ANALIZA WPŁYWU NIELINIOWOŚCI MODELU TERMICZNEGO TRANZYSTORA MOS MOCY NA CHARAKTERYSTYKI PRZETWORNICY BOOST

Transkrypt

1 POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 8 Eletril Engineering 214 Jnusz ZARĘBSKI* Ktrzyn GÓRECKA* Krzysztof GÓRECKI* ANALIZA WPŁYWU NIELINIOWOŚCI MODELU TERMICZNEGO TRANZYSTORA MOS MOCY NA CHARAKTERYSTYKI PRZETWORNICY BOOST W pry przenlizowno zsność stosowni nieliniowego moelu termiznego trnzystor MOS moy przy nlizh hrkterystyk przetworniy oost. Przestwiono postć rozwżnego moelu termiznego orz wyniki elektrotermiznej nlizy stnów przejśiowyh nego ukłu, uzyskne przy uwzglęnieniu nieliniowośi moelu termiznego orz przy pominięiu tej nieliniowośi. Bni przeprowzono l przetworni zwierjąyh w różne zestwy półprzewonikowyh elementów kluzująyh. SŁOWA KLUCZOWE: moele termizne, przetworni oost, SPICE, nliz elektrotermizn 1. WPROWADZENIE Przetwornie - znjują zstosownie w ukłh zsiljąyh urzązeni elektronizne. Do njpopulrniejszyh nleżą łwikowe przetwornie oost [1, 2]. Włśiwośi przetworni są hrkteryzowne przez szereg prmetrów i hrkterystyk, np. sprwność energetyzną, zleżność npięi wyjśiowego o współzynnik wypełnieni sygnłu sterująego lu rezystnji oiążeni [3]. Jenym z zynników wpływjąyh n te hrkterystyki i prmetry jest tempertur [4]. To włśnie wpływ tempertury n włśiwośi przyrząów półprzewonikowyh prująyh w przetworniy rzutuje n ksztłt jej hrkterystyk i wrtośi prmetrów eksplotyjnyh. Wrtość tempertury wnętrz elementu wynik z wrtośi tempertury otozeni orz ze zjwisk smongrzewni. Prwiłowe wyznzenie wrtośi tempertury wnętrz elementu, zleżnej o moy wyzielnej w tym elemenie orz o wrunków hłozeni tego elementu, jest istotne z punktu wizeni wirygonośi oliznyh hrkterystyk elementu orz szowni jego niezwonośi. W elu wyznzeni tempertury wnętrz przeprowz się nlizę elektrotermizną ukłu, w której stosuje się elektrotermizne moele * Akemi Morsk w Gyni.

2 1 Jnusz Zręski, Ktrzyn Górek, Krzysztof Góreki elementów półprzewonikowyh. Jenym z komponentów moelu elektrotermiznego jest moel termizny [5, 6]. Przy elektrotermiznej nlizie ukłów elektroniznyh typowo wykorzystuje się skupione moele termizne, w któryh rog przepływu iepł ze struktury półprzewonikowej o otozeni jest moelown przez przejśiową impenję termizną Z th (t) [7] - przy nlizie stnów przejśiowyh lu przez rezystnję termizną R th - przy nlizie stłoprąowej. Typowo stosowny jest liniowy moel termizny [8, 9], w którym przejśiow impenj termizn jest niezleżn o wrunków pry elementu. Jenk jest to uproszzenie rzezywistej sytuji, w której przeieg przejśiowej impenji termiznej zmieni się m.in. w funkji moy wyzielnej w elemenie [1]. W pry zno wpływ nieliniowośi moelu termiznego trnzystor MOS moy n hrkterystyki łwikowej przetworniy oost, której shemt przestwiono n rysunku 1. Rys. 1. Shemt łwikowej przetworniy BOOST Przeprowzono elektrotermizne nlizy stnów przejśiowyh przy wykorzystniu hyryowyh elektrotermiznyh moeli trnzystor MOS orz ioy. Moele tkie opisno w pry [4]. Jenkże w moelh tyh stosown jest liniow zleżność tempertury wnętrz o wyzielnej moy. Jk wynik mięzy innymi z pr [11, 12] moel tki jest w ogólnośi nieliniowy. Bni przeprowzono l wóh pr elementów półprzewonikowyh: trnzystor MOS moy typu IRF64 w prze z ioą Shottky ego typu 1N5822 orz trnzystor MOS moy typu IRF84 z ioą p-n typu BY229. Oyw rozwżne trnzystory montowne SA w ouowy TO ZASTOSOWANE MODELE TERMICZNE Elektrotermizną nlizę stnów przejśiowyh przeprowzono l ztereh różnyh posti zleżnośi opisująyh wpływ moy wyzielnej w trnzystorze n jego rezystnję termizną. W pierwszym przypku rozwżono prwie ielne wrunki hłozeni trnzystor MOS. W tym przypku przyjęto stłą wrtość

3 Anliz wpływu nieliniowośi moelu termiznego trnzystor MOS moy 11 rezystnji termiznej R th =,1 mk/w. W rugim przypku wykorzystno liniowy moel termizny i wrtość rezystnji termiznej opowijąą pry trnzystor ez ritor wynosząą R th = 55 K/W. Trzei przypek otyzy wykorzystni nieliniowego moelu termiznego. W opriu o zleżnośi R th (p) sformułowne w pry [12] zproponowno owoową postć nieliniowego moelu termiznego, w którym zmist klsyznego ukłu RC zstosowno równoległe połązenie konenstor reprezentująego pojemność ieplną orz sterownego źrół npięiowego reprezentująego tę zleżność (rys. 2). Rys. 2. Reprezentj owoow nieliniowego moelu termiznego elementu półprzewonikowego N rys. 2 sterowne źróło prąowe p th reprezentuje mo wyzielną w trnzystorze MOS, C th pojemność ieplną trnzystor, ntomist E th jego nieliniową rezystnję termizną. Źróło npięiowe o zerowej wyjnośi monitoruje wrtość moy wyzielnej w elemenie półprzewonikowym. Prą ten steruje wyjnośią źrół npięiowego E th. Npięie n ziskh sterownego źrół prąowego p th opowi przyrostowi tempertury wnętrz elementu pon temperturę otozeni. Jk wynik z pry [12] l trnzystor MOS moy w ouowie TO-22 prująego ez ritor rezystnj termizn n jest wzorem p R th = 4K/W + 15K/W exp (1) 2W w którym p oznz mo wyzielną w moelownym trnzystorze. Z kolei, l tego trnzystor umieszzonego n użym ritorze luminiowym rezystnję tę opisuje wzór p R th = 4K/W + 2,3K/W exp (2) 2W We wszystkih rozwżnyh przypkh wykorzystno liniowy moel termizny ioy, w którym przyjęto R th =2 K/W l ioy BY229 orz R th =5 K/W l ioy 1N5822. Wrtośi powyższe zzerpnięto z pry [13], poonie jk prmetry moeli trnzystorów i io orz elementów iernyh zwrtyh w przetworniy.

4 12 Jnusz Zręski, Ktrzyn Górek, Krzysztof Góreki 3. WYNIKI BADAŃ Przeprowzono elektrotermizną nlizę stnów przejśiowyh ukłu z rys.1 w progrmie SPICE, wykorzystują opisne wześniej 3 typy moeli termiznyh trnzystor MOS. Wyznzono hrkterystyki rozwżnej przetworniy w stnie termiznie ustlonym. Uzyskne wyniki przestwiono n rysunkh 3-1. N tyh rysunkh krzyw - otyzy nieliniowego moelu trnzystor prująego ez ritor, krzyw liniowego moelu tego trnzystor prująego ez ritor, krzyw opowi prwie ielnym wrunkom hłozeni trnzystor, ntomist krzyw otyzy nieliniowego moelu trnzystor umieszzonego n ritorze. Wyrne wyniki olizeń porównno z wynikmi pomirów (krzyw e) zzerpniętymi z pry [13]. Bni przeprowzono przy ustlonej wrtośi rezystnji oiążeni R = 1 i przemitnej wrtośi współzynnik wypełnieni sygnłu sterująego orz l stłej wrtośi =,5 i przemitnej wrtośi rezystnji oiążeni. Bno wpływ wymienionyh prmetrów n npięie wyjśiowe i sprwność energetyzną przetworniy orz przyrosty tempertury wnętrz trnzystor i ioy pon temperturę otozeni. W nlizh przyjęto wrtość tempertury otozeni T = 27 C. Rysunki 3-6 otyzą przetworniy z trnzystorem IRF84 i ioą BY229, ntomist rysunki 7-1 otyzą ukłu z trnzystorem IRF64 i ioą 1N5822. ) U wy [V] R = 1 W,2,4,6,8 1 ) h,9,8,7,6,5,4,3,2,1 R = 1 W,2,4,6,8 1 Rys. 3. Zleżnośi npięi wyjśiowego () i sprwnośi energetyznej () przetworniy oost o współzynnik wypełnieni sygnłu sterująego ) T t [ o C] R = 1 W Tjmx = 15 o C,2,4,6,8 1 ) T [ ] R = 1 W,2,4,6,8 1 Rys. 4. Zleżnośi tempertury wnętrz trnzystor () i ioy () prująyh w przetworniy oost o współzynnik wypełnieni sygnłu sterująego

5 Anliz wpływu nieliniowośi moelu termiznego trnzystor MOS moy 13 Z rysunków 3 4 wić, że wrunki hłozeni istotnie wpływją n rozwżne hrkterystyki przy wrtośih większyh o,3. W szzególnośi n hrkterystye U wy () wić, ze pogorszenie wrunków hłozeni skutkuje zmniejszeniem wrtośi mksymlnej npięi wyjśiowego, orz przesunięiem mksimum rozwżnej hrkterystyki ku mniejszym wrtośiom. W rozwżnym przypku wrtośi mksymlne npięi wyjśiowego mogą się różnić nwet o 5%. Z kolei sprwność energetyzn jest mlejąą funkją współzynnik, jej wrtość mleje przy pogrszniu wrunków hłozeni trnzystor. W zkresie użyh wrtośi współzynnik n skutek wzrostu rezystnji włązeni trnzystor MOS io nieprzerwnie przewozi prą, skutkiem zego npięie wyjśiowe jest mniejsze o npięi wejśiowego. Zjwisko smongrzewni ogrniz zkres opuszzlnyh zmin współzynnik, przy któryh trnzystor pruje jeszze w wrunkh ezpieznej pry. Przykłowo l trnzystor prująego ez ritor opuszzln wrtość tempertury wnętrz T jmx tego elementu zostnie przekrozon l większyh o,45. Wrto zuwżyć, że mksymln wrtość tempertury ioy mleje wrz z pogrszniem się wrunków hłozeni trnzystor. ) U wy [V] =,5 e R [W] ) h 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 =,5 e R [W] Rys. 5: Zleżnośi npięi wyjśiowego () i sprwnośi energetyznej () przetworniy oost o rezystnji oiążeni ) T t [ o C] e R [W] =,5 T jmx = 15 o C ) T [ ] e =, R [W] Rys. 6. Zleżnośi tempertury wnętrz trnzystor () i ioy () prująyh w przetworniy oost o rezystnji oiążeni

6 14 Jnusz Zręski, Ktrzyn Górek, Krzysztof Góreki Anlizują rysunki 5 6 możn zuwżyć znzny wpływ wrunków hłozeni n hrkterystyki nlizownej przetworniy zwłszz l wrtośi rezystnji oiążeni mniejszyh niż 1 Dl młyh wrtośi rezystnji oiążeni prą płynąy przez trnzystor jest większy, o powouje silniejsze ngrzewnie się ioy i trnzystor. Przy rezystnjh oiążeni poniżej 1 l trnzystor ez ritor zostł przekrozon wrtość jego opuszzlnej tempertury wnętrz T jmx. Wrto zuwżyć, że npięie wyjśiowe jest w szerokim zkresie zmin R rosnąą funkją rezystnji oiążeni. Sprwność energetyzn również jest rosnąą funkją R. Wyjątek o tej reguły stnowi zkres rzo młyh rezystnji R l trnzystor prująego ez ritor. W tym przypku, ze wzglęu n rzo użą wrtość tempertury wnętrz trnzystor nstępuje silny wzrost jego rezystnji włązeni. Spek rezystnji oiążeni skutkuje wzrostem tempertur rozwżnyh elementów półprzewonikowyh. ) U wy [V] R = 1 W,2,4,6,8 1 ) h 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 R = 1 W,2,4,6,8 1 Rys. 7. Zleżnośi npięi wyjśiowego () i sprwnośi energetyznej () przetworniy oost o współzynnik wypełnieni sygnłu sterująego ) 7 6 R = 1 W ) 55 5 R = 1 W 5 45 T t [ o C] T jmx = 15 o C T [ o C] ,2,4,6, ,2,4,6,8 1 Rys. 8. Zleżnośi tempertury wnętrz trnzystor () i ioy () prująyh w przetworniy oost o współzynnik wypełnieni sygnłu sterująego Jk wynik z rysunków 7 8 wpływ wrunków hłozeni n hrkterystyki wykreślone w funkji współzynnik wypełnieni sygnłu sterująego przetwornią z trnzystorem IRF84 i ioą BY229 jest znznie mniejszy niż l

7 Anliz wpływu nieliniowośi moelu termiznego trnzystor MOS moy 15 nlogiznego ukłu z trnzystorem IRF64 i ioą 1N5822. Jest to spowoowne wielokrotnie większą wrtośią rezystnji włązeni trnzystor IRF84 niż trnzystor IRF64. Zminie ntomist nie uleg hrkter wpływu wrunków hłozeni trnzystor n nlizowne hrkterystyki. ) U wy [V] =, R [W] ) h 1,9,8,7,6,5,4,3,2, R [W] Rys. 9. Zleżnośi npięi wyjśiowego () i sprwnośi energetyznej () przetworniy oost o rezystnji oiążeni =,5 ) 3 ) 14 T t [ o C] =,5 T jmx = 15 o C T [ ] =, R [W] Rys. 1. Zleżnośi tempertury wnętrz trnzystor () i ioy () prująyh w przetworniy oost o rezystnji oiążeni R [W] W opriu o rysunki 7-1 możn zuwżyć, że hrkterystyki przetworniy BOOTS z trnzystorem IRF84 i ioą BY229 w funkji rezystnji oiążeni nieml nie zleżą o wrunków hłozeni. Wyrźne różnie możn jeynie zoserwowć l tempertury wnętrz trnzystor, któr przy niskih wrtośih rezystnji oiążeni i przy pry ez ritor może przekrozyć wrtość tempertury ezpieznej pry. 4. PODSUMOWANIE W pry zproponowno sposó uwzglęnieni nieliniowośi moelu termiznego trnzystor MOS moy w elektrotermiznej nlizie stnów przejśiowyh przetworni - w progrmie SPICE n przykłzie przetworniy

8 16 Jnusz Zręski, Ktrzyn Górek, Krzysztof Góreki oost. Przeprowzone symulje komputerowe wykzły, że uwzglęnienie zleżnośi rezystnji termiznej trnzystor o moy R th (p) w trnzystorze powouje istotne zminy w przeiegu hrkterystyk przetworniy oost zwierjąej tki trnzystor. Wpływ opisu wrunków hłozeni trnzystor jest wyrźnie zuwżlny w przypku przetworniy z trnzystorem o użej wrtośi rezystnji włązeni. W tym przypku różnie w wrtośih npięi wyjśiowego i sprwnosi energetyznej przetworniy uzyskne przy uwzglęnieniu nieliniowośi moelu termiznego orz przy pominięiu tej nieliniowośi ohozą o 1%. Z kolei, w przypku trnzystor o młej wrtośi tej rezystnji zjwisko smongrzewni m niewielki wpływ n rozwżne hrkterystyki. Wyniki pomirów wykzują orą zgoność z wynikmi olizeń, w któryh wykorzystno nieliniowy moel termizny zproponowny w pry [12]. A ztem, zgonie z informjmi zwrtymi w pry [14] zsne jest stosownie nieliniowego moelu termiznego w przypku wysokonpięiowyh trnzystorów MOS moy, ehująyh się wysoką wrtośią rezystnji włązeni, ntomist w przypku trnzystorów niskonpięiowyh, ehująyh się młą wrtośią rezystnji włązeni, pominięie nieliniowośi moelu termiznego nie wpływ w wiozny sposó n uzyskiwne wyniki nliz przetworniy oost. Projekt zostł sfinnsowny ze śroków Nroowego Centrum Nuki przyznnyh n postwie eyzji numer DEC-211/1/B/ST7/674. LITERATURA [1] Erison R., Mksimovi D., Funmentls of Power Eletronis, Norwell, Kluwer Aemi Pulisher, 21. [2] Rshi M.H., Power Eletroni Hnook. Aemi Press, Elsevier, 27. [3] Bsso C., Swith-Moe Power Supply SPICE Cookook, MGrw-Hill, New York 21. [4] Góreki K., Zręski J.: Moeling Nonisotherml Chrteristis of Swith-Moe Voltge Regultors. IEEE Trnstions on Power Eletronis, Vol. 23, No. 4, 28, pp [5] Zręski J., Moelownie, symulj i pomiry przeiegów elektrotermiznyh w elementh półprzewonikowyh i ukłh elektroniznyh, Pre Nukowe Wyższej Szkoły Morskiej w Gyni, Gyni [6] Mwy P.A., Igi P.M., Towers M.S., Physilly se ompt evie moels for iruit moelling pplitions, Miroeletronis Journl, Vol. 32, 21, s [7] Góreki K., Zręski J.: Drogi przepływu iepł wyzielnego w elementh półprzewonikowyh o otozeni. Elektronik, Nr 12, 212, s [8] Szekely V., A New Evlution Metho of Therml Trnsient Mesurement Results, Miroeletroni Journl, Vol. 28, No. 3, 1997, s

9 Anliz wpływu nieliniowośi moelu termiznego trnzystor MOS moy 17 [9] Bgnoli P.E., Csros C., Cimpi M., Dllgo E., Therml resistne nlysis y inue trnsient (TRAIT) metho for power eletroni evies therml hrteriztion, IEEE Trnstions on Power Eletronis, I. Funmentls n Thery, Vol. 13, No. 6, 1998; s [1] Góreki K., Zręski J.: Nonliner ompt therml moel of power semionutor evies. IEEE Trnstions on Components n Pkging Tehnologies, Vol. 33, No. 3, 21, pp [11] Zręski J., Moelownie, symulj i pomiry przeiegów elektrotermiznyh w elementh półprzewonikowyh i ukłh elektroniznyh, Pre Nukowe Wyższej Szkoły Morskiej w Gyni, Gyni [12] Góreki K., Zręski J.: Moeling the influene of selete ftors on therml resistne of semionutor evies. IEEE Trnstions on Components, Pkging n Mnufturing Tehnology (w ruku) [13] Góreki K., Zręski J., Jóźwik A.: Wpływ wyrnyh zynników n hrkterystyki przetworniy BOOST. VIII Krjow Konferenj Nukow Sterownie w Energoelektronie i Npęzie Elektryznym SENE 27, Łóź, 27, t. 1, ss [14] Zręski J., Trnzystory MOS moy, Funj Rozwoju Akemii Morskiej w Gyni, Gyni 27. ANALISYS OF THE INFLUENCE OF NONLINEARITY OF THE THERMAL MODEL OF POWER MOSFET ON CHARACTERISTICS OF BOOST CONVERTER In the pper the neessity of using the non-liner therml moel of the power MOS trnsistor t omputer nlyses of the oost onverter is onsiere. The form of onsiere therml moel re presente n results of the eletrotherml trnsient nlysis of onsiere onverter, otine t the nonlinerity of the therml moel tking into ount n t the omission of this nonlinerity re shown. Investigtions were performe for onverters ontining two ifferent sets of swithing semionutor evies.