Układy zabezpieczeń

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z pracą tranzystora IGBT z obciążeniem indukcyjnym i ze sposobami likwidacji przepięć.

Komutacja

Na rysunku 1 przedstawiono przebiegi napięć i prądów podczas wyłączania tranzystora IGBT. Na wykresie prądu zaznaczono gwałtowny spadek prądu ΔIC w chwili t1 a także łagodny ogon prądowy. Ten gwałtowny skok prądu ΔIC w pierwszej chwili wyłączania powoduje, że przy obciążeniu RL tranzystora powstaje na jego kolektorze przepięcie, które może przekroczyć znacznie napięcie zasilania.

Skok ten jest funkcją wartości współczynnika wzmocnienia prądowego αPNP:

ΔIC = Ie = (1 – αPNP)Ic

oraz zależy od wartości prądu kolektora w czasie załączenia.

Dla przyspieszenia wyłączania tranzystora IGBT możliwe jest stosowanie sterowania obwodu bramki napięciem symetrycznym, co poprawia parametry przełączania, jednak w układach o niskich prądach roboczych nie jest to konieczne i ze względu na prostotę i tani kosz układów sterowania stosuje się zasilanie tylko napięciem dodatnim względem masy.

Uszkodzenie tranzystora nie musi się wiązać z jego fizycznym spaleniem, ale na przykład z przekroczeniem obszaru bezpiecznej pracy (SOA). Często przekroczone jest dopuszczalne napięcie kolektor – emiter (VBRCES) na skutek np. przepięć na pasożytniczych indukcyjnościach obciążenia. Wartość szczytową tego napięcia VCESP można wyliczyć ze wzoru:

przy czym: VCESP – wartość szczytowa przepięcia; iC – prąd kolektora tranzystora IGBT;
LS – indukcyjność pasożytnicza.

Jeżeli napięcie VCESP przekroczy wartość napięcia przebicia lawinowego dla danego przyrządu to tranzystor IGBT ulegnie zniszczeniu. W celu ochrony przyrządu stosuje się następujące tłumiki przepięć:

1. tłumik RC jest to najprostszy układ tłumika przepięć. Stosowany w układach o małych prądach roboczych. Wartość rezystancji tłumika musi być mała co powoduje spowolnienie załączania przyrządu.

2. tłumik RCD (charge – discharge RCD snubber). Tłumik ten zawiera dodatkowo diodę, która umożliwia zwiększenie wartości rezystancji tłumika. Jednak straty mocy takiego tłumika są znaczne.

3. tłumik RCD z ograniczonym rozładowaniem (discharge – resistant RCD snubber). Tłumik ten jest stosowany w układach o większej częstotliwości pracy. Straty mocy są znacznie mniejsze niż w poprzednim przypadku.

R C a) Tłumik RC

b) Tłumik RCD

D R C

c) Tłumik RCD z ograniczonym rozładowaniem

C

D

R

Rys. 2 Układy typowych tłumików przepięć komutacyjnych

Rys. 3 Schemat układu aktywnego tłumienia przepięć z diodą Zenera

Odmiennym sposobem tłumienia przepięć jest układ, którego poglądowy schemat przedstawia rysunek 3. Jest to dynamiczny układ z diodą Zenera, który likwiduje przepięcia poprzez spowalnianie wyłączania tranzystora IGBT. Zaletą tego układu jest to, że układ zabezpieczający działa dopiero przy powstaniu przepięcia i spowalnia jego wyłączanie na tyle na ile jest to konieczne do likwidacji tego przepięcia. Układ działa w obwodzie bramkowym nie pobiera więc dużo energii. Na podstawie tego schematu powstał układ, który jest przedmiotem badań na laboratorium NPPM. Zasada działania układu jest następująca: gdy na kolektorze tranzystora pojawia się przepięcie dioda Zenera zaczyna przewodzić prąd i na bramkę tranzystora podawany jest przez impedancję Z dodatni impuls, który spowalnia wyłączenie.

Oscylacje w obwodzie bramki

LG RG RGE T1 Układ sterowania Ze względu na dużą szybkość komutacji tranzystora IGBT w obwodzie bramki mogą powstawać szkodliwe oscylacje. W celu wyeliminowania tego zjawiska należy stosować jak najkrótsze połączenia tak aby indukcyjność LG była najmniejsza. Jeśli stosowanie krótkich przewodów jest niemożliwe lub niewystarczające należy stosować dodatkowe zabezpieczenie składające się z rezystorów RG i RGE tak jak jest to pokazane na rysunku 4. Tłumienie oscylacji zwiększamy poprzez zwiększanie wartości rezystancji RG oraz zmniejszanie wartości rezystancji RGE. Należy jednak pamiętać, że dobór tych elementów nie jest zupełnie swobodny i ma wpływ na inne parametry obwodu klucza. Po pierwsze dzielnik złożony z rezystancji RG i RGE obniża napięcie podawane na bramkę tranzystora IGBT co powoduje że stosunek wartości tych rezystancji jest ograniczony wartością napięcia załączenia tranzystora. W tym przypadku należy zauważyć, że do rezystancji RG dodaje się jeszcze rezystancja wewnętrzna źródła układu sterowania. Ponadto obniżenie poziomu wysokiego napięcia sterującego bramką powoduje (ze względu na skończony czas narastania tego napięcia) wydłużenie czasu załączania tranzystora oraz ryzyko jego „niepełnego” załączenia co w efekcie daje gwałtowny wzrost mocy wydzielanej w tranzystorze i ryzyko zniszczenia przyrządu. Wzrost samej wartości rezystancji RG powoduje spowolnienie procesu komutacji tranzystora ze względu na spadek wartości maksymalnego prądu w obwodzie sterowania bramki.

Rys. 4 Schemat układu zabezpieczenia przeciw oscylacją na bramce tranzystora IGBT

Powyższe wnioski były ideą do zmodyfikowania układu tak aby wyeliminować te wady. Modyfikacja układu polega na zastąpieniu rezystora RGE nieliniową rezystancją tak aby malała ona gwałtownie po przekroczeniu na bramce wartości napięcia ustalonego wcześniej jako poziom wysoki. Powoduje to zwiększenie skuteczności tłumienia oscylacji, które przekraczają wartość poziomu wysokiego napięcia bramkowego oraz zabezpiecza przed pojawieniem się zbyt wysokiego (powyżej 20 V) napięcia na bramce. Jako element nieliniowy ze względu na możliwość łatwej regulacji i dużej nieliniowości użyto tranzystor bipolarny. Schemat tak zmodyfikowanego układu przedstawia poniższy rysunek.

Rys. 5 Schemat zmodyfikowanego układu zabezpieczającego

W powyższym układzie rezystor RG stanowi rezystancja wewnętrzna generatora, rezystory R1 i R2 razem składają się na rezystor RGE (ich suma musi być odpowiednio duża)polaryzując jednocześnie tranzystor T2. Przez tranzystor ten dla stanu wysokiego napięcia sterującego bramki płynie niewielki prąd tak aby napięcie to nie spadło poniżej założonej wartości natomiast wzrost napięcia na bramce powoduje wzrost prądu kolektora tranzystora T2 i tym samym przeciwdziała wzrostowi tego napięcia. Kondensator C1 przyspiesza działanie tranzystora T2 dla krótkotrwałych zmian napięcia sterowania bramki. Cewka L1 symuluje tu indukcyjności połączeń w obwodzie bramkowym.

Wykonywanie ćwiczenia pierwszego

Widok płyty czołowej badanego układu tłumienia przepięć jest przedstawiony na rysunku poniżej:

Rys. 6 Widok płyty czołowej badanego układu.

Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy połączyć układ. W tym celu najpierw podłączamy generator do gniazda wejściowego oraz ustawiamy go na minimalny współczynnik wypełnienia sygnału prostokątnego o częstotliwości 1kHz. Amplituda sygnału wyjściowego generatora powinna wynosić 10 V. Następnie podłączamy napięcia zasilające o wartościach jak na rysunku 3. Prąd pobierany z zasilacza nie powinien przekraczać 0.3 A przy zasilaniu 50 V.

Do wykonania:

należy zdjąć oscylogramy napięcia i prądu kolektora przy wszystkich możliwych kombinacjach podłączenia układu zabezpieczającego jak i bez niego pomierzyć czasy załączania i wyłączania tranzystora

pomiary powtórzyć dla 2 różnych wartości indukcyjności.

zdjąć i porównać oscylogramy bramki dla układu z podłączonym zabezpieczeniem i bez niego.

Sprawozdanie

W sprawozdaniu należy zamieścić:

wyniki pomiarów wraz z oscylogramami

na podstawie wyników ocenić zależność pomiędzy poszczególnymi wartościami impedancji sprzęgających

należy przeprowadzić analizę doboru wartości elementów zabezpieczających do zabezpieczenia układu pracującego w konkretnych warunkach zasilania.

wnioski, spostrzeżenia i komentarze.

Pytania

Narysować konstrukcję tranzystora IGBT

Narysować przebiegi prądu i napięcia w trakcie komutacji dla obciążenia RL

Od czego zależy wartość skoku prądu ΔIC w chwili wyłączania?

Jaki jest mechanizm powstawania przepięcia na kolektorze tranzystora kluczującego?

Jaka są typy tłumików przepięć?

Dlaczego przepięcia w układach z tranzystorami są tak groźne?

Wykonanie ćwiczenia drugiego

Zasilanie C1 C2 R1 T1 T2 R2 L1 +50 V

Rys. 7 Płyta czołowa układu do tłumienia oscylacji w obwodzie sterowania bramki

Widok płyty czołowej układu tłumienia oscylacji w obwodzie bramki tranzystora IGBT przedstawiony jest na rysunku 7

Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy połączyć układ. W tym celu najpierw podłączamy generator do gniazda wejściowego oraz ustawiamy go na minimalny współczynnik wypełnienia sygnału prostokątnego o częstotliwości 1kHz. Amplituda sygnału wyjściowego generatora powinna wynosić 10 V. Następnie podłączamy napięcie zasilające o wartości jak na rysunku 7. Prąd pobierany z zasilacza nie powinien przekraczać 0.3 A przy zasilaniu 50 V.

Do wykonania:

należy zdjąć oscylogramy napięcia bramki i odpowiadające mu oscylogramy napięcia ewentualnie prądu kolektora przy podłączeniu układu zabezpieczającego jak i bez niego pomierzyć czasy załączania i wyłączania tranzystora

pomiary powtórzyć dla 3 różnych wartości pojemności sprzęgającej

Sprawozdanie

W sprawozdaniu należy zamieścić:

wyniki pomiarów wraz z oscylogramami

na podstawie wyników ocenić wpływ pojemności na skuteczność tłumienia oscylacji

należy przeprowadzić analizę doboru wartości elementów zabezpieczających do zabezpieczenia układu pracującego w konkretnych warunkach zasilania.

wnioski, spostrzeżenia i komentarze.

Pytania

Narysować konstrukcję tranzystora IGBT

Jaki jest mechanizm powstawania oscylacji w obwodzie sterowania bramki?

Dlaczego rezystancja szeregowa bramki wpływa na szybkość komutacji?

Na co może wpływać nieprawidłowe zaprojektowanie układu sterowania bramki (moc wydzielana w tranzystorze)?

Jak nie tłumione oscylacje napięcia bramki odbijają się na prądzie kolektora?

8

1

Kaminski

2003-09-14T00:09:00