Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z przełączaniem tranzystora IGBT.

Komutacja

Komutacja IGBT jest szeroko omówiona w bibliografii i była omawiana szczegółowo na laboratorium PPM.

Tranzystor IGBT jako element unipolarno-bipolarny dziedziczy zarówno zalety jak i wady obu typów przyrządów.

	unipolarność	bipolarność
wady	zwiększenie spadku napięcia przy przewodzeniu w porównaniu z tranzystorem bipolarnym	wolniejsze wyłączanie związane z rekombinacją nośników mniejszościowych w szerokiej bazie. ogon prądowy
zalety	łatwe sterowanie napięciowe	możliwość przewodzenia dużego prądu przy niewielkim spadku napięcia

Prąd przepływający przez IGBT ma dwie składowe: prąd dziurowy (mniejszościowy, bipolarny, dyfuzyjny) i prąd elektronowy (większościowy, unipolarny, unoszenia). Po odcięciu kanału składowa unipolarna zanika bardzo szybko (z stałą czasu przelotu przez krótki kanał), tak jak dla tranzystora VDMOS. Składowa bipolarna zanika wolniej w zależności od czasu życia nośników w szerokiej bazie (dla szerokiej bazy decydujące znaczenie ma czas życia nośnika a nie czas przelotu). Pierwsze tranzystory IGBT charakteryzował znaczny ogon prądowy czyli zanikający powoli prąd bipolarny (rys 1).

Wysiłek konstruktorów tranzystorów sprawił, że we współczesnych elementach ogon prądowy jest już znacznie zredukowany. Znaczna redukcja rozmiarów ogona prądowego powoduje jednoczesne pogorszenie parametrów przy przewodzeniu (zwiększenie spadku napięcia na przewodzącym tranzystorze). Wielkość ogona prądowego można regulować redukując czas życia nośników mniejszościowych (przez domieszkowanie złotem lub platyną i przez napromieniowywanie przyrządu) lub zmniejszając współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora bipolarnego PNP. Pierwszy z tych sposobów stosowany jest w tranzystorach PT IGBT. Dzięki odpowiednio dobranemu domieszkowaniu złącza P+/N+ i czasowi życia nośników opracowano elementy o znacznie poprawionym stosunku „szybkość komutacji/spadek napięcia przewodzenia” (rys 2)

Drugi ze sposobów redukcji ogona prądowego stosowany jest w tranzystorach NPT IGBT. Tranzystory tej grupy charakteryzuje znacznie mniejsza amplituda ogona prądowego (kilka procent wartości wyłączanego prądu) niż dla PT.

Dodatkowo warto zauważyć, że czas życia nośników zależy w większym stopniu od temperatury niż współczynnik wzmocnienia prądowego. Gdy kontroluje się czas życia nośników (pierwszy sposób) energia strat przy przełączaniu rośnie znacznie szybciej niż dla sposobu drugiego. Przy zmianie temperatury od 25 C do 125 C straty mocy przy wyłączaniu wzrastają o 200 – 300 % dla pierwszego sposobu kontroli ogona i o 30 % dla drugiego.

Wielkość ogona prądowego zależy również od maksymalnej wartości blokowanego napięcia. IGBT przeznaczone do większych napięć mają szerszą bazę a przez to mniejszy współczynnik wzmocnienia prądowego.

Oddzielnym problemem jest kontrola szybkości spadku prądu Ic. Zbyt duża stromość jest przyczyną przepięcia przewyższającego napięcie zasilania przy obciążeniu RL. W tym celu należy odpowiednio dobrać rezystor bramkowy RG.

Straty mocy

Z każdym elementem elektronicznym pracującym w charakterze klucza związane są straty mocy. Nie ma elementów idealnych i każdy klucz w obwodzie jest źródłem generacji ciepła w każdym z trzech stanów swojej pracy:

w stanie blokowania (lub zaworowym) – przez element płynie niezerowy prąd nasycenia. W porównaniu z innymi źródłami strat straty przy blokowaniu są najmniejsze i na ogół pomijalnie małe.

w stanie przewodzenia – na przewodzącym elemencie obserwujemy niezerowy spadek napięcia. Im większa wartość rezystancji Ron tym straty w przyrządzie są większe.

w stanie komutacji – czas przełączania jest niezerowy i w jego trakcie przez przyrząd płynie jednocześnie duży prąd i na elemencie obserwujemy duży spadek napięcia.

Cała idea projektowania nowych przyrządów i doskonalenia ich do określonych zastosowań opiera się na właściwym wyważeniu proporcji pomiędzy stratami w przewodzeniu i w komutacji. W większości przypadków łatwo można zmieniać jeden z parametrów kosztem drugiego. To, które straty mocy minimalizować zależy przede wszystkim od częstotliwości pracy układu. Im większa częstotliwość tym straty komutacyjne są większe.

Przy pracy statycznej lub przy niskich częstotliwościach opłaca się stosować elementy o jak najmniejszym spadku napięcia w przewodzeniu (tyrystory, tranzystory bipolarne, IGBT -standard). Przy wysokich częstotliwościach elementy szybkie o krótkich czasach przełączania (IGBT – fast i ultrafast, VDMOS)

Serie tranzystora

Praktyczne wykonanie urządzenia zawierającego tranzystor IGBT wymaga nie tylko wyboru określonego typu przyrządu, ale również określonej jego wersji. Sprzeczne wymagania dotyczące szybkości przełączania i związanych z tym strat komutacyjnych, a rezystancji w stanie przewodzenia i związanych z tym strat przewodzenia sprawiły, że firmy elektroniczne produkują dany element w kilku różnych rodzinach. Ogólnie rozróżniane są trzy typy:

standard (oznaczany na symbolu literą S)

fast (oznaczany na symbolu literą F)

ultrafast (oznaczany na symbolu literą U)

Tranzystory w poszczególnych wersjach różną się przede wszystkim czasem wyłączania i rezystancją w stanie przewodzenia.

W układach przekształtnikowych wymagane jest łączenie szybkich diod prostowniczych do zacisków kolektora i emitera. W sprzedaży dostępne są umieszczone w jednej obudowie w postaci pojedynczego modułu tranzystor IGBT i wyselekcjonowana dioda szybka. Rodziny tych przyrządów oznacza się skrótem FD lub UD.

Schemat układu pomiarowego

┴ + ZASILANIE Pomiar temperatury STEROWANIE TS DZ Rp Rz R1 D C

T – tranzystor IGBT – IRG4BC20S lub IRG4BC20U

Dz – dioda zenera (13V) – 1N535OB

R – potencjometr

C – trymer FT7 – 2.5 – 22 pF

R1 – AX50WR - 50 Ω i 12 W

D – 1N4007

Zadania do zrobienia

Zasilanie 20 V. Generator – 5V w szczycie, 0,5 – współczynnik wypełnienia.

Zbadać przełączanie tranzystora VDMOS i IGBT w wersji standard i ultrafast.

Zbadać zastosowanie diody tłumiącej w obciążeniu dla tranzystora IGBT

Zbadać wpływ rezystora bramkowego na przełączanie IGBT i VDMOS

Zbadać wpływ pojemności bramka-kolektor, bramka-emiter i kolektor-emiter na przełączanie IGBT

Co w sprawozdaniu

Przebiegi prądu i napięcia drenu dla trzech różnych częstotliwości, (gdy oba tranzystory zdążą się przełączyć, gdy przełącza się ultrafast VDMOS i gdy przełącza tylko MOS);

Wykres temperatury obudowy od częstotliwości pracy dla wszystkich tranzystorów

Zanotowane spadek napięcia w przewodzeniu dla wszystkich tranzystorów

Wnioski

Przebiegi prądu i napięcia drenu dla układu z diodą i bez diody w obciążeniu na płycie i z obciążeniem suwakowym.

Wnioski

Przebiegi prądu i napięcia drenu dla układów różniących się wartością rezystora bramkowego (minimum trzech).

Zanotowane czasy przełączania dla każdej konfiguracji.

Wnioski

Przebiegi prądu i napięcia drenu dla układów różniących się wartościami pojemności między elektrodami (minimum trzy pomiary dla każdego sposobu włączenia trymera).

Zanotowane czasy przełączania dla każdej konfiguracji.

Wnioski

Pytania

Narysować konstrukcję tranzystora IGBT

Narysować przebiegi prądu i napięcia w trakcie komutacji dla obciążenie R i RL

Co to jest ogon prądowy?

W jaki sposób można minimalizować wielkość ogona prądowego?

Podać różnice między tranzystorami w wersji standard, fast i ultrafast.

1

Kaminski

2004-09-16T02:54:00