Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Przełącznikowy tranzystor mocy MOSFET

Transkrypt

1 Wydział Elekroniki Mikrosysemów i Fooniki Poliechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Ćwiczenie nr 5 Przełącznikowy ranzysor mocy MOSFET Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ przepisów BHP związanych z obsługą urządzeń elekrycznych. Uszkodzenia bądź nieprawidłowości w funkcjonowaniu urządzeń ZGŁOŚ prowadzącemu zajęcia. Urządzenia uszkodzone ODSTAW na sół z opisem Po wykonaniu pomiarów: ROZŁĄCZ układy pomiarowe. WYŁĄCZ zasilanie urządzeń i sołu, UŁÓŻ przewody w uchwyach, ODSTAW urządzenia przesawione z innych sanowisk na ich pierwone miejsce. Wrocław 2006

2 1. Zagadnienia do przygoowania Budowa i działanie przełącznikowych ranzysorów mocy MOSFET Zasada pracy ranzysora mocy MOSFET w roli przełącznika 2. Lieraura: 2.1 Lieraura podsawowa: - Z. Synowiec, Przełącznikowe ranzysory mocy MOSFET, Poliechnika Wrocławska, Wydział Elekroniki Mikrosysemów i Fooniki, Wrocław 2004, Prepriny Rapor nr Lieraura pomocnicza - A. Napieralski, M. Napieralska, Polowe półprzewodnikowe przyrządy dużej mocy, WNT Warszawa Wprowadzenie Tranzysory przełącznikowe są powszechnie sosowane do regulacji energii (mocy) dosarczanej do odbiornika. Odbiornikiem ym mogą być silniki elekryczne, elemeny kompuera zasilane poprzez zasilacz impulsowy, urządzenia elekryczne w samochodzie czy elemeny grzejne pieca oporowego. Uproszczony schema blokowy regulacji mocy w obciążeniu z użyciem ranzysora MOSFET (normalnie wyłączony z kanałem ypu N) pokazany jes na rysunku 1. Układ regulacji, nazywany eż konrolerem, o najczęściej zespół kilku scalonych układów logicznych, kóry po odpowiednim zaprogramowaniu realizuje funkcje użykownika czyli decyduje o mocy dosarczanej do urządzenia odbiorczego. Między konrolerem i ranzysorem przełączającym znajduje się zwykle układ serujący pracą ego ranzysora, nazywany eż driverem. Widoczny na ym rysunku symbol ranzysora mocy MOSFET uwzględnia isniejącą w srukurze wewnęrznej ranzysora zinegrowaną diodę. R G o rezysancja zewnęrznego rezysora bramkowego, kórej warość wpływa na szybkość przełączania ranzysora. Zasilacz prądu sałego o napięciu V DD o źródło energii, z kórego energia jes przekazywana do odbiornika o impedancji Z L. Regulacja mocy w odbiorniku odbywa się najczęściej poprzez zmianę współczynnika wypełnienia D prosokąnego przebiegu prądu w odbiorniku, kóry o odbiornik jes jednocześnie obciążeniem ranzysora przełączającego. Współczynnik wypełnienia definiuje się jako D = τ / T (parz rys. 1b). Średnia warość prądu płynącego przez obciążenie, a więc i energia wydzielana w obciążeniu będzie wzrasać wraz ze wzrosem współczynnika D. Urzymując sałą warość okresu przebiegu prosokąnego T, a zmieniając szerokość impulsów τ ego przebiegu regulujemy moc w obciążeniu meodą zw. modulacji szerokości impulsu (PWM Pulse Widh Modulaion). Dla uproszczenia dalsze rozważania ograniczymy do obciążenia ypu rezysancyjnego i wedy Z L = R L. Wielkość energii dosarczanej do odbiornika (obciążenia) w jednym cyklu o okresie T określa wyrażenie E L = I L (V DD V DS ) τ. Energia rozproszona w ranzysorze (energia racona) wedy wynosi E Tr = I L V DS τ, gdyż I L jes jednocześnie prądem drenu ranzysora. Wygodniej jes jednak posługiwać się nie energią, ale mocą dosarczaną do obciążenia P L = E L / T = I L (V DD V DS ) τ/t, a ponieważ D= τ / T więc P L = I L (V DD V DS ) D i odpowiednio mocą raconą w ranzysorze P Tr = I L V DS D. Jes rzeczą oczywisą, że należy minimalizować moc raconą w ranzysorze j. minimalizować, spadek napięcia na ranzysorze - V DS. W impulsowej regulacji mocy, o kórej u mowa ranzysor pracuje dwusanowo. W sanie blokowania czyli w sanie nieprzewodzenia (wyłączenia) ranzysora V DS = V DD, a i L = 0 i wedy moce P L = 0 i P Tr = 0. W sanie przewodzenia (włączenia) ranzysora i L = I L, a V DS = V DSon, gdzie wielkość V DSon nazywana jes Laboraorium Przyrządów Półprzewodnikowych - Przełącznikowy ranzysor mocy MOSFET 2

3 napięciem włączenia (napięcie między drenem i źródłem w sanie włączenia) i określa ją wzór V DSon = R DSon I L. R DSon o rezysancja włączenia (rezysancja między drenem i źródłem w sanie włączenia dla V GG =10 V), kóra jes paramerem konsrukcyjnym wynikającym z geomerii ranzysora MOSFET i podawanym w kaalogach. Ze względu na konieczność minimalizacji mocy raconej w ranzysorze konsrukorzy ranzysorów dążą do minimalizacji parameru R DSon. Układ regulacji ( konroler ) I G Tr Z L I L + Układ serujący ( driver ) R G V GG V GS V DS Zasilacz V DD i L I L a) τ T b) Rys.1 Blokowy schema układu regulacji mocy z ranzysorem MOSFET w roli elemenu przełączającego a) i przykład przebiegu prądu w obciążeniu b) - τ o czas, w kórym ranzysor jes w sanie przewodzenia (włączenia), a czas (T- τ) o czas nieprzewodzenia (wyłączenia) ranzysora, T okres przebiegu prosokąnego Lepsze paramery regulacji mocy uzyskuje się dla większych częsoliwości przełączania f = 1/T. Jednak wraz ze wzrosem częsoliwości wzrasa moc racona w ranzysorze. Dzieje się ak za sprawą mocy raconej podczas przełączania, czyli podczas przechodzenia ranzysora ze sanu przewodzenia do sanu nieprzewodzenia i odwronie, czyli podczas zw. komuacji. W ych sanach przejściowych wysępują jednocześnie duże napięcia i prądy ranzysora. Można wykazać, że moc racona jes proporcjonalna do wielkości V DD, I L, ale akże do częsoliwości przełączania i czasów przełączania j. czasu załączania on i czasu wyłączania off.. Powyżej pewnych częsoliwości (w prakyce powyżej 100 khz) moc racona podczas przełączania ranzysora MOSFET przewyższa moc raconą w sanie przewodzenia ranzysora (P on = V Dson I L ) i może osiągać wielkość przekraczającą moc dopuszczalną dla określonego ypu ranzysora. Jes o główny czynnik ograniczający maksymalną częsoliwość przełączania. Dlaego eż ważnym paramerem ranzysora decydującym o mocy raconej są jego czasy przełączania. W niekórych jednak zasosowaniach minimalne czasy przełączania jakie zapewnia konsrukcja ranzysora nie są korzysne. Krókie czasy przełączania oznaczają gwałowne zmiany napięcia V DS i prądu I L. Zgodnie z prawem Faraday a napięcie V L indukowane na indukcyjności L jes proporcjonalne do szybkości Laboraorium Przyrządów Półprzewodnikowych - Przełącznikowy ranzysor mocy MOSFET 3

4 zmian prądu w ej indukcyjności wg zależności V L = L (di L / d). W przypadku obciążenia indukcyjnego, warości L są znaczące. Podczas wyłączania ranzysora, indukowane napięcia na drenie ranzysora zw. przepięcia mogą osiągać wielkości wielokronie przekraczające warość V DD i mogą być niszczące dla ranzysora przełączającego. Przepięcia ogranicza się przez zasosowanie diody gaszącej równolegle do obciążenia jak o pokazano na rysunku 2 (dioda D2). Jednak różnego pochodzenia indukcyjności pasożynicze pozosające poza gaszącym działaniem diody mogą być również szkodliwe dla ranzysora. Dla uzyskania krókich czasów przełączania wymagane są duże warości impulsowych prądów bramki podczas przełączania, niezbędnych do przeładowywania wewnęrznych pojemności ranzysora MOSFET inegralnie związanych z jego funkcjonowaniem. Jednocześnie oczekiwania użykowników ranzysorów MOSFET wymuszają konsrukcję ranzysorów o coraz większych dopuszczalnych prądach, co z kolei wymusza formowanie coraz szerszych kanałów z warswą inwersyjną w srukurze MOS. Szersze kanały o oczywiście większe pojemności wewnęrzne ranzysora i większe niezbędne ładunki do przeładowania ych pojemności (Q = V C). A ponieważ Q = I, o aby zachować króki czas ego przeładowania, czyli króki czas przełączania, wymagana jes wysoka wydajność prądowa układów pośredniczących (driver) między konrolerem i ranzysorem przełączającym. Innymi słowy driver powinien zapewnić niezbędną warość prądu bramki porzebną do przeładowywania pojemności wejściowej ranzysora. Osaecznie, opymalne warości impulsowych prądów bramki uzyskuje się przez odpowiedni dobór rezysancji bramkowej R G. Z punku widzenia wielkości sosowanego napięcia bramkowego V GG isnieją dwa ypy ranzysorów mocy MOSFET. Pierwszy, sandardowy o napięciu progowym V T = (2-4) V (zwykle 3 V) i drugi, logiczny oznaczany częso przez LLMOSFET o napięciu V T = (1-2) V (zwykle 1.5 V). Dla uzyskania minimalnych warości rezysancji włączenia ranzysora R DSon sosuje się serujące napięcia bramkowe V GG = 10 V dla ypu sandardowego i V GG = 5 V dla ypu logicznego, czyli znacznie przewyższające napięcia progowe V T. Cechą charakerysyczną ranzysorów MOSFET jes o, że czasy wyłączania są większe od czasów załączania. Zaem, o czasy wyłączania decydują o maksymalnej częsoliwości przełączania ych ranzysorów. Dlaego częso sosuje się rozwiązanie, gdzie załączanie ranzysora odbywa się poprzez rezysor bramkowy R G, a wyłączanie (przeciwny kierunek prąd bramki) poprzez inny rezysor o znacznie mniejszej rezysancji (czasem nawe zerowej) połączony szeregowo z diodą nazywaną diodą przyśpieszającą wyłączanie. Taka dioda pokazana na rysunku 2 (dioda D1) umożliwia przepływ prądu bramki jedynie podczas wyłączania ranzysora. 4. Program ćwiczenia Program ćwiczenia obejmuje; - Pomiar czasów załączenia i wyłączenia ranzysora MOSFET, oraz przepięć na drenie ranzysora - Pomiar ampliudy prądu bramki podczas przełączania - Pomiar mocy wydzielanej w obciążeniu w funkcji współczynnika wypełnienia impulsów napięcia - Pomiar napięcia włączenia V DSon, wyznaczenie rezysancji włączenia R DSon ranzysora MOSFET i obliczenie mocy raconej w ranzysorze przełączającym P Tr - Obserwacja czasowego przebiegu napięcia na bramce ranzysora MOSFET podczas przełączania i wyznaczenie napięcia progowego V T badanego ranzysora. Laboraorium Przyrządów Półprzewodnikowych - Przełącznikowy ranzysor mocy MOSFET 4

5 Wszyskie pomiary należy przeprowadzić z wykorzysaniem zesawu pomiarowego przedsawionego na rysunku 2. Rolę układu regulacji pełni w ym układzie generaor napięcia prosokąnego ( R w 600 Ω ), a rolę drivera układ CMOS. G1 R L GR1 D1 D2 GR4 Driver GR2 R1 WY C1 WE GR3 G2 R3 R2 G3 T + ZAS GND Przysawka pomiarowa Generaor Napięciowy Fala prosokąna dodania 0-10 V, 100 khz Oscyloskop dwukanałowy Zasilacz Sabilizowany 10 V, 1 A Rys. 2 Zesaw pomiarowy: (linią przerywaną zaznaczono elemeny umieszczone na przysawce pomiarowej) Driver układ scalony CMOS - sześciokrony bufor / konwerer odwracający 4050B lub sześciokrony bufor / konwerer nieodwracający 4049 np. odpowiednio HCF4050B lub HCF 4049UB firmy STMicroelecronics. T ranzysor mocy MOSFET IRF520 z radiaorem, R L rezysor obciążenia o rezysancji ok. 16 Ω i mocy około 10 W (rezysor druowy nawijany z obecną indukcyjnością pasożyniczą ), D1 - dioda przyśpieszająca wyłączanie, D2 - dioda gasząca przepięcia - diody o napięciu wsecznym min. 40 V i prądzie znamionowym min. 1A ( najlepiej diody krzemowe Schoky ego), rezysory bramkowe R G, R1-22 Ω, R2-100 Ω, R3-1k Ω, 0.25 W, C - kondensaor elekroliyczny, blokujący o pojemności min. 2200µF i napięciu znamionowym min. 25 V, GR gniazda bananowe, G gniazda BNC Przed podłączeniem wyjścia generaora napięcia do wejścia drivera na przysawce (WE) należy generaor napięcia połączyć z oscyloskopem i usawić dodani przebieg prosokąny (aki jak na górnej części rysunku 3) o częsoliwości 100 khz, ampliudzie 8 10 V. Ponieważ układy CMOS w układzie drivera nie Laboraorium Przyrządów Półprzewodnikowych - Przełącznikowy ranzysor mocy MOSFET 5

6 olerują napięcia ujemnego należy dopilnować, aby napięcie ego przebiegu nie wchodziło w zakres warości ujemnych. W ym celu korzysamy z pokręła Offse umieszczonego na płycie czołowej generaoa. Wejście kanału 1 oscyloskopu połączyć z wyjściem drivera na przysawce (gniazdo BNC oznaczone G1), a wejście kanału 2 ego oscyloskopu połączyć z drenem badanego ranzysora na przysawce ( gniazdo BNC oznaczone WY). Usawić wsępnie czułości obu kanałów na 5 V/div, podsawę czasu na 10 µs. Na zasilaczu sabilizowanym (najlepiej ZT980-3M) o wydajności prądowej nie mniejszej niż 1 A usawić napięcie wyjściowe na warość 10 V ± 0.5 V, a ograniczenie prądowe na warość 800 ma. Plus zasilacza połączyć z gniazdem ZAS, a minus zasilacza z gniazdem GND na przysawce, doprowadzając w en sposób zasilanie do układu pomiarowego. Po dołączeniu zasilacza na obu kanałach oscyloskopu powinny pojawić się przebiegi prosokąne. W przypadku odwronego podłączenia zasilacza zapali się czerwona lampka ograniczenia prądowego. Wedy prąd płynie przez zinegrowaną (wewnęrzną) diodę isniejącą w każdym ranzysorze mocy MOSFET. Ten wseczny przepływ prądu nie jes szkodliwy dla ranzysora, gdyż nominalny prąd diody wynosi kilka amperów, a akże nie jes szkodliwy dla układu pomiarowego, gdyż odwrona polaryzacja o warości napięcia wyznaczanym przez spadek napięcia na ej diodzie (ok. 1 V) nie jes niszcząca dla układu CMOS. 4.1 Pomiar czasów załączania i wyłączania ranzysora MOSFET, oraz przepięć na drenie ranzysora podczas jego wyłączania V GG v GG v DS V DD V L V DSon on off Rys. 3 Typowe (wyidealizowane ) przebiegi napięciowe podczas przełączania ranzysora MOSFET oraz uproszczone definicje czasów załączenia on, wyłączenia off i przepięć V L. v GG () - czasowy przebieg napięcia serującego napięcie na wyjściu drivera (gniazdo G1) rejesrowane na kanale pierwszym oscyloskopu. v DS () - czasowy przebieg napięcia dren-źródło badanego ranzysora (gniazdo WY) rejesrowane na drugim kanale oscyloskopu, V DD - napięcie zasilacza, jednocześnie napięcie na drenie ranzysora w sanie wyłączenia, V DSon - napięcie na drenie ranzysora w sanie przewodzenia. Uwzględniając zdefiniowane na rysunku 3 czasy załączania i wyłączania, zmierzyć je dla rzech warości rezysancji rezysora bramkowego R G i dla przypadku pracy z diodą przyśpieszającą wyłączanie. Laboraorium Przyrządów Półprzewodnikowych - Przełącznikowy ranzysor mocy MOSFET 6

7 Pomiary wykonać wg kolejności przedsawionej poniżej, a uzyskane wyniki wpisać do abeli 1. Jeśli isnieje aka możliwość, wydrukować przebiegi napięcia dla R G = 1 kω i zaznaczyć czasy on i off. - R G = 1 kω, przepięcia mierzyć dla włączonej diody gaszącej przepięcia D2 (połączone gniazda GR4) i dla wyłączonej diody D2 - R G 90 Ω, (równolegle połączone rezysory 1 kω i 100 Ω) połączone gniazda GR3, pomiary przepięć przeprowadzić jak dla przypadku poprzedniego - R G 22 Ω, (równolegle połączone rezysory 1 kω i 22 Ω) połączone gniazda GR2, pomiary przepięć przeprowadzić jak dla przypadku poprzedniego - R G = 1 kω i z diodą przyśpieszającą D1 (połączone gniazda GR1), pomiary przepięć przeprowadzić jak dla przypadku poprzedniego Tabela 1 R G 1 kω 22Ω 90 Ω 1 kω, D1 włączona on [µs] off [µs] V L [ V ] D2 wył. D2 wł. V + [ V ] V - [ V ] I Gon [ma] =V + / R G I Goff [ma] =V - / R G 4.2 Pomiar ampliudy prądu bramki podczas przełączania Pomiar ampliudy prądów bramki przeprowadzić z włączoną diodą gaszącą D2, mierząc ją pośrednio poprzez pomiar spadku napięcia na rezysorze bramkowym R G. W celu dokonania ego pomiaru należy kanał 1 oscyloskopu połączyć z wyjściem drivera (gniazdo G1), a kanał 2 ego oscyloskopu z elekrodą bramki badanego ranzysora ( gniazdo G3). Oscyloskop usawić na funkcję odejmowania napięć w przypadku oscyloskopu cyfrowego uakywnić Mah i nasępnie,,ch1 Ch2,,. Na ekranie oscyloskopu powinien pojawić się obraz podobny do przedsawionego na rysunku 4. Uzyskane wyniki wpisać do abeli 1. (v GG - v GS ) V + V _ Rys. 4 Wyidealizowane przebiegi impulsów napięcia na rezysorze bramkowym R G z zaznaczonymi ampliudami ych napięć. V + = (V GG - V GS ) - impuls napięciowy na rezysorze bramkowym podczas załączania, V - = (V GG - V GS ) - impuls napięciowy na rezysorze bramkowym podczas wyłączania. Laboraorium Przyrządów Półprzewodnikowych - Przełącznikowy ranzysor mocy MOSFET 7

8 Na podsawie uzyskanych pomiarów (abela 2) oceń wpływ rezysancji R G rezysora bramkowego na czasy przełączania badanego ranzysora, na wielkość przepięć podczas wyłączania, a akże na ampliudę prądów bramki. 4.3 Pomiar mocy wydzielanej w obciążeniu P L w funkcji współczynnika wypełnienia impulsów napięcia serującego (Modulacja Szerokości Impulsu) Do kanału 1 oscyloskopu doprowadzić napięcie V GG z wyjścia drivera (G1), a do kanału 2 napięcie V DS z drenu (WY). W ym pomiarze zasosować R G = 90 Ω i częsoliwość pomiaru 1 khz, D1 wyłączona, D2 włączona. Dla uławienia pomiaru, usawić przebieg o okresie T = 1000 µs, a pokręłem generaora regulować szerokość impulsu τ. Celem dokładniejszego pomiaru prądu czerpanego z zasilacza, należy połączyć plus zasilacza z przysawką pomiarową poprzez cyfrowy amperomierz o zakresie min. 1 A. W przypadku przebiegu prosokąnego, wskazywana przez amperomierz cyfrowy warość skueczna jes jednocześnie warością średnią. Jak już wspomniano we wprowadzeniu P L = I L (V DD V DSon ) D. Jednocześnie między warością średnią i ampliudą prądu fali prosokąnej zachodzi zależność D = I śr / I L. Pomijając moc raconą w ranzysorze przełączającym (V DSon << V DD ) i prąd pobierany przez driver płynący z ego samego zasilacza, moc obciążenia można wyliczyć z zależności P L = I śr V DD, gdzie I śr o właśnie wskazanie amperomierza cyfrowego. Zmierzone wielkości wpisać do abel 2 i wykreślić zależność P L = f ( D ). Tabela 2. τ [µs ] D I śr [ ma ] P L [W ]= I śr V DD 4.4 Pomiar napięcia włączenia V DSon, wyznaczenie rezysancji włączenia R DSon i obliczenie mocy raconej P Tr w ranzysorze przełączającym MOSFET Pomiaru wielkości V DSon (parz rysunek 3) wykonać na podsawie układu z poprzedniego punku (f = 1 khz, D=0.5), usawiając czułość kanału 2 oscyloskopu na warość 0.5 V dla dokładniejszego odczyu warości V DSon. Ponieważ R DSon = V DSon / I L, a dla D = 0.5 I L = 2I śr, rezysancję włączenia wyliczyć z zależności R DSon = 0.5V DSon / I śr Podobnie, wychodząc z zależności P Tr = I L V DS D, moc raconą w ranzysorze wyliczyć z zależności P Tr = I śr V DSon. (gdzie I śr o wskazanie amperomierza cyfrowego). Zmierzone wielkości umieścić w abeli 3. Tabela 3 V DD V Dson I śr R DSon [ Ω ] P Tr [ W ] V T V a P Tr / P L [ V ] [ V ] [ A ] = 0.5V DSon / I śr = I śr V DSon. [ V ] [%] Laboraorium Przyrządów Półprzewodnikowych - Przełącznikowy ranzysor mocy MOSFET 8

9 4.5 Obserwacja czasowego przebiegu napięcia na bramce ranzysora MOSFET podczas przełączania i oszacowanie napięcia progowego V T badanego ranzysora. W celu obserwacji należy kanał pierwszy oscyloskopu połączyć z drenem ranzysora (WY), a drugi kanał połączyć z bramką ranzysora (G3). Włączyć rezysor bramkowy R G = 1 kω i jednocześnie diodę gaszącą D2. Na ekranie oscyloskopu powinny pojawić się dwa przebiegi pokazane na rysunku 5. Wykresy wydrukować i na przebiegu bramkowym zaznaczyć począek i koniec załączania i począek i koniec wyłączania. Podczas załączania, napięcie na bramce wzrasa w przybliżeniu liniowo do warości V a zaznaczonej na rysunku 5 (zw. półka) i przez pewien czas w przypadku idealnym zn. z czyso rezysancyjnym obciążeniem pozosaje sałe. W przypadku małych warości prądu drenu ranzysora w sosunku do jego warości znamionowej napięcie półki V a jes niewiele wyższe od napięcia progowego V T. W naszym ćwiczeniu wysępuje aki przypadek, możemy więc przyjąć, że V T = V a. Wynik wpisać do abeli 3. Zmierzone wielkości V T i R DSon porównać z danymi zawarymi w karcie kaalogowej ranzysora. v DS V DD v GS V a Rys. 5. Wyidealizowane czasowe przebiegi napięcia na drenie v DS i na bramce v GS ranzysora MOSFET podczas przełączania. Laboraorium Przyrządów Półprzewodnikowych - Przełącznikowy ranzysor mocy MOSFET 9