BADANIE PRZETWORNICY BUCK Z ELEMENTAMI PÓŁPRZEWODNIKOWYMI Z WĘGLIKA KRZEMU. INVESTIGATIONS OF A BUCK CONVERTER WITH SiC SEMICONDUCTOR DEVICES

Transkrypt

1 ELEKTRYKA 211 Zeszyt 1 (217) Rok LVII Krzysztof GÓRECKI, Janusz ZARĘBSKI, Przemysław PTAK Katera Elektroniki Morskiej, Akaemia Morska w Gyni BADANIE PRZETWORNICY BUCK Z ELEMENTAMI PÓŁPRZEWODNIKOWYMI Z WĘGLIKA KRZEMU Streszczenie. Praca otyczy baania wpływu zastąpienia krzemowych elementów półprzewonikowych elementami wykonanymi z węglika krzemu w przetwornicy BUCK na charakterystyki tej przetwornicy. Zaprezentowano wyniki pomiarów rozważanej przetwornicy uzyskane la 3 zestawów elementów półprzewonikowych: krzemowego tranzystora MOSFET i krzemowej ioy, tego samego tranzystora i ioy z węglika krzemu oraz tranzystora MESFET i ioy wykonanych z węglika krzemu. Baania przeprowazono la różnych wartości rezystancji obciążenia oraz częstotliwości i współczynnika wypełnienia sygnału sterującego. Słowa kluczowe: przetwornica BUCK, węglik krzemu INVESTIGATIONS OF A BUCK CONVERTER WITH SiC SEMICONDUCTOR DEVICES Summary. The paper refers research of the influence of the replacement of silicon semiconuctor evices by evices prouce from silicon carbie in the BUCK converter on the characteristics of this converter. Results of measurement of the consiere converter obtaine for three sets of semiconuctor evices: the silicon MOSFET an the silicon ioe, the same transistor an the ioe from the silicon carbie as well as the MESFET from the silicon carbie an the ioe from the silicon carbie are presente. Investigations were performe for ifferent values of the loa resistance, as well as ifferent values of frequency an the uty factor of the control signal. Keywors: BUCK converter, silicon carbie 1. WPROWADZENIE Przetwornica BUCK należy o najpopularniejszych ukłaów impulsowego przetwarzania energii elektrycznej. Przetwornica ta jest wykorzystywana typowo w ukłaach zasilających o mocy wyjściowej o kilkuset watów [1] i zawiera, oprócz elementów biernych, wa elementy półprzewonikowe tranzystor i ioę. W klasycznych rozwiązaniach są wykorzystywane krzemowe elementy półprzewonikowe.

2 8 K. Górecki, J. Zarębski, P. Ptak W ciągu ostatnich kilku lat na rynku pojawiły się również półprzewonikowe elementy mocy wykonane z węglika krzemu, charakteryzujące się większą wytrzymałością napięciową i krótszym czasem przełączania, w porównaniu z elementami krzemowymi [3, 4]. W niniejszej pracy, stanowiącej rozszerzoną wersję pracy [5], przestawiono wyniki baań eksperymentalnych rozważanej przetwornicy, w której kolejno zastosowano elementy półprzewonikowe wykonane z krzemu oraz z węglika krzemu. 2. ANALIZOWANA PRZETWORNICA Schemat baanej przetwornicy pokazano na rys.1. Rys. 1. Schemat baanej przetwornicy BUCK Fig. 1. The iagram of the investigate BUCK converter W rozważanej przetwornicy wykorzystano ławik L o inukcyjności 14 H, konensator C o pojemności 1 F oraz trzy, wymienione uprzenio, pary półprzewonikowych elementów kluczujących. W pierwszym zestawie, nazywanym alej przetwornicą P1, zastosowano krzemowy tranzystor MOSFET typu IRF54 oraz krzemową ioę Schottky ego typu 1N5822. Drugi zestaw, nazywany alej przetwornicą P2, zawiera krzemowy tranzystor MOSFET typu IRF54 oraz ioę Schottky ego z węglika krzemu typu SDP4S6. Z kolei, trzeci zestaw, nazywany alej przetwornicą P3, zawiera tranzystor MESFET z węglika krzemu typu CRF241 oraz ioę Schottky ego z węglika krzemu typu SDP4S6. Sygnał sterujący, reprezentowany na rys.1 przez źróło napięciowe U ster, jest wytwarzany przez monolityczny sterownik PWM typu UC3842. Sterownik ten bezpośrenio steruje tranzystorem MOSFET, o sterowania zaś tranzystorem MESFET wykorzystuje się oatkowo ukła przesuwający poziom napięcia sterującego, opisany w pracy [2]. 3. WYNIKI BADAŃ Wykorzystując opisany ukła przetwornicy BUCK zmierzono jej charakterystyki w stanie ustalonym la różnych zestawów par elementów półprzewonikowych. Na kolejnych rysunkach przestawiono wyniki pomiarów, opisanych w poprzenim rozziale przetwornic P1, P2 oraz P3. Zbaano wpływ oboru półprzewonikowych elementów kluczujących na

3 Baanie przetwornicy BUCK 9 zależności napięcia wyjściowego i sprawności energetycznej rozważanych przetwornic oraz temperatur obuów elementów półprzewonikowych o rezystancji obciążenia oraz o częstotliwości i współczynnika wypełnienia sygnału sterującego tranzystor. Wyniki pomiarów zamieszczono na rys Rysunki 2-5 otyczą pracy rozważanej przetwornicy przy częstotliwości sygnału sterującego 19 khz i rezystancji obciążenia 1 i zmiennej wartości współczynnika wypełnienia sygnału sterującego, rysunki przy częstotliwości sygnału sterującego 25 khz, rezystancji obciążenia 2 i zmiennej wartości współczynnika wypełnienia sygnału sterującego, natomiast rysunki przy częstotliwości sygnału sterującego 19 khz i współczynnika wypełnienia tego sygnału równego,5 oraz zmiennej wartości rezystancji obciążenia U we = 12 V, R = 1, f = 19 khz U wy [V] ,2,4,6,8 1 Rys. 2. Zależność napięcia wyjściowego o współczynnika wypełnienia sygnału sterującego przy f = 19 khz i R = 1 Fig. 2. The epenence of the output voltage on the uty factor of the controls signal at f = 19 khz an R = 1 Jak wiać na rys. 2, przy małej częstotliwości sygnału sterującego f = 19 khz i użej rezystancji obciążenia R = 1 uzyskano praktycznie liniowe zależności napięcia wyjściowego o współczynnika wypełnienia sygnału sterującego. Przy wykorzystaniu ioy wykonanej z węglika krzemu () zamiast ioy krzemowej () uzyskuje się nieco większą wartość napięcia wyjściowego la współczynnika wypełnienia >,5. Najmniejsze wartości napięcia wyjściowego uzyskano la przetwornicy P3. Są one mniejsze nawet o 25% o wartości uzyskanych la przetwornicy P1. Z rys. 3 wiać, że sprawność energetyczna jest rosnącą funkcją współczynnika wypełnienia. Największe wartości, przekraczające nawet 9%, osiąga ona la przetwornicy P2, a najmniejsze la przetwornicy P3. Różnice mięzy wartościami sprawności energetycznej, uzyskanymi la rozważanych przetwornic, ochozą nawet o 3%. Pokazane na rys. 4 i 5 zależności temperatury obuowy tranzystora i ioy są rosnącymi funkcjami współczynnika wypełnienia. Ze wzglęu na użą wartość rezystancji obciążenia uzyskano la wszystkich rozważanych przetwornic wartości temperatur obuów elementów półprzewonikowych nieznacznie obiegające o temperatury otoczenia T a = 2 o C. Maksymalna nawyżka temperatury obuowy pona temperaturę otoczenia wyniosła w rozważanych warunkach zalewie 15 o C.

4 1 K. Górecki, J. Zarębski, P. Ptak h 1,2 1,8,6,4 U we = 12 V, R = 1, f = 19 khz,2,2,4,6,8 1 Rys. 3. Zależność sprawności energetycznej o współczynnika wypełnienia sygnału sterującego przy f = 19 khz i R = 1 Fig. 3. The epenence of the watt-hour efficiency on the uty factor of the controls signal at f = 19 khz an R = U we = 12 V, R = 1, f = 19 khz 3 T T [ o C] ,2,4,6,8 1 Rys. 4. Zależność temperatury obuowy tranzystora o współczynnika wypełnienia sygnału sterującego przy f = 19 khz i R = 1 Fig. 4. The epenence of the transistor case temperature on the uty factor of the controls signal at f = 19 khz an R = U we = 12 V, R = 1, f = 19 khz T D [ o C] ,2,4,6,8 1 Rys. 5. Zależność temperatury obuowy ioy o współczynnika wypełnienia sygnału sterującego przy f = 19 khz i R = 1 Fig. 5. The epenence of the ioe case temperature on the uty factor of the controls signal at f = 19 khz an R = 1 Po powyższeniu częstotliwości sygnału sterującego f = 25 khz i obniżeniu rezystancji obciążenia o R = 2 zaobserwowano nieliniowości na charakterystyce U wy () pokazanej na rys. 6. W rozważanych warunkach zmierzone wartości napięcia wyjściowego przetwornicy P3 są ponawukrotnie mniejsze o wartości tego napięcia uzyskanych la przetwornic P1 i P2.

5 Baanie przetwornicy BUCK 11 W porównaniu z wynikami prezentowanymi na rys. 3 wartości sprawności energetycznej prezentowane na rys.7 są znacznie mniejsze i nie przekraczają 65%. W szczególności sprawność przetwornicy P3 jest barzo niska i tylko nieznacznie przekracza 2%. U wy [V] U we = 12 V, R = 2, f = 25 khz 1,2,4,6,8 1 Rys. 6. Zależność napięcia wyjściowego o współczynnika wypełnienia sygnału sterującego przy f = 25 khz i R = 2 Fig. 6. The epenence of the output voltage on the uty factor of the controls signal at f = 25 khz an R = 2,7,6 h,5,4,3,2,1 U we = 12 V, R = 2, f = 25 khz,2,4,6,8 1 Rys. 7. Zależność sprawności energetycznej o współczynnika wypełnienia sygnału sterującego przy f = 25 khz i R = 2 Fig. 7. The epenence of the watt-hour efficiency on the uty factor of the controls signal at f = 25 khz an R = T T [ o C] U we = 12 V, R = 2, f = 25 khz,2,4,6,8 1 Rys. 8. Zależność temperatury obuowy tranzystora o współczynnika wypełnienia sygnału sterującego przy f = 25 khz i R = 2 Fig. 8. The epenence of the transistor case temperature on the uty factor of the controls signal at f = 25 khz an R = 2

6 12 K. Górecki, J. Zarębski, P. Ptak W zilustrowanym na rys. 6-9 przypaku, zjawiska cieplne znacznie silniej wpływają na właściwości rozważanej przetwornicy niż przy niższej częstotliwości i większej rezystancji obciążenia. Zarówno temperatury obuowy tranzystora, jak i ioy są rosnącą funkcją współczynnika wypełnienia. Rozważane elementy półprzewonikowe zawarte w przetwornicy P3 osiągają najwyższe wartości temperatury obuowy ochozące prawie o 7 o C. Niższe nawet o 25 o C wartości temperatury osiągają obuowy ioy i tranzystora zawarte w przetwornicy P T D [ o C] U we = 12 V, R = 2, f = 25 khz,2,4,6,8 1 Rys. 9. Zależność temperatury obuowy ioy o współczynnika wypełnienia sygnału sterującego przy f = 25 khz i R = 2 Fig. 9. The epenence of the ioe case temperature on the uty factor of the controls signal at f = 25 khz an R = 2 Na rys.2-9 wiać, że zastosowanie elementów półprzewonikowych z węglika krzemu niekorzystnie wpływa na wartości parametrów eksploatacyjnych rozważanej przetwornicy. W szczególności zastosowanie tranzystora MESFET z węglika krzemu w miejsce krzemowego tranzystora MOSFET powouje obniżenie wartości napięcia wyjściowego (nawet o 5%), sprawności energetycznej (nawet kilkukrotne) oraz wzrost temperatur obuów (a także związanych z nimi temperatur wnętrza) zarówno tranzystora, jak i ioy. Z kolei, zastąpienie ioy krzemowej ioą z węglika krzemu powouje nieznaczne obniżenie sprawności energetycznej i napięcia wyjściowego przetwornicy oraz nieznaczny wzrost wartości temperatury obuowy obu elementów półprzewonikowych. Rozpatrywane przykłay otyczą małej wartości rezystancji obciążenia przetwornicy. Wpływ rezystancji obciążenia na napięcie wyjściowe i sprawność energetyczną rozważanej przetwornicy pokazano opowienio na rys.1 i 11. Prezentowane wyniki uzyskano przy częstotliwości f = 19 khz i współczynniku wypełnienia =,5 sygnału sterującego oraz przy napięciu wejściowym U we = 12 V.

7 Baanie przetwornicy BUCK 13 U wy [V] U we = 12 V, f = 19 khz, =, R [W] Rys. 1. Zależność napięcia wyjściowego o rezystancji obciążenia przy f = 19 khz oraz =,5 Fig. 1. The epenence of the output voltage on the loa resistance at f = 19 khz an =.5 Można zauważyć, że w zakresie małych wartości rezystancji obciążenia (o kilkuziesięciu omów) największą wartość napięcia wyjściowego oraz sprawności energetycznej uzyskuje się la tranzystora MOSFET współpracującego z ioą krzemową. Z kolei, w zakresie użych wartości rezystancji obciążenia największe napięcie wyjściowe oraz największą sprawność energetyczną uzyskano la tranzystora MESFET i ioy wykonanych z węglika krzemu. h 1,9,8,7,6,5,4,3,2 przetornica P1,1 U we = 12 V, f = 19 khz, =, R [W] Rys. 11. Zależność sprawności energetycznej o rezystancji obciążenia przy f = 19 khz oraz =,5 Fig. 11. The epenence of the watt-hour efficiency on the loa resistance at f = 19 khz an =.5 T T [ o C] U we = 12 V, f = 19 khz, =,5 przetwornica 3 przetwornica 2 przetwornica Rys. 12. Zależność temperatury obuowy tranzystora o rezystancji obciążenia przy f = 19 khz oraz =,5 Fig. 12. The epenence of the transistor case temperature on the loa resistance at f = 19 khz an =.5 R [W]

8 14 K. Górecki, J. Zarębski, P. Ptak T D [ o C] przetwornica 3 U we = 12 V, f = 19 khz, =,5 1 przetwornica R [W] przetwornica 2 Rys. 13. Zależność temperatury obuowy ioy o rezystancji obciążenia przy f = 19 khz oraz =,5 Fig. 13. The epenence of the ioe case temperature on the loa resistance at f = 19 khz an =.5 Na rys. 12 i 13 wiać, że zależności temperatur obuowy tranzystora i ioy o rezystancji obciążenia są funkcjami malejącymi. Temperatura obuowy tranzystora jest najwyższa la przetwornicy P3, a temperatura obuowy ioy la przetwornicy P2. Warto zauważyć, że w rozważanym zakresie zmian rezystancji obciążenia temperatura ioy ochozi nawet o 8 o C, a temperatura tranzystora o 6 o C. 4. UWAGI KOŃCOWE W pracy przestawiono wyniki baań eksperymentalnych przetwornicy BUCK, ilustrujące wpływ zastąpienia krzemowych elementów półprzewonikowych elementami z węglika krzemu. Z przestawionych rezultatów baań wynika, że zastosowanie elementów z węglika krzemu umożliwia uzyskanie korzystniejszych wartości parametrów eksploatacyjnych rozważanej przetwornicy tylko w zakresie małych wartości prąu obciążenia (użych wartości rezystancji obciążenia). W zakresie użych wartości prąu obciążenia jest korzystniejsze stosowanie elementów krzemowych. PODZIĘKOWANIA Praca baawczo-rozwojowa finansowana ze śroków na naukę w latach jako projekt baawczo-rozwojowy Nr NR1-3-4/28. BIBLIOGRAFIA 1. Maniktala S.: Switching Power Supply Design & Optimization, McGraw-Hill, New York 25.

9 Baanie przetwornicy BUCK Zarębski J., Górecki K., Posobkiewicz K.: Wpływ zastosowania elementów półprzewonikowych z węglika krzemu na charakterystyki przetwornicy buck. Przeglą Elektrotechniczny 21, R. 86, nr 11a, s Zarębski J.: Tranzystory MOS mocy. Funacja Rozwoju Akaemii Morskiej w Gyni, Gynia Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L., Shur M.S.: Properties of Avance Semiconuctor Materials. John Wiley an Sons, New York Górecki K., Zarębski J., Ptak P.: Baanie przetwornicy buck z elementami półprzewonikowymi z węglika krzemu. Artykuł przyjęty o prezentacji na XXIV Mięzynaroowej Konferencji z Postaw Elektrotechniki i Teorii Obwoów IC-SPETO 211, Ustroń 211. Wpłynęło o Reakcji nia 3 paźziernika 21 r. Recenzent: Prof. r hab. inż. Marian Pasko Abstract The paper refers the influence of the selection of semiconuctor evices use in buck converter on characteristics of this converter. Three cases are consiere. In the first case the silicon power MOS transistor an the silicon Schottky ioe are use. In the secon case the silicon power MOS transistor an the Schottky ioe mae from silicon carbie are use. Finally, in thir case the MESFET transistor an the Schottky ioe both mae from silicon carbie are use. For all the consiere cases the characteristics of the buck converter were measure. The epenences of the converter output voltage an watt-hour efficiency, as well as the case temperature of the transistor an of the ioe on the pulse uty factor an frequency of the signal controlling the investigate converter an on the loa resistance are consiere an presente in the paper. On the basis of the obtaine results of measurements one can state, that the use of semiconuctor evices mae from the silicon carbie unfavourably influences on values of exploitive parameters of the consiere converter. Particularly the use of the SiC-MESFET instea of the silicon MOSFET causes the epreciation of the output voltage (even about 5%), the watt-hour efficiency (even twice) an the increase of case temperatures (an also connecte with them internal temperatures) both of the transistor an the ioe. In turn, the replacement of the silicon ioe with the ioe mae from the silicon carbie causes the slight ecrease of the watt-hour efficiency an the output voltage of the converter an the slight increase in value of the case temperature of both the semiconuctor evices.

10 16 K. Górecki, J. Zarębski, P. Ptak The use of evices mae from the silicon carbie makes it possible to obtain better values of exploitive parameters of consiere converter within the range of large values of the converter loa resistance (small values of the converter output current) only. Within the range of small values of the converter loa resistance (large values of the converter output current) the better solution is seems to be the usage of silicon evices.