LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW I UKŁADÓW MOCY. Straty mocy przy pracy łącznikowej Łącznik dolny Symulacja komputerowa przekształtników impulsowych

Transkrypt

1 Poliechnika Łódzka Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Łódź, ul. Wólczańska 221/223, bud. B18 el faks secreary@dmcs.p.lodz.pl hp:// LABORATORIUM PRZYRZĄÓW I UKŁAÓW MOCY Ćwiczenie 6P Sray mocy przy pracy łącznikowej Łącznik dolny Symulacja kompuerowa przekszałników impulsowych Opracowanie ćwiczenia i insrukcji: Łukasz Sarzak Łódź 2018 wer

2

3 Spis reści B Wprowadzenie do ćwiczenia Cel i przebieg ćwiczenia Sray mocy w ranzysorach MOSFET Moc sra i jej składowe a. Isoność sra mocy b. Składowe całkowiej mocy sra Sray sayczne a. San załączenia i san wyłączenia b. Rezysancja w sanie załączenia Sray dynamiczne a. Moc chwilowa i energia wydzielana w sanach dynamicznych b. Obciążenie o charakerze opornika (rezysancyjne) c. Obciążenie o charakerze źródła prądu (indukcyjne) d. Rzeczywise konfiguracje pracy e. Prakyka pomiarowa Przerywacz napięcia sałego Serowanie impulsowe a. Przebieg impulsowy b. Paramery rzeczywisego przebiegu impulsowego Pojedynczy łącznik ranzysorowy jako przekszałnik C-C a. Łącznik dolny b. Przerywacz jako przewornica C oświadczenie Symulacje Uzupełnienie definicji elemenów schemau Analizowany obwód Źródła i elemeny bierne Wpływ częsoliwości pracy na wydzielaną energię Uruchomienie symulacji Chwilowa moc sra w ranzysorze Energia wydzielana w ranzysorze Symulacja dla innych warunków pracy Wyniki Opracowanie i analiza wyników Symulacja kompuerowa Elemeny obwodu Porównanie składowych energii wydzielanej i mocy sra Wpływ częsoliwości przełączania na wydzielaną energię Wpływ częsoliwości przełączania na moc sra E Informacje Wymagana wiedza Przygoowanie do wykonywania ćwiczenia Zakres kolokwium Lieraura Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

4

5 B Wprowadzenie do ćwiczenia 1. Cel i przebieg ćwiczenia Celem ćwiczenia jes zbadanie poszczególnych składowych mocy sra w łączniku półprzewodnikowym oraz ich zmian w funkcji częsoliwości przełączania. Będzie o jednocześnie okazja do zasosowania symulacji kompuerowej do analizy działania przyrządów półprzewodnikowych i układów mocy. Powyższe zagadnienie będzie rozważane na przykładzie konkrenego przyrządu ranzysora MOSFET. Jes o przyrząd o sosunkowo prosym działaniu, dzięki czemu nie będzie konieczne rozważanie zjawisk drugorzędnych. Tranzysor pracować będzie w swojej najprosszej konfiguracji pracy łącznika dolnego, realizując funkcję prosego przekszałnika elekronicznego przerywacza napięcia sałego Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

6

7 2. Sray mocy w ranzysorach MOSFET 2.1. Moc sra i jej składowe 2.1.a. Isoność sra mocy Zjaw wynikające z przekroczenia bezpiecznej warości mocy sra sanowią najczęsszą przyczynę uszkodzeń przyrządów półprzewodnikowych mocy, a w konsekwencji układów elekroniki mocy. Przewidywanie mocy sra jes więc bardzo isonym eapem projekowania każdego układu. W niniejszym ćwiczeniu ograniczymy się do najprosszych ręcznych meod szacowania mocy sra. W meodach ych rakuje się wydzielanie energii cieplnej w sposób makroskopowy, a przyrząd półprzewodnikowy rozważa się jako skupiony (bez wymiarów geomerycznych). Są o uproszczenia pożyeczne, gdyż pozwalają na dokonywanie szybkich szacunków, jednak niekiedy zawodne. W przypadku skomplikowanych problemów z wydzielaniem ciepła, sosuje się modele rójwymiarowe. Pozwalają one na rozparywanie mocy sra i emperaury nie globalnie (makroskopowo), ale w każdym punkcie srukury półprzewodnikowej (podejście mikroskopowe). W en sposób możliwe jes przewidzenie np. lokalnego przegrzewania się srukury. Oczywiście analiza aka możliwa jes wyłącznie z użyciem symulacji kompuerowej. Uproszczone podejście makroskopowe opiera się na mocy czynnej. Z definicji bowiem o właśnie moc czynna charakeryzuje energię elekryczną przewarzaną na inną posać energii. W przypadku sra mocy w przyrządzie półprzewodnikowym mamy do czynienia z energią cieplną. Energia a jes zbędna i niekorzysna zmniejsza sprawność układu elekronicznego i wymusza dodanie elemenów chłodzących. Można ją minimalizować przez odpowiedni dobór przyrządu półprzewodnikowego, sraegii i paramerów serowania oraz opologii całego układu, jednakże nie można jej całkowicie wyeliminować. 2.1.b. Składowe całkowiej mocy sra Tranzysor MOSFET jak każdy przyrząd serowalny posiada dwa obwody: główny i serowania. W każdym z nich płynie (przynajmniej w pewnych odcinkach czasu) prąd przy niezerowym napięciu, co oznacza sray mocy. W obwodzie głównym (drenu) mamy do czynienia z przepływem prądu i od drenu do źródła, kóry wywołuje spadek poencjału u S między ymi końcówkami. Wskuek ego wydzielana jes moc o warości chwilowej a związana z ym moc czynna wynosi p = i u (2.1) S 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

8 8 B 2 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.1.0) 1 1 P = pd = iusd (2.2) T T s T s W obwodzie serowania między bramką a źródłem przepływa prąd i G przy pewnym napięciu u GS, co wywołuje sray mocy wyrażające się wzorami: G s T GS G s p = u i (2.3) 1 1 P G = pgd = ugsigd (2.4) T T s T s Polowy mechanizm serowania sprawia jednak, że jakkolwiek chwilowo prąd bramki może przyjmować znaczne warości moc czynna sra w obwodzie bramki jes nieznaczna. Przepływ prądu rwa bowiem króko względem okresu powarzania impulsów serujących T p. laego uprawnione jes przyjęcie, że P G P i rozważanie odąd wyłącznie sra mocy w obwodzie drenu. W przypadku przyrządów ze serowaniem złączowym rozważenie obwodu serowania jes naomias konieczne: 1º pod kąem bezpieczeńswa samego złącza serującego (maksymalny dopuszczalny prąd i maksymalna dopuszczalna moc sra niekiedy podawany jes w ym celu osobny rysunek obszaru bezpiecznej pracy); 2º pod kąem mocy sra w całym przyrządzie i wynikającej sąd konieczności odprowadzenia większej ilości ciepła. Kolejny podział na składowe wynika z wyróżnienia poszczególnych sanów pracy łącznika półprzewodnikowego (zob. insrukcję 0, par. 4.2). Całkowią energię W o wydzielaną w okresie przełączania T s możemy podzielić na wydzielaną w sanach saycznych (przewodzenia W cond i blokowania W b) oraz dynamicznych (załączania W on i wyłączania W off): sa cond s T s W = W + W (2.5) dyn on b W = W + W (2.6) off W = ( = W + W (2.7) o W Ts ) sa dyn W konsekwencji w całkowiej mocy sra P (P,o) można wyróżnić moc sra saycznych P,sa i moc sra dynamicznych P,dyn: gdzie W ( T ) = P P (2.8) s P =,sa + Ts W,dyn sa P,sa = (2.9) Ts Wdyn P,dyn = (2.10) T s 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

9 Sray mocy w ranzysorach MOSFET B Sray sayczne 2.2.a. San załączenia i san wyłączenia W sanie saycznym (lub przynajmniej quasi-saycznym, czyli w kórym wymuszenie jes wolniejsze niż ranzysor), przy prądzie I i napięciu U S, kóre można uznać za sałe, moc chwilowa sra w obwodzie drenu jes również sała i wynosi p = I U (2.11) la sanu załączenia (przewodzenia) przez co rozumie się pracę z niskim napięciem U S, a więc w zakresie liniowym spadek poencjału na ranzysorze U S może być uznany za proporcjonalny do prądu drenu zgodnie z zależnością S(on) (on) S U = I R (2.12) S(on) gdzie R S(on) jes rezysancją dren-źródło w sanie załączenia (zob. paragraf 2.2.b). Podsawiając (2.12) do (2.11) mamy (cond) I(on) U S(on) I(on) ) (on) (on) S(on) 2 (on) p = ( = I I R = I R (2.13) S(on) Z kolei w sanie wyłączenia (blokowania) ranzysor narzuca prąd drenu. Określa go prąd upływu dren-źródło (ang. drain-source leakage curren) oznaczany zwykle I SS. Wyznacza się go przy zwarciu bramki ze źródłem (U GS = 0), o czym mówi osania liera S w indeksie (od ang. shored zwary ). Z zależności (2.11) mamy więc 2 S(off) U p (b) = U S(off) ISS( U S(off) ) = (2.14) R przy czym prąd I SS rośnie z blokowanym napięciem U S(off) i emperaurą, zaś rezysancja R S(off) spada. Przyjmując serowanie impulsowe impulsami o długości p, okresie T p i współczynniku wypełnienia, oraz zakładając, że czasy przełączania są dużo krósze od p i T p, czasy załączenia cond i wyłączenia b są równe: S(off) cond = p (2.15) b = T (2.16) Wobec ego energia wydzielana w ranzysorze w rozparywanych sanach wynosi p p W (cond) = p(cond) d = 2 I(on) cond cond = I 2 (on) R S(on) T p R S(on) d = I 2 (on) R S(on) cond = I 2 (on) R S(on) p = (2.17) W (b) = p(b) d = b b = U S(off) I SS U S(off) (1 ) T I p SS d = U I S(off) SS b = U S(off) I SS ( T p ) = p (2.18) Podsawiając powyższe do (2.9) i uwzględniając, że okres przełączania T s jes równy okresowi powarzania impulsów serujących T p, mamy 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

10 10 B 2 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.1.0) W + W = ( U I (2.19) (cond) (b) 2, sa = IRS(on) + 1 ) Tp P S(off) Typowy (w rozważanych przez nas aplikacjach) rząd wielkości prądów i napięć o: 1º w sanie załączenia I 0,1 10 A, U S 0,1 1 V, a więc p (cond) 0,01 10 W; 2º w sanie wyłączenia U S V, I 1 µa 100 µa, a więc p (b) 0,01 10 mw. laego eż uprawnione jes przyjęcie p (b) p (cond), a sąd W (b) W (cond) i rozważanie wyłącznie składnika mocy saycznej wynikającej ze sra w sanie załączenia: 2.2.b. Rezysancja w sanie załączenia W P = (2.20) (cond) 2, sa IRS(on) Tp Jak widać ze wzoru (2.20), znaczący wpływ na moc sra saycznych ma rezysancja drenźródło w sanie załączenia. Wielkość a definiowana jes jako SS U Δ S R S(on) = (2.21) I U S 0 innymi słowy jes o odwroność nachylenia charakerysyki saycznej ranzysora w począku układu współrzędnych (U S 0). Rezysancja R S(on) jes silnie zależna od emperaury. Zależność a ma charaker rosnący, co wynika ze spadku ruchliwości nośników w wyniku zwiększenia ampliudy drgań węzłów sieci krysalicznej. Rys. 1. Charakerysyka znormalizowanej rezysancji dren-źródło w sanie załączenia w funkcji emperaury dla ranzysora MOSFET PHP45NQ15T W kaalogach jako charakerysyczną (nominalną) podaje się warość w emperaurze srukury T j równej emperaurze pokojowej 25 C. Jednakże nagrzewanie się srukury półprzewodnikowej podczas pracy jes nieuniknione. Rezysancję przyrządu dla danej emperaury można obliczyć ze wzoru 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

11 Sray mocy w ranzysorach MOSFET B 2 11 R T ) = R (25 C) R ( T ) (2.22) S(on) ( j S(on) S(on)norm j gdzie R S(on)(25 C) jes rezysancją nominalną, zaś R S(on)norm jes rezysancją znormalizowaną (ang. normalized on-sae resisance) j. odniesioną do R S(on)(25 C) dla danej emperaury T j: Δ RS(on) ( Tj ) R S(on)norm ( Tj ) = (2.23) R (25 C) Rezysancję znormalizowaną można odczyać z charakerysyki (w funkcji emperaury) podawanej w karcie kaalogowej. Przykładowy przebieg akiej charakerysyki przedsawia rys. 1. la ranzysora PHP45NQ15T nominalna rezysancja R S(on) wynosi 42 mω, sąd np. dla jego maksymalnej dopuszczalnej emperaury 175 C (z rys. 1 R S(on)norm 2,7), R S(on) = 42 mω 2,7 = 113 mω. S(on) 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

12 12 B 2 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.1.0) 2.3. Sray dynamiczne 2.3.a. Moc chwilowa i energia wydzielana w sanach dynamicznych W sanach dynamicznych prąd i napięcie są zmienne, a ich przebiegi wynikają z wzajemnego oddziaływania przyrządu i obwodu. W ogólności energia wydzielana w sanie załączania i wyłączania (w obwodzie głównym) wyraża się więc całką W (on) = pd = iusd (2.24) Δ W on Δ W on W (off) = pd = iusd (2.25) Δ W off Δ W off gdzie Won i Woff są przedziałami całkowania odpowiadającymi odpowiednio procesowi załączania i wyłączania w odniesieniu do obwodu głównego. Są o więc przedziały, w kórych zmieniają się warości chwilowe przebiegów u S i i. Oddziaływanie przyrządu i jego układu pracy może mieć różny charaker, a przebiegi złożony kszał. Wyprowadzenie prakycznych zależności pozwalających oszacować energię wydzielaną jes możliwe, jeżeli przyjmie się nasępujące założenia upraszczające: 1º napięcie i prąd zmieniają się w czasie liniowo, między zerem a warością maksymalną; 2º układ pracy ranzysora można sprowadzić do modelowego obciążenia o charakerze opornika lub o charakerze źródła prądowego. Rozparzymy eraz kolejno oba e przypadki obciążeń. 2.3.b. Obciążenie o charakerze opornika (rezysancyjne) Przypadek en zosał dokładnie przeanalizowany w insrukcji 3P (podrozdz. 2.4). Jak wynika z ej analizy, zmiany napięcia i prądu podczas przełączania są jednoczesne, łączy je bowiem prosa pracy obwodu rezysancyjnego zasilanego napięciowo sąd określenie obciążenie rezysancyjne (ang. resisive load). Przy założeniu liniowego (jednosajnego) narasania i opadania, przebiegi prądu i napięcia podczas załączania (rys. 2a) opisują zależności: i u I = S (on) r U = S(off) r ( r ) (2.26) przy czym dla uproszczenia wzorów przyjęo, że = 0 w chwili rozpoczęcia załączania. Czas Eon doyczy przełączania w obwodzie głównym. A więc, jak widać na rysunku, w rozparywanym przypadku jes on równy czasowi narasania r. W niniejszym ćwiczeniu nie analizujemy szczegółowo aaku prądowego, ale dla porządku należy u wspomnieć, że czas en można wyznaczyć z ładunku bramki Q G. Moc chwilowa sra podczas załączania wynosi p I(on) US(off) = ius = ( r ) (2.27) 2 Równanie o opisuje w funkcji czasu parabolę o miejscach zerowych = 0 i = r (rys. 2a). Jej warość maksymalna wypada dla r 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

13 Sray mocy w ranzysorach MOSFET B 2 13 dp I(on) US(off) d 2 I(on) U S(off) = ( r ) = ( r 2) d d = r r (2.28) czyli dla = r/2. Wynosi więc ona I U p = p = (2.29) (m) (on) S(off) r r 1 ( r / 2) = I 2 4 (on) US(off) r 2 2 Energia wydzielana podczas załączania jes równa całce z mocy chwilowej, j. polu powierzchni pod przebiegiem p : W r r r (on) S(off) (on) S(off) (on) = pd = ( 2 r )d = 2 0 r 0 r 0 I = U I (on) S(off) 2 r U r 1 [ r ] = I(on) U S(off) r I U ( r 2 )d = (2.30) Analogicznie, dla procesu wyłączania, kórego czas rwania jes równy czasowi opadania f ranzysora, kóry o również może być wyznaczony z ładunku bramki Q G, orzymujemy Wobec ego W (off) = p d = I U (2.31) f 1 6 (on) S(off) f W + W P = ( + f (2.32) (on) (off) 1, dyn = I 6 (on) U S(off) r f ) Tp p a) i b) i I (on) I (on) u S u S U S(off) U S(off) p p I (on) U S(off) W (on) W (off) I (on) U S(off) /4 W (on) W (off) 0 r ri fu = r ru = f fi Won = r Woff = f Won Woff Rys. 2. Idealizowane przebiegi prądu, napięcia i mocy chwilowej oraz energia wydzielana podczas przełączania w ranzysorze MOSFET: a) obciążenie o charakerze opornika; b) obciążenie o charakerze źródła prądu 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

14 14 B 2 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.1.0) 2.3.c. Obciążenie o charakerze źródła prądu (indukcyjne) Przypadek en zosał dokładnie przeanalizowany w insrukcji 3P (podrozdz. 2.5). Jak wynika z ej analizy, podczas załączania ranzysor musi przejąć pełen prąd I (on) narzucony przez układ, a dopiero wówczas napięcie na nim może spaść do niskiej warości charakerysycznej dla sanu przewodzenia (rys. 2b). Z kolei podczas wyłączania spadek prądu do zera może się rozpocząć dopiero po wzroście napięcia do wysokiej warości narzuconej z zewnąrz. Jak widać, zmiana każdej z wielkości fizycznych (prądu / napięcia) odbywa się przy wysokiej warości drugiej z ych wielkości wymuszonej przez obwód zewnęrzny. Z ego powodu proces en nazywany jes przełączaniem wardym (ang. hard swiching). Z analizy rys. 2b wynika, że przy założeniu liniowości zmian prądu i napięcia, moc chwilowa będzie miała kszał rójkąów o ampliudzie p = I U (2.33) (m) (on) S(off) Zwróćmy uwagę, że ampliuda a jes czerokronie wyższa, niż w przypadku obciążenia rezysancyjnego [wzór (2.29)]. Energia wydzielana może być obliczona jako pole rójkąa o wysokości p (m) i podsawie odpowiednio Won lub Woff: W (on) Δ 1 2 = p d = I U Δ (2.34) Won (on) S(off) Won W (off) Sąd moc czynna sra dynamicznych Δ 1 2 = p d = I U Δ (2.35) Woff (on) S(off) Woff W + W = ( f (2.36) (on) (off) 1, dyn I 2 (on) US(off) Δ on Δ off ) T = W + W p P Wynik en jes kilkakronie większy od orzymanego dla obciążenia o charakerze opornika, bowiem zamias współczynnika 1/6 pojawił się współczynnik 1/2, zaś dodakowo czasy Won i Woff nie są już ożsame z czasami r i f. Zmiana prądu i zmiana napięcia dokonuje się u bowiem osobno. Przy ym z definicji czasów r i f wynika, że odpowiadają one odpowiednio opadaniu (czas fu) i narasaniu (czas ru) napięcia u S. Można uznać, że są one akie same, jak w przypadku obciążenia rezysancyjnego. Z kolei, nie wchodząc w szczegóły, dodakowe czasy narasania ri i opadania fi prądu wynikają i mogą być obliczone z ładunku bramki Q GS2. Model źródła prądowego w szacowaniu mocy sra dynamicznych jes sosowany najczęściej, gdyż 1º sale płynący prąd przełączany między gałęziami jes ypowy dla układów o działaniu przełączającym, zaś przełączanie z rys. 2a wysępuje sanowczo rzadziej; 2º wzajemny układ przebiegów prądu i napięcia z rys. 2b jes zasadniczo najgorszym z możliwych, jeżeli pominiemy możliwość wysąpienia przepięć i przeężeń w związku z ym en model przełączania nie grozi niedoszacowaniem sra mocy. 2.3.d. Rzeczywise konfiguracje pracy Jes oczywise, że rzeczywise układy nie są idealne. Wskuek obecności indukcyjności i pojemności pasożyniczych, ranzysor obciążony opornikiem nie wykaże idealnie prosoliniowych przebiegów będących swoim wzajemnym lusrzanym odbiciem, jak również san wyłączania nie będzie lusrzanym odbiciem sanu załączania. odakowo na przebiegach pojawią się przepięcia, przeężenia oraz niezerowe spadki poencjału w sanach usalonych. Niemniej przedsawione wyżej modele idealne sanowią dobre narzędzie do zrozumienia 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej p

15 Sray mocy w ranzysorach MOSFET B 2 15 zachowania się łączników półprzewodnikowych w rzeczywisych układach, a akże do szacowania mocy sra. Isnieją akże zaawansowane konfiguracje pracy, w kórych przebiegi prądu i napięcia przyjmują złożone kszały. Należą do nich: 1) przekszałniki rezonansowe (ang. resonan converers), 2) układy z łumikami (ang. snubbers). W układach akich w skład obwodu mocy oprócz łącznika półprzewodnikowego i odbiornika wchodzą dodakowe elemeny, kórych zadaniem jes korzysna modyfikacja przebiegów prądu i napięcia głównego podczas przełączania. W ych przypadkach wyrażenia na moc sra dynamicznych są skomplikowane i wynikają z zasady działania konkrenego układu. Redukcja mocy sra dynamicznych w łączniku jes częso głównym kryerium wyżej wspomnianej opymalizacji przebiegów. Podsawowym sposobem osiągnięcia ego celu jes wymuszenie mniejszej ich sromości, co określa się mianem łagodnego przełączania (ang. sof swiching). ziałanie ych układów akże daje się w uproszczeniu sprowadzić do jednego z przypadków idealnych (lub obu naraz): 1) przełączania przy zerowym napięciu (ang. zero-volage swiching, ZVS), kórego przykład przedsawiono na rys. 3a; 2) przełączania przy zerowym prądzie (ang. zero-curren swiching, ZCS), kóre zobrazowano na rys. 3b. Jak widać na rys. 3, określenie zerowy sanowi idealizację; w rzeczywisości przełączanie może nasępować przy napięciu lub prądzie niskim (zwykle powoli rosnącym w czasie), ale nie zerowym. a) i b) i I (on) I (on) u S u S U S(off) U S(off) p p W (off) W (on) Rys. 3. Typowe idealizowane przebiegi prądu, napięcia i mocy chwilowej oraz energia wydzielana podczas przełączania w ranzysorze MOSFET w zaawansowanych konfiguracjach pracy: a) wyłączanie przy zerowym napięciu; b) załączanie przy zerowym prądzie 2.3.e. Prakyka pomiarowa Pomiar energii wydzielanej w ranzysorze w sanach dynamicznych (z powodów podanych w par. 2.1.b rozparuje się wyłącznie obwód drenu) wymaga zawsze rejesracji przebiegów i i u S, ich wymnożenia i scałkowania: 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

16 16 B 2 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.1.0) sup(on) sup(on) W (on) = p d = ius d (2.37) inf(on) sup(off) inf(on) sup(off) W (off) = p d = ius d (2.38) inf(off) inf(off) gdzie inf(on) i sup(on) oraz inf(off) i sup(off) są granicami całkowania 1. la umożliwienia prakycznych pomiarów, a jednocześnie sandaryzacji wyników, granice całkowania są określane w oparciu o charakerysyczne warości względne odpowiednich przebiegów ak jak granice sanów dynamicznych niezbędne do wyznaczenia paramerów czasowych (por. insrukcja 3P, podrozdz. 2.6). Według normy IEC , w odniesieniu do energii chwile inf i sup wyznaczone są przez warości względne 10% przebiegów i i u S, jak o zobrazowano na rys. 4. Z powodów podanych w par. 2.3.c, norma nakazuje pomiar paramerów energeycznych przy obciążeniu indukcyjnym. u S,i i u S(r),i (r) 100% u S inf(on) sup(on) inf(off) sup(off) 10% 0% p in(on) in(off) W (on) W (off) Rys. 4. Sposób pomiaru energii wydzielanej w ranzysorze MOSFET w sanach dynamicznych według normy IEC W przypadku makroskopowej charakeryzacji przyrządów półprzewodnikowych mocy przyjęło się (akże w normie) sosować dla energii wydzielanej symbol E. Podobnie jak w insrukcji 0 i w zgodzie z większością opracowań naukowych i podręcznikowych, sosować będziemy jednak symbol W, z dwóch powodów: 1 dla odróżnienia od naężenia pola elekrycznego i 2 dla zachowania spójności z rozdziałami doyczącymi pasm energeycznych i przekazu energii w układach przekszałnikowych Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

17 3. Przerywacz napięcia sałego 3.1. Serowanie impulsowe 3.1.a. Przebieg impulsowy W układach o działaniu łącznikowym, w przeciwieńswie do układów o działaniu ciągłym, przyrząd półprzewodnikowy przez część czasu jes w pełni załączony (z jak najniższym spadkiem poencjału na nim), a przez część w pełni wyłączony (z prawie zerowym przepływem prądu). zięki emu moc sra zosaje znacznie ograniczona. Uzyskanie akiego działania wymaga odpowiedniego serowania, w kórym sygnał serujący nie jes ciągły w czasie, lecz zmienia się skokowo. W serowaniu impulsowym wielkość serująca x (prąd, napięcie) ma posać przebiegu impulsowego (ang. pulse wave). Składa się on z powarzających się okresowo impulsów (ang. pulses), j. odcinków o poziomie wyższym niż spoczynkowy, kórych kszał można w uproszczeniu rozważać jako prosokąny (parz rys. 5a). Przebieg impulsowy opisuje się za pomocą nasępujących paramerów: 1) okres powarzania T p (ang. period of repeiion) o oczywiście najkrószy czas, po kórym przebieg wykazuje powarzalność, a więc jaki upływa np. między począkami kolejnych impulsów; 2) częsoliwość powarzania f p (ang. frequency of repeiion) o odwroność okresu powarzania 1 f p = (3.1) T 3) czas rwania p (ang. pulse widh) o długość grzbieu impulsu; 4) współczynnik wypełnienia impulsów (ang. duy cycle, duy raio) o sosunek czasu rwania do okresu powarzania: 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej p p Δ p = (3.2) T Jak ławo zauważyć, do jednoznacznego opisu przebiegu impulsowego w dziedzinie czasu wysarczy jeden z paramerów 1 2 i jeden z paramerów 3 4. W dziedzinie danej wielkości elekrycznej (prądu lub napięcia), przebieg impulsowy opisują: 5) poziom niski X L (ang. low level) o warość wielkości x odpowiadająca podsawie impulsu (ang. pulse base);

18 18 B 3 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.1.0) 6) poziom wysoki X H (ang. high level) o warość wielkości x odpowiadająca grzbieowi impulsu (ang. pulse op); 7) ampliuda X m (ang. ampliude) o odległość między poziomem niskim a wysokim X m = X X (3.3) H L Jak ławo zauważyć, do jednoznacznego opisu przebiegu wysarczą dowolne dwa z paramerów 5 7. W elekronice mocy bardzo częso spoyka się przebiegi o zerowym poziomie podsawy (X L = 0), dla kórych X H = X m. Ze względu na częsość wysępowania ego przypadku, a jednocześnie znaczne uproszczenie orzymywanych zależności, zwykle w analizie serowania impulsowego przyjmuje się właśnie zerowy poziom podsawy. a) x X H grzbie X m X L podsawa p = T p T p = 1/f p T p b) x X H grzbie X L +90% X m X L +50% X m zbocze narasające (czoło) X m zbocze opadające (spad) X L +10% X m podsawa X L r f p = T p T p = 1/f p Rys. 5. Przebieg impulsowy i jego podsawowe paramery: a) przebieg idealny; b) przebieg o skończonej sromości zboczy 3.1.b. Paramery rzeczywisego przebiegu impulsowego Powyższe paramery opisują w pełni jedynie impulsy idealne. W elekronice mocy najczęściej uwzględnianą cechą rzeczywisego przebiegu impulsowego jes niezerowa długość zboczy (ang. edges). Zbocza e opisuje się za pomocą (zob. rys. 5b): 8) czasu narasania r (ang. rise ime) j. czasu, jaki zajmuje narośnięcie przebiegu od 10% do 90% jego ampliudy, kóry jes miarą czasu rwania zbocza narasającego czyli czoła impulsu (ang. rising edge, leading edge); 9) czasu opadania f (ang. fall ime) j. czasu, jaki zajmuje opadnięcie przebiegu od 90% do 10% jego ampliudy, kóry jes miarą czasu rwania zbocza opadającego czyli spadu impulsu (ang. falling edge, railing edge). Inne nieidealności (np. przerzuy, czas usalania odpowiedzi, flukuacje fazy) nie mają z reguły wpływu na makroskopowe działanie przekszałników modelowych (akademickich, idealnych) Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

19 Przerywacz napięcia sałego B 3 19 laego zosaną one przez nas zaniedbane. Ich uwzględnienie saje się naomias konieczne na eapie opymalizacji układów fizycznych (rzeczywisych), w kórych mogą powodować niepożądane zjawiska mikroskopowe niekorzysnie oddziałujące na całościowe działanie układu Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

20 20 B 3 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.1.0) 3.2. Pojedynczy łącznik ranzysorowy jako przekszałnik C-C 3.2.a. Łącznik dolny Najprosszą konfiguracją pracy łącznika ranzysorowego jes łącznik dolny (ang. low-side swich). Przy jej pomocy zrealizować można najprosszy impulsowy przekszałnik elekroniczny C-C przerywacz napięcia sałego (ang. C volage chopper), kórego schema przedsawia rys. 6. Określenie dolny mówi o usyuowaniu łącznika półprzewodnikowego (na rys. 6 ranzysora Q) względem odbiornika (na rys. 6 opornika R L). W ym układzie łącznik znajduje się od srony niższego poencjału (bieguna ujemnego) źródła zasilania U, a więc na dole względem odbiornika. W przeciwnym wypadku, jeżeli łącznik jes zlokalizowany u góry, j. od srony wyższego poencjału (bieguna dodaniego) źródła zasilania względem odbiornika, mówimy o łączniku górnym (ang. high-side swich). R L u g R G G S Q U Rys. 6. Schema obwodu łącznika dolnego do wykorzysania w symulacjach Nazwa przerywacz opisuje z kolei funkcję realizowaną przez rozważany układ. Jes nim okresowe przerywanie podawania napięcia zasilania na odbiornik. San pracy ranzysora zmienia się zgodnie ze serującym przebiegiem impulsowym u g: 1) kiedy ranzysor jes załączony, rezysancja między jego źródłem a drenem jes niska, dzięki czemu możliwy jes przepływ prądu w obwodzie mocy. Jeżeli przyjąć, że ranzysor jes łącznikiem idealnym, sanowi on zwarcie, a więc na odbiornik R L podawane jes pełne napięcie zasilania U (parz rys. 7a). Zgodnie z prawem Ohma, płynący w obwodzie prąd obciążenia ma warość i u U = o o R = L R (3.4) L 2) kiedy ranzysor jes wyłączony, rezysancja między jego źródłem a drenem jes wysoka, co uniemożliwia przepływ prądu w obwodzie mocy. Jeżeli przyjąć, że ranzysor jes łącznikiem idealnym, sanowi on przerwę w obwodzie. Ponieważ nie płynie prąd, więc zgodnie z prawem Ohma napięcie na oporniku R L jes zerowe (parz rys. 7b): uo = io RL = 0 (3.5) 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

21 Przerywacz napięcia sałego B 3 21 a) b) u o R L u o R L i o i o =0 S U U S S U Rys. 7. Obwód mocy układu przerywacza dla idealnego łącznika półprzewodnikowego w sanie: a) załączenia; b) wyłączenia 3.2.b. Przerywacz jako przewornica Zmiana współczynnika wypełnienia przebiegu u g powoduje zmianę czasu, przez kóry ranzysor jes załączony. Wskuek ego zmienia się warość średnia napięcia wyjściowego (na odbiorniku) u o: Tp p Tp p Tp p Uo(av) = uod uod uod U d 0 d U d 0 T = + = + = + = p T 0 p T 0 p p T 0 p p 0 1 = U p = U T p (3.6) Ponieważ współczynnik przyjmuje warości z przedziału [0; 1], więc rozparywany układ realizuje funkcję obniżania warości średniej napięcia wyjściowego. Jako że warości średniej równa jes składowa sała, o układ en można zaliczyć do grupy przekszałników C-C, j. przewornic prądu sałego. Jes on jednak na yle prosy, że nie zawiera filru wyjściowego. W związku z ym napięcie wyjściowe u o ma w ym przypadku posać przebiegu prosokąnego, a nie sałego (nawe w przybliżeniu). Przekszałcanie energii elekrycznej charakeryzuje moc czynna (zob. insrukcję 0, par. 2.2). Zgodnie z definicją oraz w oparciu o wyniki analizy z par. 3.2.a, dla przerywacza napięcia sałego moc a wynosi Tp Tp p Tp 2 p U 1 U Po = pod uoiod U d 0 d d T = p T = + = = 0 p T 0 p R 0 L T p p R L 0 1 U U = = T R R 2 2 p p L L (3.7) Podobnie jak składowa sała napięcia wyjściowego, moc czynna wyjściowa jes liniową funkcją współczynnika wypełnienia. Zaem zmieniając współczynnik wypełnienia można regulować warość średnią napięcia zasilającego odbiornik, a ym samym jego moc czynną. owodzi o, że analizowany układ fakycznie realizuje funkcję przekszałnika Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

22

23 C oświadczenie 4. Symulacje 4.1. Uzupełnienie definicji elemenów schemau Analizowany obwód Schema obwodu, dla kórego prowadzone będą badania symulacyjne, przedsawia rys. 8. Warość rezysora bramkowego RG wynosi w nim 100 Ω (warość sosunkowo duża, zasosowana dla uwypuklenia obserwowanych efeków). Warości pozosałych elemenów są usalane indywidualnie dla każdego zespołu. RL VG VPULSE RG M V VC Rys. 8. Schema obwodu łącznika dolnego do wykorzysania w symulacjach la ranzysora Q zosanie użyy model elemenu IRF620. Posiada on dwie odmiany, odpowiadający różnym emperaurom pracy pokojowej 25 C oraz maksymalnej 150 C. Modele e zosały oznaczone przez sufiks _xc w nazwie, gdzie x jes warością emperaury w sopniach Celsjusza. Źródło przebiegu serującego u g ma odzwierciedlić rzeczywisy obwód serowania w posaci scalonego serownika bramki IR2117, kórego kara kaalogowa sanowi załącznik do insrukcji. W 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

24 24 C 4 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.1.0) ćwiczeniu dla uproszczenia założymy, że wyjście serownika posiada zerową rezysancję, sąd jego napięcie wyjściowe zmienia się między poziomem 0 V a napięciem zasilania obwodu serowania. Aby poprawnie wyserować bramkę ranzysora Q, zasosowana zosanie u warość 15 V. Źródła i elemeny bierne 1. W środowisku MicroSim uwórz projek ze wsępnym schemaem układu: a) z menu Sar Projekowanie uruchom menedżera projeków (esign Manager) pakieu MicroSim 8; b) w oknie esign Manager uwórz folder nowego projeku: z menu wybierz File New Workspace, w polu Locaion wpisz lub wybierz poprzez przycisk ścieżkę folderu, w kórym ma być uworzony projek zgodną z regulaminem zajęć, kliknij Creae; c) do uworzonego folderu projeku skopiuj plik lacznik_dolny.sch zawierający schema odpowiadający układowi z rys. 8; d) w oknie projeku w programie esign Manager rozwiń lisę Schemaics i dwukronie kliknij na skopiowanym pliku, w wyniku czego powinien on zosać owary w programie Schemaics. 2. Zmodyfikuj nazwy wszyskich elemenów obwodu zmieniając?? na numer zespołu (np. UG99). Wyniki symulacji uzyskane w obwodach z nieodpowiednimi nazwami elemenów będą rakowane jako orzymane niesamodzielnie. 3. Ze srony inerneowej uzyskaj począkową warość częsoliwości przełączania f s,ini. 4. Na podsawie danych podanych w paragrafie 3, uzupełnij schema o paramery elemenów: a) dwukronie klikając na symbolach? obok symboli odpowiednich elemenów, wpisz warości U, R L i R G; b) dwukronie kliknij na symbolu źródła u g i wpisz paramery przebiegu serującego ranzysorem: Środowisko MicroSim umożliwia wprowadzanie liczb wraz z przedroskami jednosek. W przypadku opisu obwodów (m.in. w programie Schemaic) są o: f, p, n, u (oznacza µ), m, k, Meg (oznacza M), G; przy czym wielkość lier nie ma znaczenia. W przypadku programu Probe są o: f, p, n, u, m, k, M, G, przy czym wielkość lier jes znacząca. W akiej formie są eż wyświelane wyniki w programie Probe. Jednosek lub ich przedrosków nie należy oddzielać od liczb spacją. Symulaory z rodziny SPICE posiadają własny język opisu obwodów, w kórym znakiem dziesięnym jes kropka (czyli nie przecinek). Forma en doyczy wszyskich programów pakieu MicroSim, niezależnie od usawień sysemu operacyjnego. PER okres T p kóry należy obliczyć ze znanej częsoliwości f s,ini (parz pk 3); PW czas rwania impulsu p kóry należy obliczyć ze znanej częsoliwości f s,ini i współczynnika wypełnienia (parz par. 3); T czas opóźnienia równy 0; TR czas narasania r równy czasowi narasania r sygnału na wyjściu podanego wyżej serownika bramki, zgodnie z jego karą kaalogową (użyć warości ypowej kolumna yp); TF czas opadania f równy czasowi opadania sygnału na wyjściu serownika (jak wyżej); V1 poziom niski U L równy 0 V (ypowa warość sosowana w celu wyłączenia ranzysora) 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

25 Symulacje C 4 25 V2 poziom wysoki U H równy 15 V (warość gwaranująca załączenie ranzysora z niskim napięciem u ĎS). 5. Wsaw do obwodu ranzysor (menu raw Ge New Par lub Crl+G), korzysając z modelu dla emperaury złącza 25 C i nadaj mu nazwę zgodną z wyyczną z pk Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

26 26 C 4 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.1.0) 4.2. Wpływ częsoliwości pracy na wydzielaną energię Uruchomienie symulacji Pomocne mogą być dosępne na sanowisku insrukcje: do pakieu MicroSim oraz do programu Probe. 1. Zdefiniuj paramery symulacji: a) owórz okno Analysis Seup ikona Seup Analysis (lub menu Analysis Seup); b) wybierz wyłącznie analizę czasową zaznacz pole wyboru obok przycisku Transien, a wszelkie inne pola odznacz; c) kliknij przycisk Transien i usaw: Final Time czas zakończenia analizy aki, by umożliwił zaobserwowanie okresowej pracy układu z częsoliwością uzyskaną w pk. 4.1/3, Prin Sep krok zrzuu wyników do pliku eksowego ponieważ plik eksowy nie będzie wykorzysywany, więc krok powinien być jak największy, ak aby przyspieszyć symulacje, jednak nie może być on większy niż Final Time, Sep Ceiling ograniczenie kroku analizy (odległości między kolejnymi punkami czasowymi) 5 ns (ok. 1/5 czasu przełączania), co pozwoli na uzyskanie odpowiednio wysokiej rozdzielczości przebiegów w sanach dynamicznych, przy jednoczesnym zachowaniu akcepowalnego czasu obliczeń; d) zamknij okna Transien i Analysis Seup; e) z menu wybierz Analysis Probe Seup i usaw: auomayczne uruchomienie programu Probe po zakończeniu symulacji Auomaically run Probe afer simulaion, auomayczne wyświelenie przebiegów oznaczonych znacznikami Show all markers. 2. Na schemacie umieść znacznik prądu (ikona Curren Marker lub menu Markers Mark Curren ino Pin) ak, aby mierzyć prąd drenu ranzysora. Wykorzysany modelu ranzysora MOSFET mocy ma posać podobwodu. Z ego powodu nie jes możliwe przyłożenie znacznika prądowego do końcówek powiązanego z nim symbolu graficznego. laego prąd drenu należy zmierzyć na dowolnym innym elemencie układu, przez kóry zgodnie ze schemaem prąd en również płynie. W przypadku korzysania z funkcji Add Trace w programie Probe, nie należy wykreślać przebiegów wysępujących w podobwodzie sanowiącym model ranzysora. Charakerysyczne dla ych przebiegów jes wysępowanie liery X w nazwie. W oknie Add Trace można e przebiegi ukryć wyłączając opcję Subcircui Nodes. Wśród nich wysępują wprawdzie przebiegi oznaczone I, IG id., są o jednak prądy ranzysora będącego jedynie jednym ze składników modelu, kórego prądy nie są prądami końcówek badanego ranzysora MOSFET mocy. 3. okonaj pierwszej symulacji obwodu: a) uruchom symulację ikona Simulae (lub menu Analysis Simulae); powinien zosać owary program PSpice A/; b) w przypadku błędów, usal i wyeliminuj ich źródło w oparciu o insrukcję do środowiska MicroSim; c) po pomyślnym zakończeniu symulacji powinien zosać uruchomiony program Probe i zosać w nim wykreślony przebieg prądu drenu ranzysora; d) swierdź, czy wybór końcowego czasu symulacji był rafny [parz pk 1.c)]; w przeciwnym razie odpowiednio zmień usawienia symulacji i uruchom ją ponownie; e) jeżeli prąd na wykresie ma niepoprawny znak, uzyskaj poprawny wynik zgodnie z uwagą poniżej Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

27 Symulacje C 4 27 Z opologii obwodu mocy i napięciowego prawa Kirchhoffa wynika, że prąd drenu ranzysora musi być dodani zgodnie z konwencją srzałkowania przyjęą w elekroechnice. Jeżeli znak prądu wyświelanego w programie Probe jes ujemny, o wynika o wyłącznie z przyłożenia znacznika w programie Schemaics do końcówki, kórej prąd jes umownie skierowany przeciwnie niż rzeczywisy prąd drenu w obwodzie. Użykownik nie ma wpływu na srzałkowanie napięć i prądów jes o z góry zdefiniowane w modelach i symbolach elemenów, bez związku z konkrenym obwodem. W akiej syuacji należy skorygować przebieg przez przełożenie znacznika prądowego na przeciwległą końcówkę elemenu w programie Schemaic (powarzanie symulacji nie jes konieczne, jeżeli pakie jes poprawnie zainsalowany i obsługiwany) albo przez dodanie znaku - w definicji przebiegu w programie Probe po dwukronym kliknięciu na jego opisie pod wykresem. 4. odaj na wykres przebiegi napięć: a) wprowadź drugą oś współrzędnych y menu Plo Add Y Axis; dodana oś 2 powinna być wskazana jako akywna znakiem >> w przeciwnym razie należy na niej kliknąć; b) dodając znaczniki poencjału w programie Schemaics ikona Volage/Level Marker (lub menu Markers Mark Volage/Level), na osi 2 wykreśl napięcia: dren-źródło u S, serujące u g oraz bramka-źródło u GS; Korzysanie ze znaczników poencjału jes w ym przypadku możliwe, gdyż zgodnie ze schemaem układu, poencjał odniesienia każdego z powyższych napięć jes zerowy. W przeciwnym razie konieczne byłoby użycie znaczników napięcia (menu Markers Mark Volage ifferenial). c) swierdź, czy obserwowane przebiegi są charakerysyczne dla pracy ranzysora jako łącznika oraz czy serowanie i przełączanie łącznika dokonuje się z częsoliwością i współczynnikiem wypełnienia użyymi w pk. 4.1/4.b) w przeciwnym razie sprawdź poprawność wprowadzenia paramerów obwodu i wybór modelu ranzysora. W razie konieczności powórzenia symulacji, poprzedni widok (układ osi i przebiegów) można przywrócić z menu Tools isplay Conrol, dwukronie klikając na pozycji Las Session, lub wciskając klawisz F12. Chwilowa moc sra w ranzysorze 5. odaj przebieg mocy chwilowej sra: a) dodaj drugi podwykres menu Plo Add Plo; dodany podwykres powinien być wskazany jako akywny napisem SEL w przeciwnym razie należy na nim kliknąć; b) z dolnego wykresu skopiuj przebieg prądu drenu i zaznacz go klikając na opisie pod wykresem (opis powinien zosać podświelony innym kolorem), a nasępnie użyj menu, ikony lub klawiaury w celu wywołania funkcji Kopiuj i Wklej; c) dwukronie kliknij na opisie skopiowanego przebiegu (pod górnym podwykresem) i zmodyfikuj opisujące go wyrażenie maemayczne (Trace Expression) ak, aby wyrażało moc sra w obwodzie drenu ranzysora p (zob. insrukcję 3 A, par. 3.1); zrozumiałe dla programu Probe oznaczenia przebiegów innych niż i należy odczyać z opisu pod dolnym podwykresem; jako że ranzysor jes elemenem rozpraszającym (a nie wywarzającym lub magazynującym) energię, uzyskana krzywa musi przyjmować warości dodanie [jeżeli ak nie jes zob. uwagę pod pk. 3.e)]; Jeżeli w formule wysępuje połączenie znaku mnożenia i minusa, wyrażenie z minusem należy ująć w nawiasy. W przeciwnym razie może wysąpić błąd obliczeniowy, kóry spowoduje zamknięcie aplikacji. d) aby uniknąć przypadkowej uray wyników pracy doyczącej konfiguracji wykresu, zapisz bieżący widok z menu wybierz Tools isplay Conrol, w polu New Name wprowadź nazwę i kliknij Save Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

28 28 C 4 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.1.0) W wypadku późniejszej porzeby przywrócenia zapisanego widoku, należy wybrać jego nazwę z lisy i kliknąć Resore. 6. Z wykresu odczyaj szczyową mocy sra w poszczególnych sanach pracy ranzysora: a) przy pomocy funkcji View Area (ikona na pasku narzędzi lub menu View) powiększ skalę czasu w aki sposób, aby obserwować san załączania ranzysora (por. rys. 9); o powiększania przebiegów w niniejszym ćwiczeniu nie należy wykorzysywać funkcji View In. Wynika o z faku, że przebiegi będą musiały być powiększane przede wszyskim w osi czasu, a w dużo mniejszym (lub żadnym) sopniu w osi Y; ymczasem funkcja View In powoduje skalowanie obu osi w ym samym sosunku. Funkcji View Area najlepiej używać na podwykresie prądów i napięć (a nie na podwykresie mocy i energii). zięki emu bowiem skala mocy i energii zosanie auomayczne dososowana do ich zakresów na powiększonym odcinku czasu. b) włącz kursory ikona Toggle cursor (lub menu Tools Cursor isplay); c) przenieś kursor 1 na przebieg mocy chwilowej p kliknij lewym przyciskiem myszy na symbolu graficznym na lewo od opisu przebiegu pod odpowiednim podwykresem, w wyniku czego wokół symbolu powinna pojawić się ramka; d) korzysając z funkcji View Area i (w celu zmniejszenia skali) View Fi, za pomocą kursora odczyaj (parz rys. 10) szczyową warość chwilowej mocy sra p (pk) (por. rys. 9) w każdym z 4 sanów pracy ranzysora (załączanie, przewodzenie, wyłączanie, blokowanie), przy czym: nie należy brać pod uwagę pierwszych dwóch okresów przełączania, gdyż san symulowanego układu może jeszcze nie być usalony; san pracy należy usalić na podsawie obserwacji przebiegu prądu drenu i ; w sanach saycznych z definicji moc nie zmienia się, więc warość szczyowa jes ożsama ze sałą warością mocy w ych sanach; ze względu na wysępującą w rzeczywisości niewielką zmienność warości mocy w sanach saycznych, odczyu należy dokonywać zawsze pośrodku odcinka czasu odpowiadającego danemu sanowi. p (pk)(off) p (pk)(on) p () W () W =W (on) 110% p (cond) p (cond) p (b) inf(on) sup(on) inf(off) sup(off) inf(on) i u S Rys. 9. Przykład odczyu szczyowych warości chwilowej mocy sra p oraz warości energii wydzielonej W w ranzysorze w poszczególnych sanach pracy 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

29 Symulacje C 4 29 kursor 1 (lewy przycisk myszy) kursor 2 (prawy przycisk myszy) różnica kursor 1 kursor 2 współrzędna x (np. czas) Rys. 10. Znaczenie warości wyświelanych w oknie Probe Cursor współrzędna y (np. napięcie, moc) Energia wydzielana w ranzysorze 7. odaj przebieg energii wydzielonej w ranzysorze: a) na górnym podwykresie (mocy chwilowej) wprowadź drugą oś współrzędnych y i upewnij się, że jes ona akywna [parz pk 5.a)]; b) z pierwszej osi y skopiuj na drugą przebieg mocy chwilowej p zaznacz go klikając na opisie pod wykresem, a nasępnie użyj funkcji Kopiuj i Wklej; c) dwukronie kliknij na opisie skopiowanego przebiegu i zmodyfikuj opisujące go wyrażenie maemayczne ak, aby wyrażało energię W () wydzieloną w obwodzie drenu ranzysora od chwili 0 do chwili (por. insrukcję 0, podrozdz. 2.2) W ( ) = p ( τ ) dτ (4.1) 0 gdzie τ jes pomocniczą zmienną całkowania, kóra dla każdego punku przemiaa oś czasu w przedziale od 0 do ; o obliczania ego rodzaju całki w programie Probe służy funkcja S() zdefiniowana jako S( ) = f ( ) = ( τ )dτ (4.2) g 0 gdzie g może być dowolnym wyrażeniem oparym o przebiegi dosępne w programie Probe. d) zapisz bieżący widok (menu Tools isplay Conrol). 8. Zapisz wykres przy widocznym co najmniej 1 pełnym okresie przełączania ranzysora z menu wybierz Tools Copy o Clipboard, a nasępnie wklej do dokumenu eksowego lub do edyora grafiki i zapisz plik. 9. Przenieś kursor 1 na przebieg energii W () [parz pk 6.c)]. Korzysając z kursora (parz rys. 10), z przebiegu odczyaj warość energii W w 5 chwilach czasowych odpowiadającym (parz rys. 9): począkowi sanu załączania inf(on), końcowi sanu załączania sup(on), począkowi sanu wyłączania inf(off), końcowi sanu wyłączania sup(off), 2018 Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej g końcowi okresu przełączania, j. począkowi sanu załączania w kolejnym okresie inf(on), przy czym (por. rys. 9): z powodów podanych wcześniej nie należy brać pod uwagę pierwszych dwóch okresów przełączania; wszyskie powyższe chwile czasowe muszą należeć do ego samego jednego okresu przełączania;

30 30 C 4 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.1.0) granice sanów dynamicznych należy usalać w oparciu o przebieg mocy chwilowej; począek sanu załączania i koniec sanu wyłączania są wyraźnie widoczne; koniec sanu załączania i począek sanu wyłączania należy naomias określić w oparciu o kryerium osiągnięcia ok. 110% warości mocy w sanie usalonym przewodzenia p (cond), odczyanej w pk. 6; wyniki należy odczyywać z całą dosępną liczbą cyfr znaczących, ak aby zagwaranować odpowiednią dokładność wyników orzymywanych później w drodze odejmowania. Zapisz wykresy w powiększonej skali czasu dla sanu załączania i dla sanu wyłączania ranzysora (dwa osobne obrazy). 10. Oblicz energię wydzieloną w poszczególnych 4 sanach pracy ranzysora. Szukana energia jes różnicą W warości W () między punkami czasowymi odpowiadającymi począkowi i końcowi danego sanu pracy zgodnie ze wzorem (4.1): dla sanu załączania (parz rys. 9) W (on) sup(on) sup(on) = p( )dτ = p( τ )dτ 0 0 inf(on) inf(on) τ p ( τ )dτ = W ( ) W ( ) = ΔW (4.3) sup(on) inf(on) dla sanu przewodzenia W (cond) = W ) W ( ) (4.4) ( inf(off) sup(on) dla sanu wyłączania W (off) = W ) W ( ) (4.5) ( sup(off) inf(off) dla sanu blokowania W (b) = W ) W ( ) (4.6) ( inf(on) sup(off) Symulacja dla innych warunków pracy 11. Uprzednio modyfikując paramery źródła u g [parz pk 3/4.b)], powórz pk dla częsoliwości przełączania: a) f s,ini 5; b) * f s,ini / 5. Wszyskie inne paramery układu w ym współczynnik wypełnienia przebiegu serującego powinny pozosać bez zmian, co powoduje konieczność modyfikacji odpowiedniego parameru źródła Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

31 Wyniki 5. Opracowanie i analiza wyników 5.1. Symulacja kompuerowa Elemeny obwodu 1. Wypełnij część A.1 sprawozdania. Porównanie składowych energii wydzielanej i mocy sra 2. W części A.2 sprawozdania zamieść uzyskane w drodze symulacji wykresy przebiegów u g, u GS, i, u, p, W, zapisane w pk. 4.2/8 11 dla 2 (* 3) częsoliwości przełączania. 3. W abeli w części A.2 sprawozdania zbierz wyniki liczbowe odczyane z przebiegów w programie Probe, dla 2 (* 3) częsoliwości przełączania (pozosałe wiersze pozosaw na razie niewypełnione): energię wydzieloną w poszczególnych 4 sanach pracy W ; szczyową warość mocy chwilowej sra p (pk) w poszczególnych 4 sanach pracy. 4. Oblicz i dodaj do abeli (zob. insrukcję 3 A, podrozdz ): całkowią energię wydzieloną w jednym okresie przełączania W (o); okres przełączania T s; moc czynną sra saycznych P,sa; moc czynną sra dynamicznych P,dyn; całkowią moc czynną sra P. 5. Uzupełnij część A.2 sprawozdania. Wpływ częsoliwości przełączania na wydzielaną energię 6. Wypełnij część A.3 sprawozdania Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

32 32 5 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.1.0) Wpływ częsoliwości przełączania na moc sra 7. Wypełnij część A.4 sprawozdania Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

33 E Informacje 6. Wymagana wiedza 6.1. Przygoowanie do wykonywania ćwiczenia Końcówki i obwody ranzysora MOSFET mocy. (insrukcja 3P, par. 2.2) Przebiegi napięć i prądów podczas przełączania ranzysora MOSFET (łącznie z charakerysycznymi warościami w sanie załączenia i wyłączenia) (insrukcja 3P, par. 2.4) Moc sra w ranzysorze MOSFET (obwód drenu): moc chwilowa (wzór), przebieg mocy chwilowej podczas przełączania, moc sra w sanie załączenia, związek energii wydzielanej z mocą chwilową (par. 2.1, 2.2, 2.3) Serowanie impulsowe paramery przebiegu impulsowego (par. 3.1) Topologia i działanie przerywacza napięcia sałego (par. 3.2) 6.2. Zakres kolokwium 1. efinicja mocy czynnej. Moc sra oraz energia wydzielana w ranzysorze MOSFET (obwód drenu): moc chwilowa (wzór), składowe sayczne (wzór) i dynamiczne (bez wzorów) mocy czynnej, energia wydzielana (wzór). Przebieg mocy chwilowej i energii wydzielanej podczas pracy przełączanej ranzysora (w zesawieniu z przebiegami prądu i napięć). (insrukcja 0, par. 2.2; par. 2.1, 2.2, 2.3; sprawozdanie) 2. Zależność energii wydzielanej i mocy czynnej sra od częsoliwości przełączania: energia i moc całkowia oraz wkład poszczególnych sanów pracy ranzysora jako łącznika półprzewodnikowego, wraz z wyjaśnieniem obserwacji. Paramery isone dla doboru ranzysora do układu pod kąem minimalizacji sra mocy w zależności od częsoliwości przełączania. (sprawozdanie) W przypadku wyników zawarych w sprawozdaniu, należy wziąć pod uwagę wyłącznie aspek jakościowy (wzajemne zależności, charaker zmian), pomijając aspek ilościowy (konkrene warości liczbowe) Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej

34 34 E 7 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.1.0) 7. Lieraura [1] Napieralski A., Napieralska M.: Polowe półprzewodnikowe przyrządy dużej mocy. Warszawa: Wydawnicwa Naukowo-Techniczne, [2] Benda V., Gowar J., Gran. A.: Power Semiconducor evices: Theory and Applicaions. Chicheser: John Wiley & Sons, Łukasz Sarzak, Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych Poliechniki Łódzkiej