки)	ниже 4 нГн	Расстояние между клеммами: 25 мм
Емкость демпфирующего элемента C_snub	33 нФ	600 В постоянного тока, 200 А, время спада 200 нс
Резистор демпфирования гасителя R_snub	67 Ω	Демпфирующая петля 150 нГн
Перерегулирование при выключении	10% выше автобуса	600 В постоянного тока, 200 А, время спада 200 нс
Колебания температуры на границе раздела	45 K	200 Гц, 3000 часов испытаний
Резистор затвора (HVR-HTE)	10 Ω	200 Гц, 600 В постоянного тока
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2

5. Компоненты HVC для демпфирующего узла IGBT.

Для этого узла необходимы три компонента, согласованные на фронте переключения: низкопотерный демпфирующий конденсатор, затворный резистор и демпфирующий элемент. Компания HVC производит этот комплект на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, рассчитанном на диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) составляет от 30 мОм до 50 мОм на частоте 1 МГц. Это значение находится в диапазоне между резонансной петлей и неактивным демпфирующим контуром, поэтому перерегулирование уменьшается без высокочастотного резонанса.
• ESL менее 4 нГн. Короткие клеммы и корпус в виде дверной ручки обеспечивают плотный путь выключения, поэтому импульс не попадает на кристалл.
• Стабильность класса I составляет ±30 ppm/°C и менее ±2% в диапазоне напряжений. Емкость на краю не изменяется при нагреве или смещении, поэтому демпфирующая цепь сохраняет свое значение при ΔTj 45 К и 125 °C.
• Распределение ESR составляет менее 5% во всем диапазоне температур. Демпфирование остается постоянным от холодного запуска до нагревания корпуса, поэтому перерегулирование не изменяется в течение дня.
• Координированные компоненты. Резистор затвора HVR-HTE, зажим Миллера на 100 пФ, УЗО. пленочный конденсаторДиоды HVD можно заказать в одном комплекте для демпфирующего контура, затворной петли и ограничителя.
• Данные перекрестной проверки. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и данным о надежности. Vishay а также компоненты класса AVX II, и сравнение режимов работы при включении и выключении питания поставляется вместе с ценовым предложением.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4-8 недель, а комплекты демпфирующих элементов — в течение 6-10 недель, в то время как для импортных брендов этот срок обычно составляет 20-30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в подборе размеров демпфирующих элементов, определении эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), проектировании контура управления и измерении ΔTj.

Отправьте напряжение шины, ток нагрузки, время спада и индуктивность контура. HVC в течение пяти рабочих дней выдаст список комплектующих с номерами деталей, данными ESR и ESL на граничной частоте, а также комплект из двух образцов для оценки.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Насколько сильно ESR демпфирующего контура влияет на срок службы IGBT?

При эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) 50 мОм разница температур ΔTj составляет 45 К, тогда как при 75 К без демпфирующего контура количество циклов увеличивается с 4×10⁵ до 1.6×10⁶. Это четырехкратное увеличение, и каждое снижение ΔTj на 20 К возвращает от 3 до 5 раз больший срок службы устройства.

Вопрос 2: Всегда ли более низкий показатель СОЭ лучше?

Нет. При сопротивлении ниже 5 мОм петля затухает на фронте выключения, излучая электромагнитные помехи и создавая дополнительное напряжение на кристалле. Рабочий диапазон составляет от 30 мОм до 50 мОм, где петля затухает, и заряд демпфирующей цепи все еще достигает устройства.

В3: Как правильно подобрать размер демпфирующего конденсатора?

Из формулы C_snub = I_C · t_fall / (2 · V_DC). При 200 А, 200 нс и 600 В значение составляет 33 нФ. Затем зададим демпфирование из контура: √(L_stray / C_snub) дает 2.13 Ом при 150 нГн и 33 нФ, поэтому подходит последовательная часть на 67 Ом.

Вопрос 4: Почему демпфер класса II теряет свою эффективность?

Емкость микросхемы Y5V падает до 30% от номинального значения при смещении и на высокой частоте, поэтому микросхема емкостью 1 нФ ведет себя как 300 пФ на пределе своих возможностей. Она также теряет емкость при нагреве. Микросхема класса I сохраняет более 98% своего значения при той же нагрузке, поэтому демпфирующая цепь остается предсказуемой.

В5: Что знаменует собой окончание срока службы IGBT-модулей?

Увеличение V_ce(sat) на 15% или R_th(jc) на 50%. 3000-часовой тест при 200 Гц показал увеличение V_ce(sat) на 3.2% и R_th(jc) на 10.6%, что значительно выше предельных значений. ΔTj увеличилось на 17.8% за тот же период, что подтверждает ранее высказанное предупреждение.

В6: Насколько ремонт влияет на среднее время безотказной работы системы (MTBF)?

Срок службы IGBT-транзистора увеличивается с 12 000 до 48 000 часов при использовании демпфирующего контура класса I, а срок службы блока постоянного тока — с 80 000 до 200 000 часов при снижении номинальной мощности на 70%. В результате общий срок службы модулятора достигает 30 000 часов вместо 8 000, что соответствует увеличению в 3.75 раза.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-1, Медицинское электрооборудование — Часть 2-1: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам электронных ускорителейЖенева: МЭК, 2014.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60749-34, Полупроводниковые приборы — Методы механических и климатических испытаний — Часть 34: Циклические нагрузкиЖенева: МЭК, 2010.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Байерер, Р. и др., «Модель для расчета срока службы IGBT-модулей при циклическом изменении напряжения». Надежность микроэлектроникитом 48, с. 1691–1696, 2008.
7. Б. Ван, Дж. Мэн и П. Чжао, Мониторинг состояния старения алюминиевых электролитических конденсаторов в преобразователях частотыIEEE Transactions on Power Electronics, том 37, № 4, стр. 4564-4574, 2022. https://doi.org/10.1109/tpel.2021.3121813
8. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
9. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2003.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com