Выбор конденсаторов для пассивных снабберных цепей

При выборе снабберных конденсаторов сразу же по целому ряду причин следует отбросить вариант с электролитическими конденсаторами. У них довольно большая величина эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), из-за чего они перегреваются, и сокращается их срок службы. Они плохо переносят значительные пиковые токи, что также ведет к сокращению срока службы. Кроме того, у них довольно низкая надежность. Не могут похвастаться надежностью и стойкостью к перегреву и танталовые конденсаторы с электролитом MnO2. Их также не следует применять в снабберных цепях.

Для снабберных цепей отлично подходят слюдяные конденсаторы, но они, к сожалению, довольно дороги и, к тому же, их емкость невелика. Эти компоненты применяются лишь в 2-каскадных схемах (см. рис. 3) для сглаживания коротких высоковольтных «иголок» напряжения помех.

Если речь идет о мощных преобразователях с токами в десятки и сотни ампер, то вне конкуренции пленочные конденсаторы. Помимо способности выдерживать большие импульсные токи, в десятки раз превышающие номинальный нормируемый среднеквадратичный ток, к их весьма весомым преимуществам следует отнести способность к самовосстановлению пленки, что заметно повышает безопасность их эксплуатации. При повреждении полимерной пленки из-за электрических перегрузок или механических воздействий в месте повреждения возрастает ток, что приводит к нагреву поврежденного участка и разрушению молекулярной структуры. Таким образом, поврежденный участок изолируется. Отметим также высокие нормируемые напряжения и продолжительный срок службы пленочных конденсаторов. Предпочтительно использовать конденсаторы с полипропиленовой пленкой.

В приложениях, где мощность преобразователя невелика и токи не превышают нескольких ампер, вне конкуренции уже керамические конденсаторы – полипропиленовые компоненты в этом случае явно избыточны, и их габариты соизмеримы с габаритом всего преобразователя, а то и превышают их. При использовании керамических конденсаторов нельзя превышать максимально допустимый ток – в противном случае срок службы конденсатора заметно сократится.

С внедрением в повседневную практику полупроводниковых SiC- и GaN-приборов значительно возросли скорости их переключения, однако максимальную скорость изменения напряжения керамических и пленочных конденсаторов тоже можно ограничить величиной 50 В/нс или чуть выше. Не следует экономить место и выбирать керамический конденсатор меньшего размера – в этом случае он может перегреваться из-за меньшей поверхности охлаждения и, вероятно, его емкость будет в большей мере подвержена влиянию заряда.

К сожалению, зависимость емкости конденсатора от заряда не нормируется производителем и может отличаться у разных производителей даже при одинаковом типе диэлектрика и классе температурной зависимости. С учетом этого обстоятельства при выборе следует отдать предпочтение керамическим конденсаторам известных производителей. Поскольку керамические конденсаторы не могут конкурировать с пленочными по нормируемому напряжению и максимальному импульсному току, приходится составлять целую батарею из керамических конденсаторов, если по каким-либо причинам в преобразователе средней мощности необходимо использовать именно их.

На рисунке 4 показан звон на фронтах переключения SiC MOSFET при разных вариантах снабберной цепи. Как видно из рисунка, наилучший результат получается при использовании керамических конденсаторов благодаря их отличным частотным свойствам. Именно по этой причине производители стараются модифицировать эти компоненты для работы в силовых цепях. Например, компания TDK стала выпускать керамические конденсаторы семейства CeraLink с диэлектриком свинец-лантан-цирконий-титан (PLZT). Новый диэлектрик позволяет увеличить нормируемое напряжение и емкость керамических конденсаторов, но, к сожалению, у них сохраняется та же температурная зависимость, что и у конденсаторов с традиционным диэлек триком. Обратим внимание на сильную зависимость сопротивления ESR этих конденсаторов от частоты. На рисунке 5 приведены частотные характеристики для одной из групп конденсаторов серии FA семейства CeraLink.

На рисунке 6 показано место новых конденсаторов среди конденсаторов остальных типов. Приведем основные параметры серии FA последней новинки семейства CeraLink:

- нормируемые напряжения: 500, 700 и 900 В;

- емкость: 0,5–10 мкФ;

- ESR на частоте 1 кГц: 1–11 Ом;

- ESR на частоте 1 МГц: 3–29 мОм;

- ESL: 2 нГн, 3 нГн;

- нормируемый среднеквадратичный ток при 100 кГц: 8–47 А.

Если вы остановили выбор на пленочных конденсаторах, лучше выбрать специализированные конденсаторы для снабберных цепей. Их производят несколько компаний. На российском рынке наиболее доступна продукция компании Vishay. В ее производственной линейке семейство пленочных конденсаторов МКР386 М специализировано под использование в снабберных цепях. Зависимость импеданса конденсаторов от частоты для конденсаторов с разной высотой корпуса L, а с ледовательно, с разной эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL), приведена на рисунке 7. Основные параметры семейства МКР386 М:

- нормируемые напряжения VNDC: 700–2500 В;

- нормируемые напряжения VRAC: 420–800 В;

- скорость нарастания импульса (макс.): 370–2500 В/мкс;

- емкость: 0,047–10 мкФ;

- нормируемый среднеквадратичный ток при 100 кГц: 6–29 А;

- пиковый ток: 264–1850 А;

- ESR на частоте 100 кГц: 1,5–16 мОм;

- тангенс угла потерь при 100 кГц: 30 ∙ 10–4–75 ∙ 10–4;

- срок службы: не менее 300 тыс. ч;

- рабочая температура корпуса (макс.): 105°C.

Параметры конденсаторов в довольно большой мере зависят от температуры. Например, если температура корпуса не превышает 85°C, амплитуда допустимого импульса перенапряжения, действующего в течение 2 с, достигает 1,6VNDC, а при температуре выше 85°C эта величина уменьшается до 1,1VNDC.