Analityczny opis łączeniowych strat energii w wysokonapięciowych tranzystorach MOSFET pracujących w mostku

Transkrypt

1 Pior GRZEJSZCZK, Roman BRLIK Wydział Elekryczny, Poliechnika Warszawska doi: / naliyczny opis łączeniowych sra energii w wysokonapięciowych ranzysorach MOSFET pracujących w mosku Sreszczenie. W pracy przedsawiono analiyczny opis łączeniowych sra energii w łącznikach z wysokonapięciowymi ranzysorami MOSFET, pracującymi w opologii moskowej. nalizie poddano sray energii przy załączaniu wardym i miękkim, a akże przy załączaniu małego prądu obciążenia i przy pracy bez obciążenia. W opisie uwzględniono wpływ pasożyniczych pojemności złączowych i zewnęrznych pojemności elemenów półprzewodnikowych a akże pasożyniczą pojemność odbiornika. Do wyprowadzenia zależności określających sray energii w łącznikach z ranzysorami MOSFET, wykorzysano zasadę zachowania ładunku i energii. Orzymane zależności maemayczne wykorzysują wielkości dosępne w kaalogach lub do określenia kórych wysarczą prose esy eksperymenalne. bsrac. This paper presens an analyical descripion of he swiching energy losses in high volage MOSFETs used in he H-bridge converers. The energy losses in hard- and sof- swiching and under boh wih ligh load and wihou load were analyzed. In he analyical model he parasiic juncion capaciance, exernal capaciance of he semiconducors, and equivalen parasiic capaciance of he load were aken in he accoun. By obeying conservaion of energy and conservaion of elecric charge laws during he analyical invesigaions he equaions describing he energy losses are derived. The mahemaical formulas ha are provided by his research can be used for deermining he swiching losses generaed in he semiconducor devices using parameers from manufacurers caalogues. (nalyical descripion of he swiching losses in high volage MOSFET H bridge). Słowa kluczowe: MOSFET, sray energii, warde załączanie, pojemności pasożynicze. Keywords: high-volage MOSFET, swiching losses, hard-swiching, parasiic capaciance. Wprowadzenie Spoykany w lieraurze sposób opisu łączeniowych sra energii w ranzysorach mocy polega na analizie przebiegów warości chwilowych napięcia i prądu łącznika w sanach dynamicznych, rejesrowanych podczas ypowych esów dwupulsowych [1, 2] (rys. 1). i, u, p E on i d u ds E off on off Rys. 1. Uproszczone przebiegi napięcia, prądu i mocy chwilowej ranzysora MOSFET z zaznaczeniem energii wydzielanej podczas załączania i wyłączania zgodnie z klasycznym opisem sra prezenowanym w lieraurze Przebiegi napięcia i prądu w sanach dynamicznych w wysokonapięciowych ranzysorach MOSFET, charakeryzujących się dużymi pojemnościami pasożyniczymi, mają silnie oscylacyjny charaker. W związku z ym, nie można w sposób precyzyjny na ich podsawie wyznaczyć energii rozpraszanej w srukurze półprzewodnikowej, a ym bardziej określić części doyczącej sra załączania i wyłączania ranzysora [3]. Wiarygodny opis zmian energii w sanach dynamicznych łączników może być dokonany z zasosowaniem zasady zachowania ładunku i energii w obwodzie zawierającym pasożynicze elemeny inercyjne łącznika i pozosałych podzespołów przekszałnika [4]. Ze względu na paramery rozparywanej klasy ranzysorów MOSFET (wysokie napięcie i sosunkowo niewielkie prądy: 6-12 V / 1-2 ), w przedsawionym opisie analiycznym nie uwzględniono wpływu pasożyniczych indukcyjności połączeń, gdyż energia w nich gromadzona jes pomijalnie mała (< 1 µj). naliyczny opis energii w gałęzi dwułącznikowej a) c) C 1 u = U 1 i C 1 C 1 = = S 2 = R 2 Rys. 2. Schemay zasępcze gałęzi dwuranzysorowej przedsawiające rozmieszczenie i przepływ ładunku przed komuacją (a), w rakcie komuacji ( i po komuacji (c);, rezysancje kanałów ranzysorów PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 91 NR 9/215 41

2 nalizie poddano ypowy obwód jaki wysępuje w przekszałnikach moskowych, półmoskowych i bezpośrednich serownikach napięcia sałego, zawierający gałąź złożoną z dwóch ranzysorów MOSFET i diod zwronych, podłączoną do źródła napięcia sałego (rys. 2). Do wyznaczenia energii raconej podczas przełączania ranzysora z zasosowaniem zasady zachowania energii, należy określić warości energii zmagazynowanej w pojemnościach układu przed (E pocz ) i po komuacji (E kon ), oraz energię dosarczoną do układu (E ). Bilans energii dla układu z rysunk może być opisany nasępującą zależnością [5]: (1) E pocz kon sw przy czym: E sw energia racona w łączniku w wyniku procesów komuacyjnych. Wykorzysując ogólne zależności na energię w nieliniowej pojemności oraz na energię dosarczoną ze źródła o sałym napięciu, orzymuje się: (2) E sw u1c1( u )du S 2 u2c 2 ( u ) du gdzie: C 1, zasępcze pojemności ranzysorów w łącznikach, ładunek zgromadzony w łączniku S 2. Rys. 3. Załączanie górnego ranzysora MOSFET w gałęzi dwułącznikowej: a) warde załączanie prądu odbiornika; załączanie prądu o małej warości; c) miękkie załączanie prądu odbiornika a) C ob,z Cd1( id1) ( ) C 1 i D1 C 1 ( u,i) C odb odb. ( ) i D2 C d2 ( i ) D2 ( u,i) u odb Rys. 4. Gałąź z dwoma łącznikami złożonymi z ranzysorów MOSFET i diod zwronych: a) schema zasępczy gałęzi z uwzględnieniem pojemności pasożyniczych łączników (warde załączanie w łączniku ); uproszczony schema zasępczy układu moskowego z pasożyniczą pojemnością odbiornika Twarde załączanie ranzysorów MOSFET W przypadku gałęzi dwułącznikowej współpracującej z elemenem indukcyjnym (dławik, ransformaor) bezpośrednio przed wardym załączeniem ranzysora MOSFET przewodzi dioda zwrona łącznika komplemenarnego. W schemacie zasępczym łącznika (rys. 4a) musi być zaem uwzględniona nieliniowa pojemność dyfuzyjna C d, wysępująca w modelu dynamicznym diody ypu PiN [6]. Pojemność a wynika z właściwości złącza PN, polegającej na gromadzeniu ładunku przejściowego (wsecznego) rr. Kompleny model gałęzi dwułącznikowej przyjęy do analizy wardego załączania ranzysora MOSFET w łączniku przedsawiono na rysunku 4, przy czym na rysunku 4b dodakowo uwzględniono pasożyniczą pojemność odbiornika indukcyjnego C odb (np. pojemność międzyzwojową ransformaorów, dławików ip. [7]). Pojemności łączników i można przedsawić w posaci sum odpowiednio rzech i dwóch składników (3) ( u,i ) C C ( u ) C ( i ), C1 ob,z oss1 d 1 (4) ( u,i ) C ( u ) C ( i ) C2 d 2 gdzie: C ob,z pojemność pasożynicza obudów ranzysorów MOSFET; C oss1 i C nieliniowe pojemności wyjściowe ranzysorów MOSFET; C d nieliniowa pojemność dyfuzyjna diody, zależna od prądu diody. 42 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 91 NR 9/215

3 a) C ob,z ob,z C R oss1 1 C odb i odb Codb oss1 rr2 R C d2 odb. i D2 u D 2 2 u,i u,i i odb i i E sw rr2 + + c odb Rys. 5. Twarde załączanie górnego ranzysora MOSFET: a) rozpływ ładunku w gałęzi; przebiegi napięć i prądów w obydwu łącznikach podczas komuacji Na rysunku 5 przedsawiono rozpływ ładunku w gałęzi podczas załączania ranzysora górnego. Energia począkowa układu jes równa sumie energii zmagazynowanej w pojemnościach nieprzewodzącego łącznika, na kórym wysępuje napięcie bliskie napięciu źródła zasilania, oraz energii w zasępczej pojemności odbiornika (E Codb ) ak, że E (5) pocz oss1 ob,z Codb Po przełączeniu energia jes zmagazynowana w łączniku oraz w pojemności odbiornika E (6) kon Codb Pojemność dyfuzyjna wysępuje ylko podczas przewodzenia diody zwronej łącznika, zn. gdy napięcie na nim jes bliskie zeru. Można zaem przyjąć, że energia zgromadzona w ej pojemności jes pomijalnie mała i nie musi być uwzględniana w równaniach (5) i (6). Ładunek przepływający przez kanał górnego ranzysora wynosi (7) ob,z oss1 Energia dosarczona ze źródła w czasie komuacji jes związana z ładunkiem wynikającym z przeładowania pojemności łącznika dolnego (wyłączanego), w ym pojemności dyfuzyjnej diody D 2 oraz pojemności pasożyniczej odbiornika (8) rr2 Codb Energia dosarczona ze źródła do układu może być wyrażona wzorem (9) E U ( rr2 Codb ) W opologii moskowej napięcie na odbiorniku zmienia się od do +, a więc (1) Codb Codbdu 2CodbU U Wykorzysując zasadę zachowania energii, na podsawie wzoru (1), energię raconą przy przełączaniu można wyrazić zależnością (11) E ( )U sw oss1 ob,z rr 2 Codb Przy założeniu idenycznych paramerów zasosowanych łączników ( oss1 = ) oraz pomijając energię związaną z pojemnością obudów (przy ypowych przekładkach ceramicznych między łącznikami a radiaorem, pojemność C ob,z ma warość rzędu kilkunasu pikofaradów ak, że energia E ob,z jes bardzo mała), zależność (11) upraszcza się do posaci (12) Esw ( rr2 Codb ) Z zależności (12) wynika, że energia racona w procesie komuacji, w kórej prąd płynący doychczas przez diodę jednego łącznika zaczyna płynąć przez kanał ranzysora łącznika komplemenarnego (warde załączanie ranzysora), zależy od ładunków gromadzonych w pasożyniczych pojemnościach ranzysora MOSFET i diody zwronej, kóre są odpowiednio funkcjami napięcia i prądu w gałęzi, a akże pasożyniczej pojemności odbiornika. Sposób wyznaczenia ych wielkości, z wykorzysaniem danych kaalogowych opisano w pracy [5]. W zależności od ypu ranzysora MOSFET, warości napięcia zasilającego oraz rodzaju odbiornika, jeden ze składników wzoru (12) może dominować. W układach zasilanych napięciem powyżej 3 V, przy małych prądach załączania, decydującymi paramerami są ładunek i pojemność wyjściowa ranzysora, przy czym ze względu na jej nieliniowość nie jes ważna warość ej pojemności C oss ( ), ale charaker jej zmian, czyli przebieg funkcji C oss = f(u) wg charakerysyk kaalogowych. Dużą rolę pełni również sposób wykonania odbiornika indukcyjnego (np. płaskie przewody uzwojeń i zasosowanie rdzenia planarnego znacznie zwiększają pasożyniczą pojemność uzwojeń, a ym samym ładunek Codb ). W przekszałniku, w kórym wysępują duże warości prądu załączanego, decydujące znaczenie ma ładunek wseczny diody zwronej rr. W akich przypadkach bardzo ważne jes zwrócenie uwagi na właściwości dynamiczne diod srukuralnych ranzysorów MOSFET lub nawe zasosowanie innej opologii łącznika, np. z diodami zwronymi Schoky'ego, kórych ładunek wseczny jes pomijalny. Miękkie załączanie ranzysorów MOSFET Drugi yp komuacji wysępujący w gałęzi dwułącznikowej doyczy procesu miękkiego załączania ranzysora, podczas kórego sray energii mają bardzo małą warość. Przypadek en odpowiada załączeniu ranzysora przy niewielkim (bliskim zeru) napięciu na łączniku, równym spadkowi napięcia na przewodzącej diodzie zwronej ego łącznika. Na rysunku 6 zilusrowano PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 91 NR 9/215 43

4 proces, podczas kórego ujemny prąd odbiornika (płynący od odbiornika do gałęzi ranzysorowej), płynący począkowo przez przez kanał ranzysora w łączniku zosaje skierowany do łącznika, w kórym w san przewodzenia przechodzi najpierw dioda D1 a nasępnie ranzysor ak, że jego załączenie odbywa się przy napięciu bliskim zeru. Spełniony jes wówczas warunek gdzie I odb warość prądu odbiornika w czasie rwania procesu komuacji, kóra ze względu na bardzo króki czas marwy (< 2 ns) jes warością sałą, = oss1 + ob,z całkowiy ładunek zmagazynowany w wyłączonym łączniku, = całkowiy ładunek porzebny do naładowania pojemności łącznika, dead czas marwy w gałęzi. (13) I odb S 2 dead Codb a) Rys. 6. Rozpływ ładunku w procesie miękkiego załączania łącznika : a) w chwili owarcia łącznika ; w chwili zamknięcia łącznika Prąd odbiornika, spełniający warunek (13), jes w sanie przeładować pojemności pasożynicze gałęzi oraz odbiornika w czasie nie dłuższym niż czas marwy, czyli przed chwilą załączenia ranzysora w łączniku. Napięcie na ym łączniku jes w chwili załączenia bardzo małe, co oznacza, że sray energii mają pomijalną warość. Załączanie ranzysorów przy niewielkim prądzie Szczególnym przypadkiem w odniesieniu do procesu komuacji w gałęzi z ranzysorami MOSFET jes praca bez obciążenia (rys. 2) oraz przełączanie ujemnego prądu odbiornika o bardzo małej warości (rys. 3. W akich warunkach wysępują zwiększone sray energii związane z załączaniem ranzysora przy niezerowej warości napięcia na łączniku, przy czym warość raconej energii jes zawsze mniejsza od sra energii przy wardym załączaniu (w komuacji nie uczesniczy dioda zwrona, a więc ładunek wseczny jes równy zero). naliza pracy ranzysorów MOSFET w ych przypadkach jes więc analogiczna jak w odniesieniu do procesu wardego załączania. Przy pracy gałęzi bez prądu obciążenia, energia począkowa i końcowa zgromadzona w elemenach układu jes określona zależnościami (5) i (6), naomias energia dosarczona ze źródła (9) jes pomniejszona o składnik związany z ładunkiem wsecznym diody. Przy założeniach idenycznych jak w przypadku zależności (12), energia racona w procesie przełączania wyraża się wzorem (14) Esw ( Codb ) W przypadku załączania ujemnego prądu o niewielkiej warości, niespełniającej warunku (13), energia przed i po komuacji jes określona wzorami (5) i (6), naomias ładunek dosarczany ze źródła jes pomniejszony o warość wynikającą z ładunku odprowadzonego przez prąd odbiornika w czasie marwym. Sąd energia racona w wyniku przełączania jes określona wzorem (15) Esw ( rr2 Codb I odb dead ) Należy podkreślić, że przedsawiony opis doyczy procesów łączeniowych w pojedynczej gałęzi układu o opologii moskowej, w kórej napięcie na odbiorniku zmienia się o warość 2. W bezpośrednich serownikach napięcia sałego napięcie na odbiorniku zmienia się od do ak, że ładunek zgromadzony w pasożyniczej pojemności Codb, określony równaniem (1), ma warość dwukronie mniejszą. Wnioski W pracy przedsawiono opis maemayczny łączeniowych sra energii w wysokonapięciowych ranzysorach MOSFET, o znacznych pojemnościach pasożyniczych, będących przyczyną oscylacji przebiegów napięć i prądów łączników, co uniemożliwia dokładne określenie ych sra z wykorzysaniem opisu klasycznego. nalizie poddano łączniki pracujące w jednej gałęzi moska dla różnych sanów dynamicznych: wardego i miękkiego załączania ranzysora oraz przy małym obciążeniu i przy braku obciążenia. Przedsawione zależności zosały wyznaczone z wykorzysaniem zasady zachowania ładunku i energii w układzie, co eliminuje niedoskonałości podejścia klasycznego. Uwzględnione w opisie pasożynicze paramery obwodu są szczególnie isone w układach wysokiej częsoliwości, w kórych sray łączeniowe sają się dominujące ak, że precyzyjne określenie ich warości jes zadaniem kluczowym. Dokładność wyników uzyskanych na podsawie przedsawionego opisu jes uzależniona od dokładności wyznaczenia ładunku i energii gromadzonej w pojemnościach łączników, będących funkcjami silnie nieliniowymi, a akże od dokładności określenia pozosałych pasożyniczych pojemności obwodu (w ym dość znacznych pojemności elemenów magneycznych). 44 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 91 NR 9/215

5 Badania współfinansowane ze środków przeznaczonych na działalność sauową i rozwój młodych pracowników nauki Wydziału Elekrycznego Poliechniki Warszawskiej. LITERTUR [1] Baliga B.J., Fundamenals of Power Semiconducor Devices, Springer, New York, US, 28 [2] Luz J., Schlangenoo H., Scheuermann U., De Doncker R., Semiconducor Power Devices: Physics, Characerisics, Reliabiliy, Springer, Berlin, 211 [3] Xiong Y., Sun S., Jia H., Shea P., Shen Z.J., New Physical Insighs on Power MOSFET Swiching Losses, IEEE Trans. on Power Elecronics, vol. 24 Iss 2, , 29 [4] Kolar J.W. i inni, Exreme efficiency power elecronics, Proc. 7h Inernaional Conference on Inegraed Power Elecronics Sysems, Norymberga, 1-22, 212 [5] Grzejszczak P., Nowak M., Barlik R., naliyczny opis nieliniowej pojemności wysokonapięciowych łączników energoelekronicznych przy wyznaczaniu sra energii, Przegląd Elekroechniczny, vol. 9, no. 11, 74-77, 214 [6] Janke W., Łuczak S., Elemeny półprzewodnikowe, Wyd. Poliechniki Koszalińskiej, Koszalin 212 [7] Massarini., Kaźmierczuk M.P., Self-capaciance of inducors, IEEE Trans. Power Elecron., vol. 12, no. 4, , 1997 uorzy: dr inż. Pior Grzejszczak, Poliechnika Warszawska, Wydział Elekryczny, pl. Poliechniki 1, -661 Warszawa, prof. dr hab. inż. Roman Barlik, Poliechnika Warszawska, Wydział Elekryczny, pl. Poliechniki 1, -661 Warszawa, roman.barlik@ee.pw.edu.pl. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 91 NR 9/215 45