Szacowanie mocy czynnej straty dynamiczne w tranzystorach MOSFET (obwód mocy)



Podobne dokumenty
Polaryzacja wsteczna BJT IGBT MOSFET

Część 3. Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy. Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 51

Właściwości tranzystora MOSFET jako przyrządu (klucza) mocy

ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH

Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy (1) Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16

Złożone struktury diod Schottky ego mocy

Przegląd półprzewodnikowych przyrządów mocy

Część 4. Sterowanie i bezpieczna praca przyrządów półprzewodnikowych mocy

7. Tyrystory. Tyrystor SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Parametry przyrządów półprzewodnikowych

SYMBOLE GRAFICZNE. Tyrystory. Struktura Charakterystyka Opis

Elementy półprzewodnikowe. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

BADANIE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ (IGBT)

EL08s_w03: Diody półprzewodnikowe

Dobór współczynnika modulacji częstotliwości

Działanie przetwornicy synchronicznej

Politechnika Białostocka

Elementy przełącznikowe

Właściwości przetwornicy zaporowej

Część 2. Sterowanie fazowe

W2. Wiadomości nt. doboru termicznego (część 1)

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

Diody półprzewodnikowe

Elementy zabezpieczające przeciwprzepięciowe

Półprzewodnikowe przyrządy mocy

Elementy elektroniczne Wykład 9: Elementy przełączające

7. TYRYSTORY 7.1. WSTĘP

Diody półprzewodnikowe

Przetwornica mostkowa (full-bridge)

1. Zarys właściwości półprzewodników 2. Zjawiska kontaktowe 3. Diody 4. Tranzystory bipolarne

Przyrządy półprzewodnikowe część 5 FET

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

Diody półprzewodnikowe

z ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu Przyrządy i układy mocy

Przyrządy półprzewodnikowe część 3

Prostowniki. Prostownik jednopołówkowy

Spis treści 3. Spis treści

Liniowe układy scalone w technice cyfrowej

Podzespoły i układy scalone mocy część II

Tranzystorowe wzmacniacze OE OB OC. na tranzystorach bipolarnych

Politechnika Białostocka

Część 2. Sterowanie fazowe

EUROELEKTRA Ogólnopolska Olimpiada Wiedzy Elektrycznej i Elektronicznej Rok szkolny 2014/2015

PL B1. AZO DIGITAL SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Gdańsk, PL BUP 20/10. PIOTR ADAMOWICZ, Sopot, PL

Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Podzespoły i układy scalone mocy, wykład Elektronika i telekomunikacja, blok Układy elektroniki przemysłowej sem. letni 2015/16

Zabezpieczenie akumulatora Li-Poly

Ćwiczenie: "Właściwości wybranych elementów układów elektronicznych"

Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych test kompetencji zagadnienia

Pytania podstawowe dla studentów studiów I-go stopnia kierunku Elektrotechnika VI Komisji egzaminów dyplomowych

Przekształtniki DC/DC

Politechnika Białostocka

Trójfazowy falownik napięcia z łagodnym przełączaniem tranzystorów odpornym na zakłócenia sterowania

Wzmacniacz jako generator. Warunki generacji

Przykładowe pytania do przygotowania się do zaliczenia poszczególnych ćwiczeń z laboratorium Energoelektroniki I. Seria 1

Diody prostownicze. częstotliwo. ową 50 Hz) przy znacznych lub zgoła a duŝych mocach wydzielanych w obciąŝ

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Elementy elektroniczne Wykłady 5,6: Tranzystory bipolarne

Część 7. Zaburzenia przewodzone. a. Geneza i propagacja, normy i pomiar

Stabilizatory impulsowe

(57) 1. Układ samowzbudnej przetwornicy transformatorowej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B2 PL B2 H02M 3/315. fig.

Przekaźniki w automatyce przemysłowej

SDD287 - wysokoprądowy, podwójny driver silnika DC

Ćwiczenie - 3. Parametry i charakterystyki tranzystorów

Politechnika Białostocka

Podstawy Elektroenergetyki 2

Zasilacz. Ze względu na sposób zmiany napięcia do wartości wymaganej przez zasilany układ najczęściej spotykane zasilacze można podzielić na:

Badanie układów prostowniczych

Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, Zakład Energoelektroniki i Sterowania Laboratorium energoelektroniki

Przetwornice napięcia. Stabilizator równoległy i szeregowy. Stabilizator impulsowy i liniowy = U I I. I o I Z. Mniejsze straty mocy.

LABORATORIUM ELEKTRONIKI ĆWICZENIE 4 POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Wykaz symboli, oznaczeń i skrótów

Pytania podstawowe dla studentów studiów I-go stopnia kierunku Elektrotechnika VI Komisji egzaminów dyplomowych

Motywacje stosowania impulsowych przetwornic transformatorowych wysokiej częstotliwości

IMPULSOWY PRZEKSZTAŁTNIK ENERGII Z TRANZYSTOREM SZEREGOWYM

Włączanie i wyłączanie tyrystora. Włączanie tyrystora przy pomocy kondensatora Cel ćwiczenia;

Układ dobrze jest konstruować i testować stopniowo, a nie całość na sam koniec. Takie podejście zwiększy prawdopodobieństwo bezproblemowego

Zaznacz właściwą odpowiedź (właściwych odpowiedzi może być więcej niż jedna)

Rys. 1. Przebieg napięcia u D na diodzie D

Zadania z podstaw elektroniki. Zadanie 1. Wyznaczyć pojemność wypadkową układu (C1=1nF, C2=2nF, C3=3nF):

Zespół Szkół Łączności w Krakowie. Badanie parametrów wzmacniacza mocy. Nr w dzienniku. Imię i nazwisko

Modelowanie diod półprzewodnikowych

Ćwiczenie 2 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Diody i tranzystory. - prostownicze, stabilizacyjne (Zenera), fotodiody, elektroluminescencyjne, pojemnościowe (warikapy)

Badanie obwodów z prostownikami sterowanymi

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych. Ćwiczenie 2

Przerywacz napięcia stałego

ĆWICZENIE 8 ELEMENTY I UKŁADY PRZEŁĄCZAJĄCE WPROWADZENIE

Przykładowe zadanie egzaminacyjne dla kwalifikacji E.20 w zawodzie technik elektronik

ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH

Elektronika. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.

Ćwiczenie 4. Parametry statyczne tranzystorów polowych JFET i MOSFET

Budowa. Metoda wytwarzania

Przetwornica zaporowa (flyback)

Elementy i Układy Sterowania Mocą

Wykład X TRANZYSTOR BIPOLARNY

Przyrządy półprzewodnikowe część 6

Rozmaite dziwne i specjalne

Ćwiczenie 24 Temat: Układy bramek logicznych pomiar napięcia i prądu. Cel ćwiczenia

Tranzystory bipolarne elementarne układy pracy i polaryzacji

Transkrypt:

Szacowanie mocy czynnej straty dynamiczne w tranzystorach MOSFET (obwód mocy) obciążenie rezystancyjne obciążenie indukcyjne na początek można przyjąć typową RG = 50 lub 10 Ω i oszacować czasy jako: tr (RG / RG(nom)) tr(nom) tf (RG / RG(nom)) tf(nom) przy czym dla obciążenia indukcyjnego ton tr toff tf gdyż zwykle tri, tfi < tfu, tru P D(dyn)= 1 U DS(off) I D(on) ( t r + t f ) f 6 s P D(dyn)= 1 U DS(off) I D(on) ( t on+ t off ) f 2 s 24

Szacowanie mocy czynnej straty dynamiczne w diodach Wyłączanie diod PIN założenia upraszczające U rr(m) U R ; U F 0 energia 1 E = i u d t = I U t 2 rr(m) R f off Qrr Urr(m) t rr nieznane tf/ts tf=trr ; Irr(m) Qrr (szacunek od góry) E off = 12 I rr(m) t rr U R =Q rr U R ts tf lub tf/ts = 1 ½Qrr E off = 12 I rr(m) 12 t rr U R = 12 Q rr U R Moc czynna p P dyn=(e on +E off ) f s 25

Szacowanie mocy czynnej straty dynamiczne w diodach (cd.) Załączanie diody PIN zawsze Eon < Eoff nie do pominięcia dla diod ultraszybkich (małe Eoff) założenie: i = const = IF E on= i u d t = 12 I F U fr(m) t fr ; P on=e on f s t fr Diody Schottky ego Eon pomijalna i, u, t < IF, UF, tcond Eoff podobnie jak dla diody PIN zmiana u przez cały trr ppk Irr(m) ½UR ładunek przestrzenny Qc zakładając symetryczny i(t): E off = 12 I rr(m) t rr 12 U R = 12 Q c U R 26

Szacowanie mocy czynnej wzajemny wpływ przyrządów Jeżeli następuje przełączenie prądu z diody do tranzystora prąd wyłączanej diody zamyka się zwykle przez załączany tranzystor dodatkowe straty w tranzystorze zakładając uds = const = UDS(off): P on,rr =E on,rr f s= 1 = 2 I rr(m) t rr U DS(off) f s=q rr U DS(off) f s Qrr 27

Szacowanie mocy czynnej straty dynamiczne Tyrystory, obwód sterowania BJT Wpływ warunków przełączania Obwód mocy tranzystorów BJT zasadniczo jak dla diody PIN zasadniczo jak dla MOSFET-ów Tranzystory IGBT jak MOSFET + ogon prądowy złożone istotne zależności bezpośrednio podawane Eon, Eoff wszystkie przyrządy: Ion (IF), Uoff (UR) na t diody PIN, tyrystory: głównie IF, dif/dt, dodatkowo dif/dt na dodatkowo Irr(m), Qrr tranzystory IGBT: na dodatkowo ttail diody Schottky ego: zasadniczo tylko Uoff dodatkowo przyrządy bipolarne i sterowanie prądowe: temperatura 28

Wytrzymałość napięciowa W praktycznych przyrządach o wytrzymałości w zasadniczym kierunku blokowania decyduje przebicie lawinowe także diody Zenera zjawisko Zenera nie występuje przy tak niskich koncentracjach domieszek Przebicie lawinowe/skrośne nie jest niszczące samo z siebie, ale: przyrząd przestaje blokować płynie duży prąd (ograniczony impedancją obwodu) J zależnie od typu tranzystora Wszelkie diody wysokonapięciowe są lawinowe skrośne może występować jednocześnie (PT PIN, PT IGBT) mniejsze Ubr W kierunku zaporowym tranzystorów może decydować przebicie skrośne aktywacja sprzężenia elektrotermicznego przebicie cieplne uszkodzenie połączeń przy wysokim U=Ubr P Tj Tj > Tj(max) przyrząd poza SOA Tj > Tj(crit) przebicie cieplne MOSFETy wysokiej odporności rugged, avalanche-rated specyfikowana dopuszczalna energia przebicia lawinowego (powtarzalna lub niepowtarzalna) 29

Napięcie przebicia Przyrządy bez wzmocnienia prądowego U br =U J(br) Przyrządy z mechanizmem tranzystora bipolarnego U br =U J(br) (1 α F )1/κ ; κ 5 mniejsza wytrzymałość napięciowa większy prąd upływu Napięcia przebicia BJT UCES(br) = UCBO(br) = UJ(br) UCEO(br) < UJ(br) stosowane częściowe zwarcie B-E opornikiem zwiększenie U br UCEO(br) < UCER(br) < UCES(br) kosztem spadku βf Wpływ temperatury na przebicie lawinowe θ Ubr 30

Napięcie przebicia (cd.) Tranzystory polowe podaje się tylko napięcia przebicia przy zwarciu G-S / G-E: UDSS(br), UCES(br) w praktyce nie pracuje się z rozwartą bramką ze względu na ryzyko pasożytniczego załączenia 1E-5 BJT CEO BJT CES MOSFET DSS IGBT CES ID [A] 1E-6 1E-7 1E-8 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 UD [V] wszystkie 8 9 A MOSFET, IGBT 600 V BJT 700/1500 V 31

Pasożytnicze załączanie tranzystorów polowych Elementy pasożytnicze występuje dzielnik napięcia CGS CGD UDS UGS gdy ugs > UGS(th), tranzystor załącza się dzielnik pojemnościowy szybko reaguje na gwałtowne zmiany napięcia (duds/dt) powodowane przez indukcyjności pasożytnicze Rozwiązania włączenie opornika równolegle do końcówek obwodu sterowania (G-S) w przypadku b. dużych duds/dt odpowiedni dobór tranzystora: CGS/CGD > 15 u GS = = Z GS Z GS +Z GD C GD C GS +C GD u DS = 1 ( ) u DS= 1+ C GS C GD u DS 32

Polaryzacja wsteczna BJT CEO: przebicie skrośne bazy (BE) CES: przewodzenie dla UCE > UTO złącza PN (CB) przewodzenie dla U > UTO 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-8 0 5 10 15 20 25 E N+ P N N+ UR [V] 33

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) 34

Parametry znamionowe przyrządu półprzewodnikowego Napięcie znamionowe P d(rat) = Prąd znamionowy (ciągły) stosowalne bezpośrednio zapas +50 100% na przepięcia zależy od warunków chłodzenia jest pochodną mocy dopuszczalnej warunki znamionowe założone w katalogach są nierealistyczne (Tc = 25 C) może służyć wyłącznie do zgrubnego doboru oraz porównywania przyrządów między sobą Prąd znamionowy szczytowy ograniczony przez sterowanie lub doprowadzenia I D(rat) = T j(max) T c R th(j-c) P D(rat) (MOSFET) R DS(on) (T j(max) ) T j(max) T c P dm(rat) (t p, T p )= Z th(j-c) Wzór prawdziwy zawsze P d (av) (m)(max)= T j(max) T a 1,1R [Z ]th(j-a) Ta typowo 25 C, rozsądniej 40 C uproszczenie na czas wstępnego poszukiwania przyrządu P d(av)(max)= T j(max) 100 C 1,1R th(j-c) 35

Zależność mocy dopuszczalnej od temperatury Otoczenia wymaga znajomości parametrów całego toru odprowadzania ciepła (z radiatorem / obwodem drukowanym) 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) 36

Impulsowe wydzielanie mocy pojedynczy impuls okresowy ciąg impulsów 37

Impedancja cieplna Impedancja cieplna T j(m) T a =Z th(j-a) (t p, T p ) P d(m) do obliczeń ręcznych daje się stosować również do złożonych kształtów często wymaganych kilka iteracji Rezystancja cieplna można stosować dla f 10 khz T j(m) T a 110% (T j(av) T a ) zamiast mocy stałej Pd należy używać mocy średniej Pd(av) T j(m) T a 1,1 R th(j-a) P d(av) współczynnik 1,1 odzwier ciedla różnicę Tj(m) Tj(av) pomijalny przy f 100 khz Z th(norm) = Z th R th 38

Model dynamiczny 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 39

Model dynamiczny RC (cd.) Postać Fostera łatwiejsza doświadczalna identyfikacja parametrów w mniejszym stopniu odpowiada istocie zjawisk fizycznych przeliczenie na postać Cauera możliwe, ale złożone numerycznie 40

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 działają 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 ( ) 41

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) 42

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 43

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 THT, 0,2 2 nh SMT coraz szybsze przełączenie większe stromości prądu przebicie lawinowe niekorzystne unipolarne niebezpieczne bipolarne, niekiedy unipolarne mała wspólna indukcyjność 44

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 45