Polaryzacja wsteczna BJT IGBT MOSFET

Transkrypt

1 Polaryzacja wsteczna BJT CEO: przebicie skrośne bazy (BE) CES: przewodzenie dla UCE > U TO złącza PN (CB) przewodzenie dla U > U TO złącza PN (diody podłożowej) 1E-3 BJT CEO BJT CES MOSFET DSS IGBT-PT CES BJT+D CEO IGBT-PT+D CES 1E-4 1E-5 IR [A] MOSFET IGBT NPT: blokuje napięcie porównywalne z kierunkiem przewodzenia PT: niższe napięcie przebicia z powodu silnego domieszkowania warstwy buforowej B E N+ P N N+ C N N+ D N P+ C P+ C G S N+ P G 1E-6 E 1E-7 N+ P G 1E E N+ P N N+ UR [V] 40

2 Przewodzenie w kierunku wstecznym Przyrządy MOSFET dioda podłożowa nieodłączna od większości struktur (VDMOS, SJMOS, ) BJT i IGBT z monolitycznie scaloną diodą przeciwrównoległą Nieoptymalne parametry Dbody wysokie UF wytworzenie równoległego kanału poprzez bramkę duże trr, Qrr, Irrm dioda zewnętrzna z dezaktywacją diody wbudowanej (obie diody o parametrach lepszych od podłożowej) Zastosowanie równoległa dioda zewnętrzna zabezpieczenie przepięciowe w kierunku wstecznym diody zwrotne w mostkach, półmostkach (przetwornicach, falownikach) z obciążeniem indukcyjnym (L, LC, silniki) 41

3 Parametry znamionowe przyrządu półprzewodnikowego Napięcie znamionowe I rat= Prąd znamionowy (ciągły) P d(rat) = stosowalne bezpośrednio zapas % na przepięcia zależy od warunków chłodzenia jest pochodną mocy dopuszczalnej nominalna Tc = 25 C nierealne (odpowiada nieskończonej przewodności cieplnej) może służyć wyłącznie do zgrubnego doboru oraz porównywania przyrządów między sobą ograniczony przez sterowanie lub doprowadzenia P D(rat) R DS(on) (T j(max) ) (MOSFET) Wynik realistyczny Prąd znamionowy szczytowy R th(j-c) P d(rat) U on (I rat,t j(max) ) I D(rat)= T j(max) T c założenie Tc = 100 C podawany dla niektórych przyrządów albo do obliczenia poprzez chłodzenie należy zapewnić spełnienie warunku Tc 100 C w aplikacji Wzory te dotyczą ciągłego wydzielania stałej mocy 42

4 Zależność mocy dopuszczalnej od temperatury Otoczenia wymaga znajomości parametrów całego toru odprowadzania ciepła (wraz z radiatorem) Obudowy wymaga założenia, że temperaturę uda się sprowadzić do danej wartości (dzięki odpowiedniemu chłodzeniu) Dodatkowe sztywne ograniczenie może wynikać np. z działania wewnętrznego zabezpieczenia prądowego P d(max)= T j(max) T a R th(j-a) P d(max)= T j(max) T c R th(j-c) 43

5 Impulsowe wydzielanie mocy Impuls nieskończony tzn. wystarczający do osiągnięcia stanu ustalonego związek między mocą a temperaturą wyraża rezystancja cieplna T j(max) =T a +P D(rat) R th(j-a) Krótki impuls przy impulsie o amplitudzie PD(rat) osiągana Tj < Tj(max) albo Tj = Tj(max) osiągana przy amplitudzie PD(max) > PD(rat) związek ten opisuje impedancja cieplna T j(m)=t a +Z th(j-a) P d(m) 44

6 Okresowe impulsy mocy Okres powtarzania krótszy od czasu osiągnięcia stanu ustalonego Dla wysokich fs 100 khz impedancja cieplna jest dodatkowo funkcją okresu powtarzania można stosować Rth wraz z mocą średnią Pd(av) T j(pk) T j(av)=t a +R th(j-a) P d(av) T j(pk) =T a +Z th(j-a) (t p, T p) P d(m) Dla średnich fs 10 khz różnica Tj(pk) Tj(av) może sięgać 10% dla zachowania wiarygodności można wprowadzić współczynnik korekcyjny T j(pk) T a +1,1 R th(j-a) P d(av) 45

7 Impedancja cieplna Jest funkcją czasu trwania impulsu i okresu powtarzania (równoważnie: współczynnika wypełnienia) Zth Rth przy tp, D 1 Zwykle w postaci znormalizowanej Z th(norm) = Z th R th Może być stosowana również przy nie-prostokątnych przebiegach mocy wymaga aproksymacji przebiegiem odcinkami prostokątnym oraz wykonania kilku iteracji obliczeń 46

8 Dobór prądowy przyrządu Wybór wstępny na podstawie ID(rat)(Tc = 100 C) jeżeli podany albo na podstawie rezystancji cieplnej z pominięciem chłodzenia obudowy i kształtu przebiegu mocy T j(max) 100 C P d(rat) = R th(j-c) Weryfikacja końcowa należy obliczyć temperaturę złącza i porównać z wartością dopuszczalną wymaga uwzględnienia kompletnego toru chłodzenia aż do temperatury czynnika chłodzącego (np. powietrza), którą można uznać za pewną i stałą dla wysokich częstotliwości T j(pk) T a +[1,1 ]R th(j-a) P d(av) moc średnia musi zawierać składową statyczną i dynamiczną typowo przyjmuje się Ta = 40 C 60 C dla obudów zamkniętych bez dobrej wentylacji 47

9 Pojemność cieplna Impedancję cieplną można także rozpatrywać od strony fizycznej odzwierciedla dodatkowo (oprócz przewodzenia ciepła) gromadzenie energii cieplnej w bryle danego materiału gromadzenie energii powoduje stopniowy wzrost temperatury Zmiany temperatury w czasie mają charakter wykładniczy rozwiązanie podstawowe równania przewodnictwa cieplnego ( ) T 2 T 1 x2 D th 2 =0 Φ (x, t )= exp t 4 kt 4 πkt t także tę właściwość można opisać za pomocą elektrycznego schematu zastępczego, poprzez obwód RC o odpowiedniej stałej czasowej τ th=r th C th Definicja fizyczna C th= dq dt (Q energia cieplna zgromadzona w bryle ) 48

10 Model cieplny RC Zaleta możliwość wykorzystania w komputerowych symulatorach obwodów elektrycznych łatwość uzyskania odpowiedzi układu na impulsy mocy o złożonym kształcie Postać sieć RC w jednej z postaci Cauera (filtr filter) Fostera (łańcuch tank) dokładnie: oddzielne zestawy parametrów dla sieci j-a i j-c w uproszczeniu: do sieci j-c można dołączyć rezystancje (i ew. pojemności) c-s i s-a 49

11 Model cieplny RC (cd.) Postać Fostera łatwiejsza doświadczalna identyfikacja parametrów w mniejszym stopniu odpowiada istocie zjawisk fizycznych przeliczenie na postać Cauera możliwe, ale złożone numerycznie 50

12 Indukcyjności w przekształtnikach Źródła odbiornik indukcyjny silniki transformatory filtry L i LC filtr wejściowy/zasilania pasożytnicze są istotne: przy odbiornikach rezystancyjnych w obwodzie sterowania gdy ograniczy się wpływ odbiornika indukcyjnego Indukcyjności ujawniają się tylko w pętlach prądowych Pętle stanowią anteny promieniowanie zaburzeń przechwytywanie zaburzeń Indukcyjności pasożytnicze szacunkowo p obwód pętli A powierzchnia pętli d średnica przekroju przewodu kr = 1/4 dla n.cz.; 0 dla w.cz. (wynika z naskórkowości) μ0 p 4p p2 Ls ln + k r ln 2π d A μ0 2 nh/cm 2π minimalizacja p, A skręcenie przewodów konieczne istnienie pary przewodów wiodących ten sam prąd ( ) 51

13 Wpływ indukcyjności na załączanie i D (t )=I o ( 1 e t / τ ) Ls Ls τ= = R R o + R DS(on) Skutki ograniczenie szybkości narastania prądu, przetężeń zmniejszenie mocy strat Jest to podstawowa idea tłumików prądowych najprostszy RL: cewka w szereg z prądem (jak Ls) tzw. przełączanie przy zerowym prądzie (ZeroCurrent Switching) 52

14 Wpływ indukcyjności na wyłączanie u Ls =L s u Ls(pk)=L s di D dt di D ( ) dt max βt u DS=U DD+ u Ls(pk) e ω cos ωt Ro 1 ; β= 2L s L s C out 53

15 Zapobieganie negatywnym skutkom przepięć Ograniczenie propagacji zaburzeń odprzęganie = minimalizacja wzajemnego wpływu obwodów kondensatory odprzęgające skrócenie odcinków wspólnych unikanie pętli Stosowanie zabezpieczeń przepięciowych ze względu na: duża wspólna indukcyjność indukcyjności pasożytnicze same wyprowadzenia: 2 20 nh dla THT, 0,2 2 nh dla SMT coraz szybsze przełączenie większe stromości prądu przebicie lawinowe niekorzystne unipolarne niebezpieczne bipolarne, niekiedy unipolarne mała wspólna indukcyjność 54

16 Diody gaszące (zerowe) Miejsce i sposób stosowania Parametry chroni przyrząd półprzewodnikowy równolegle do obwodu indukcyjnego biegunowość nie może przewodzić w stanie statycznym wytrzymałość napięciowa jak tranzystora szybkość czas załączania krótszy niż czas wyłączania tranzystora Nie może sama wprowadzać indukcyjności pasożytniczej łączenie bezpośrednio między zabezpieczaną końcówkę a stały potencjał jak najkrótsze połączenia 55