BADANIE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ (IGBT)

Transkrypt

1 Laboratorium Energoelektroniki BADANIE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ (IGBT) Prowadzący: dr inż. Stanisław Kalisiak dr inż. Marcin Hołub mgr inż. Michał Balcerak mgr inż. Tomasz Jakubowski

2 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z własnościami tranzystora IGBT zasilającego odbiornik o charakterze czysto rezystancyjnym R, czynno-indukcyjnym RL pracującego z dołączonym układem odciążającym C, RC, RDC, RLC2D oraz układem odzyskiwania energii. Wstęp teoretyczny Przyrząd ten powstał przez połączenie w obszarze monolitycznego materiału półprzewodnikowego tranzystora bipolarnego z tranzystorem polowym typu MOS. tworzona w ten sposób struktura ma pozytywne cechy obu przyrządów i stanowi atrakcyjny półprzewodnikowy łącznik przydatny do układów o mocy nawet kilkuset kilowatów i pracujący z częstotliwością przełączania sięgającą 3kHz. Maksymalne dopuszczalne wartości blokowanego napięcia przekraczają 6kV, co oznacza pełną przydatność IGBT układach zasilanych z sieci o napięciu skutecznym 4 VAC i wyższym. Prądy znamionowe mogą mieć wartości do 3.3kA. Niezwykle ważną zaletą IGBT jest - przejęta od tranzystora MOS - łatwość sterowania go przez zmianę potencjału izolowanej bramki, co bardzo upraszcza konstrukcję całego urządzenia. Pewną wadą IGBT jest znaczny spadek napięcia występujący na nich w stanie przewodzenia (ok. 2,5V). Jednakże sumaryczne straty mocy w IGBT są mniejsze niż w klasycznym tranzystorze bipolarnym. Kolejną wadą (jak wszystkich półprzewodników krzemowych) jest ograniczona temperatura pracy (do temperatury złącza około 15 o C). Fragment przykładowej pojedynczej komórki tranzystora IGBT przedstawiono na Rys. 1., nie różni się bardzo od tranzystora MOS. O ile w strukturze tranzystora MOS można było wyróżnić diodę zwrotną, o tyle w przypadku IGBT występuje typowa czterowarstwowa struktura tyrystora, który można nazwać pasożytniczym. Rys. 1. Szkic struktury złączowej tranzystora IGBT. E emiter (D dren), C kolektor (S źródło), G bramka Doprowadzenie źródła MOS połączone z kolektorem tranzystora PNP bywa określane wspólnym mianem źródła, natomiast emiter przejmuje nazwę drenu. Należy tu podkreślić, że bardziej rozpowszechnione jest oznaczanie tranzystora IGBT symbolem analogicznym do tranzystora bipolarnego typu NPN, gdzie emiter tranzystora jest oznaczany jako kolektor, natomiast wspólne połączenie kolektora i drenu traktowane jest jako doprowadzenie emitera, jak na Rys. 2.

3 Rys. 2. Symbol graficzny tranzystora IGBT.. Tranzystor MOS steruje prądem bazy tranzystora bipolarnego T PNP zapewniając szybkie załączanie i wyłączanie dużych prądów. Mechanizm przepływu prądu w strukturze IGBT, cechuje fakt, że dominująca część prądu drenu przepływa przez kanał tranzystora MOS. Wyjściowe charakterystyki napięciowo-prądowe IGBT przedstawiono na Rys. 3. Przejście do stanu przewodzenia jest możliwe dopiero po przekroczeniu progowej wartości napięcia sterującego, przy której zacznie otwierać się kanał MOS. Maksymalne napięcie tranzystora CES jest ograniczone ze względu na możliwość lawinowego przebicia w złączu tworzonym przez warstwy P i N -. Rys. 3. Charakterystyki napięciowo-prądowe tranzystora IGBT. Ponieważ struktura złączowa IGBT wykazuje cechy tyrystora, może w niej wystąpić zjawisko tzw. "zatrzaskiwania się" (z ang. latch), co odpowiada załączeniu tyrystora. Następuje utrata sterowności i dopiero przerwanie dopływu prądu drenu (kolektora) spowoduje wyłączenie. Przyczyną powstania tego zjawiska może być przekroczenie dopuszczalnej wartości prądu drenu, a także - w stanach dynamicznych zjawisko rozszerzania warstwy zaporowej złącza wywołane szybkimi zmianami napięcia (efekt du/dt). Zjawisko to jednak występuje rzadko we współczesnych tranzystorach ze względu na sposób ich konstrukcji (technologia Non-Punch Through). Półprzewodnikowe przyrządy sterowane, z uwagi na duże obciążenia prądowe, są szczególnie narażone na uszkodzenia w stanach dynamicznych. Szybko narastające napięcie podczas wyłączania, gdy zwykle przepływa przez nie jeszcze znaczny prąd lub szybko narastający prąd przy załączaniu, gdy napięcie jeszcze nie uległo zmniejszeniu powodują wydzielanie bardzo dużych chwilowych strat mocy. Zjawisko to musi być uwzględniane w zależności od typu przyrządu oraz warunków jego pracy. W przypadku tranzystora IGBT trajektoria punktu pracy przy przełączaniu nie może znaleźć się poza obszarem bezpiecznej pracy określonym przez producenta. Na Rys. 4. została

4 przedstawiona przykładowa trajektoria tranzystora. punktu pracy przy załączaniu i wyłączaniu Rys. 4. Przykładowe trajektoria punktu pracy tranzystora przy załączaniu i wyłączaniu. Na Rys. 5. przedstawiono przykładowe charakterystyki napięcia, prądu i strat mocy podczas załączania i wyłączania tranzystora.

5 Rys. 5. Przebieg napięcia, prądu i strat mocy przy załączaniu i wyłączaniu tranzystora. I rr maksymalny prąd wsteczny diody, L sumaryczna indukcyjność toru prądowego, P on straty podczas załączania, P off straty podczas wyłączania, P p straty w stanie przewodzenia. W celu utrzymania trajektorii punktu pracy przy przełączaniu we właściwych granicach, jak i w celu zmniejszenia łączeniowych strat mocy, stosuje się specjalne obwody złożone z elementów RLC, które zmniejszając stromość narastania prądów i napięć przy przełączaniu powodują zmniejszenie łączeniowych strat mocy w strukturze. Obwody takie nazywają się odciążającymi (ang. snubber). Obwody odciążające poza wspomnianym korzystnym oddziaływaniem na warunki pracy tranzystora dodatkowo powodują ograniczenie poziomu zakłóceń elektromagnetycznych emitowanych przez układ przekształtnika, w związku z dużymi stromościami zmian napięć i prądów wywołanych przełączeniami. Jako negatywne należy ocenić, wywołane obecnością obwodów odciążających, wydłużenie procesów łączeniowych i

6 ograniczenie minimalnych czasów załączenia i wyłączenia prowadzące do deformacji przebiegu napięć i prądów. Na Rys. 6a. i Rys. 6b.. przedstawiono układ pracy tranzystora IGBT oraz wpływ układu odciążającego na pracę tranzystora w procesie wyłączania. E C OFF CE(m) 2 I tf i dt I 2 CE(m) CE(m) c 2 CE(m) C Rys. 6a. Proces wyłączania tranzystora bez obwodu odciążającego.

7 E u OFF d CE I 12 t f 1 C S u tf CE(m) C C I t S i c dt dt 2C I S t 2 Rys. 6b. Proces wyłączania tranzystora z włączonym obwodem odciążającym. Podziału strat energii występujących w układzie podczas wyłączania dokonano między tranzystor a obwód odciążający i wyniki przedstawiono w poniższej tabeli. Na Rys. 7. przedstawiono położenie punktu minimalnych strat łącznych, obejmujących całkowite straty w układzie. C S C S,5C C S C C S 2C E OFF d I d I d I d I % energii traconej w 1% 33,3% 16,8% 8,4% tranzystorze

8 Rys. 7. Podział strat między tranzystor, a obwód odciążający.

9 Przebieg ćwiczenia Poniższy rysunek przedstawia schematyczna budowę układu pomiarowego: Rys. 8. Schematyczna budowa układu pomiarowego. Między punkty A,B,C,D istnieje możliwość podłączenia różnych układów odciążania badanego tranzystora. Charakter obciążenia jest rezystancyjno indukcyjny. Przebiegi prądu tranzystora, diody oraz napięć tych elementów rejestrowane są na oscyloskopie cyfrowym. Istnieje również możliwość zapisania przebiegów oscyloskopu w formie graficznej (konieczny pendrive ). III.I Straty tranzystora bez układu odciążającego Dla napięcia na baterii kondensatorów ustawionego przez prowadzącego, korzystając z wzorów poniżej oraz dokumentacji tranzystora (dostępna na laboratorium), obliczyć straty mocy bez układów odciążających (dla wielkości prądu i częstotliwości zadanej przez prowadzącego). Jednocześnie zapisać na pendrivie przebiegi prądu i napięcia tranzystora podczas wyłączania i załączania. Jako sygnał referencyjny w oscyloskopie zapisać moc strat na załączenie / wyłączenie tranzystora. Teoretycznie straty tranzystora IGBT wyznaczyć można korzystając z podanych poniżej, uproszczonych zależności: 1 Pp IC1 + ( IC 2 IC1 ) D ce( sat) 2 P p straty na przewodzenie, I C1 prąd podczas załączenia, I C2 prąd podczas wyłączenia, T1 D, T

10 gdzie T 1 czas załączenia tranzystora, T okres pracy tranzystora. Straty na przełączenia: Całkowite straty tranzystora: P switch P + P ( E + E ) ( on) ( off ) on P P p + P switch off f Parametry: ce(sat) dla danego, średniego prądu oraz E on, E off należy znaleźć w dokumentacji tranzystora. Pozostałe wartości należy odczytać z oscyloskopu. Korzystając z wyliczonych strat tranzystora oraz danych katalogowych podać, ile procent maksymalnych strat dopuszczalnych aktualnie wydzielanych jest w tranzystorze. I C1 [A] I C2 [A] A B D P cond [W] P p [W] P tot [W] III.II Wpływ układów odciążających Dla układów odciążających udostępnionych przez prowadzącego (RC, RCD, RLC2D, układ rekuperacji energii) dokonać analizy przebiegu mocy podczas załączania / wyłączania tranzystora, przebiegi te porównać z zapisanymi wcześniej sygnałami referencji (tranzystora bez układu odciążającego). Wymagania dotyczące sprawozdania W sprawozdaniu umieścić należy: 1. Schemat stanowiska badawczego 2. Obliczenia z punktu III.I. 3. Analiza i przedstawienie graficzne wyników pomiarów z punktu III.II, na podstawie danych zapisanych podczas laboratorium, opis wad i zalet każdej z badanych metod odciążania tranzystora.