Un fenomeno molto importante da tenere in considerazione durante una fase di progettazione è l‟apporto dovuto alle induttanze parassite dei componenti e delle linee di collegamento inevitabilmente presenti nella realtà.
L‟induttanza serie dei condensatori elettrolitici (ESL).
L‟induttanza del cavo o barra di collegamento tra i condensatori elettrolitici e i rami inverter. L‟induttanza al collettore di ogni singolo iGBT.
Tutti questi parametri parassiti del circuito rappresentano un problema nel momento in cui vi circolano correnti impulsive, come ad esempio le correnti di reverse recovery dei diodi di potenza dell‟inverter, detti diodi hard switching.
Si faccia riferimento alla commutazione di un ramo inverter dove, durante la conduzione di corrente, positiva e uscente, da parte del diodo negativo, giunga il comando per pilotare l‟iGBT positivo: la corrente Irr, allo spegnimento del diodo è impulsiva di ampiezza dipendente dalla velocità di commutazione dell‟iGBT che entra in conduzione. In questa situazione le induttanze parassite presenti in serie al ramo inverter genererebbero un impulso di tensione necessario a scaricare l‟induttanza parassita appena caricata: questo impulso può essere dannoso sia per il modulo stesso che per i condensatori elettrolitici.
Per ovviare a questo problema si utilizzano condensatori di snubber a film in polipropilene, posti in parallelo al banco elettrolitico, la cui caratteristica principale è quella di filtrare l‟impulso di tensione generato dalle induttanze parassite durante le commutazioni. Ne segue un ulteriore vantaggio: questi condensatori, avendo valori di ESL ed ESR (alla frequenza di interesse) molto inferiori ai condensatori elettrolitici, durante il verificarsi di una commutazione, sono in grado di coprire gran parte dell‟energia richiesta per lo spegnimento del diodo evitando di assorbire elevati impulsi di corrente dal banco elettrolitico. Una nota importante, da tenere ben presente, è il layout del collegamento tra modulo inverter e condensatore: il condensatore deve essere posto il più vicino possibile ai morsetti di potenza del modulo, così da minimizzare l‟induttanza serie inevitabilmente presente nel collegamento.
Ora si stimerà una possibile condizione verificabile in funzionamento con il modulo inverter scelto per il progetto.
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Le forme d‟onda tipiche durante la commutazione di un diodo di potenza sono le seguenti, mostrate in figura, relative al soft switching e all‟hard switching:
Figura 4.42: correnti nei diodi allo spegnimento in soft-recovery e hard-recovery
I diodi del modulo interessato sono diodi hard switching. Dal datasheet del modulo scelto si apprendono le seguenti informazioni:
Figura 4.43: Caratteristiche del diodo estrapolate dal datasheet del modulo utilizzato
L‟immagine a fianco mostra i valori di trr e di Irr in funzione del valore di corrente diretta, in condizione di temperatura di giunzione a 25°C e a 125°C.
E‟ possibile affermare che durante il range di funzionamento dell‟azionamento, in condizioni peggiorative e a 125°C, il valore di Irr e trr sono stimabili come segue:
𝐼
𝑟𝑟= 100𝐴 𝑡
𝑟𝑟= 250𝑛𝑠
Con questi valori appena individuati e ipotizzando che:
Le forme d‟onda della corrente inversa siano triangolari.
il tempo ta = 150ns e tb = 100ns.74
l‟induttanza parassita Lp = 100nH (ESL del DC link e collegamento con il modulo).
Si stima che l‟impulso di tensione prodotto sia:
∆𝑈
𝐿𝑝= 𝐿
𝑝·𝐼
𝑟𝑟𝑡
𝑏= 100𝑉
Questo valore corrisponde alla sovratensione verificabile in particolari condizioni di commutazione del ramo inverter; impulsi di quest‟ordine, si ripercuoterebbero, oltre che in uscita, anche sui condensatori elettrolitici: i costruttori di condensatori elettrolitici sconsigliano fortemente di provocare impulsi di tensione di queste entità dal momento che, avendo valori di capacità molto elevati, gli stress di corrente sarebbero gravosi. Un ulteriore caso di sovratensione, non continuativo, è in condizioni di elevate correnti dovute ad istanti di malfunzionamento come ad esempio cortocircuiti: in corrispondenza di una segnalazione di cortocircuito, la logica interrompe bruscamente i pilotaggi dell‟inverter e la corrente, ricircolando nei condensatori elettrolitici e nelle induttanze parassite del circuito di collegamento, provocherebbe un notevole overshoot di tensione dal momento che la loro impedenza ESL è elevata.
La scelta di un condensatore a film opportuno si opera nel seguente modo, ipotizzando che ciò che si vuole filtrare sia un segnale puramente sinusoidale, continuo e di frequenza (traccia azzurra nell‟immagine seguente):
𝑓
𝑝= 1
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Figura 4.44: approssimazione della frequenza fondamentale della corrente di reverse recovery del diodo
Si desidera che alla frequenza di interesse, il condensatore imponga un attenuazione opportuna; per ipotesi, si considera che l‟attenuazione sia del 95%, quindi, alla frequenza di oscillazione, si ottiene:
𝐶
𝑠𝑛𝑢𝑏𝑏𝑒𝑟= 1
2𝜋 · 𝑓
𝑝· 0.05Ω≃ 𝟏. 𝟔𝝁𝑭
Si stima il valore RMS di corrente (a 10kHz) nel condensatore a film dovuto alle commutazioni di un singolo ramo inverter in condizione peggiorativa, ovvero il caso peggiore a rotore bloccato:
𝐼
𝐶𝑠𝑛𝑢𝑏𝑏𝑒𝑟= 1
𝑇
𝑠𝑤∗ 𝐼
𝑟𝑟𝑡
2𝑑𝑡
𝑡𝑟𝑟
0
≃ 𝟐. 𝟖𝑨
Si decide quindi di porre un condensatore a film da 2.2µF 1200V 100°C per ogni ramo inverter. Avranno connessioni ad occhiello quindi sarà possibile posizionarli il più vicino possibile ai morsetti del modulo Inverter. Condensatori di questo tipo possono sopportare correnti (a 10kHz) anche oltre i 10Arms.
L‟overshoot di tensione, che si verificherebbe in condizione di protezione di cortocircuito del modulo a 400A, è quindi calcolabile nel seguente modo:
∆𝑈
𝑠𝑛𝑢𝑏𝑏𝑒𝑟= 𝐿
𝑝𝐶
𝑠𝑛𝑢𝑏𝑏𝑒𝑟· 𝐼
𝑝𝑟𝑜𝑡≃ 85𝑉
Dal momento che conoscere l‟induttanza parassita del circuito non è mai immediato, la si stima ipotizzando un valore più alto possibile, come fatto nel dimensionamento appena indicato. Le prove di laboratorio, permetteranno di rilevare l‟overshoot di tensione in commutazione e la temperatura di lavoro di questi condensatori e quindi comprendere se la stima dell‟induttanza parassita è corretta.
Le BUS-bar utilizzate per l‟interconnessione tra condensatori elettrolitici e moduli di potenza hanno una superficie piuttosto ampia e sono ravvicinate tra di loro producendo quindi un effetto capacitivo, anche se limitato, che può giovare proprio in queste condizioni appena descritte. Comunque l‟utilizzo di questi condensatori a film è inevitabile.
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