Część 4 Sterowanie i bezpieczna praca przyrządów półprzewodnikowych mocy 73
Sterowanie napięciowo-ładunkowe Główny warunek załączenia Pojemności pasożytnicze (~10 1000 pf): liniowe: CGN, CGO, CCP, CGD(ox) ε ox C ox =A =const t ox nieliniowe, zależne od napięcia (złączowe): CDS, CGD(sc) Dodatkowy warunek załączenia Q C= U UGS(on) > UGS(th) napięcie progowe bramka-źródło (1 5 V) QG > QG(on) załączający ładunek bramki (~1 100 nc) doprowadzenie ładunku wymaga przepływu określonego prądu przez określony czas 74
Dodatkowe wymagania związane z przełączaniem Charakterystyka przejściowa ID = f(ugs) UGS(on) > UGS(ID(on)) Charakterystyka wyjściowa zakres, UDS(on) = f(id, UGS) UGS(on) UGS(opt)(ID(on)) Wytrzymałość napięciowa układu bramka-podłoże UGS UGS(max,rat) Wyłączanie: UGS(of) drugorzędne, ale ma wpływ na: pewność wyłączenia szybkość wyłączania 75
Rezystancja w obwodzie bramki Wpływ na przełączanie zmiana czasu załączania i czasu wyłączania dwie drogi do tego samego wniosku: stała czasowa obwodu bramki t /τ ( ) u GS =U GS(on) 1 e Argumenty za skróceniem czasów przełączania G τ G =R G C in prąd bramki Q G= i G d t u g u GS i G= RG Rezystancja wewnętrzna bramki rzędu kilku Ω może wystarczyć, ale duży rozrzut zmniejszenie energii wydzielanej podczas przełączania możliwość zwiększenia częstotliwości przełączania zmniejszenie wymiarów elementów biernych Kontrargumenty indukcja zaburzeń na indukcyjnościach pasożytniczych di u ind=ls dt ograniczenie prądu sterownika większa kontrola nad czasem przełączania, szczególnie przy szeregowych połączeniach tranzystorów 76
Wykorzystanie charakterystyki ładunku bramki Ładunki bramki załączający QG(on) (punkt D) całkowity QG(tot) (punkt E) pewność załączenia moc strat dynamicznych (zał. QGD + QGS2 QG(on)) pobór prądu/mocy na sterowanie Zależność od warunków pracy QGS2 rośnie z ID(on) QGD rośnie z UDS(of) QG(on) jest niezależny od parametrów obwodu bramki RG, UGS(on), UGS(of) 77
Rzeczywisty generator impulsów bramkowych Najczęstsze rozwiązania tranzystor lub para wzmacniacz operacyjny mikrokontroler / sterownik logiczny (controller) dedykowany sterownik bramki (gate driver) Czasem dodatkowo izolacja optyczna może być scalona wymaga osobnego zasilania strony tranzystora transformator impulsowy Rola poziom(y) napięcia logika tranzystor amplituda podstawa wydajność/obciążalność prądowa pozwalająca na przełączenie tranzystora w pożądanym czasie 78
Sterownik bramki tranzystorów polowych mocy (MOSFET, IGBT) IR2117 prosty sterownik bramki Wyjście VHO = VS VHO = VB = VS+Ub Łącznik dolny VS = 0, Ub = UGG 79
Droga prądu bramki Przepływ ładunku = prąd prąd płynie w obwodzie zamkniętym, który należy dobrze zaplanować w przeciwnym razie duży prąd popłynie nieprzewidywalnie może uszkodzić elementy w obwodzie mogą występować zaburzenia Jak najmniejsza długość i powierzchnia VHO = VB ; ugs Ub VHO = VS ; ugs 0 szybkość propagacji generacja zaburzeń przechwytywanie zaburzeń Brak odcinków wspólnych z obwodem mocy inaczej przeniosą się zaburzenia 80
Sterownik łącznika górnego samoładujące się zasilanie obwodu bramki (układ bootstrap) Zadanie konieczna generacja sygnału bramkowego względem źródła tranzystora (VS) źródło T nie przyłączone do masy źródła zasilania sterownika UGG kondensator Cb jest niezbędny jako źródło napięcia Ub Działanie kondensator doładowuje się do UBS = UGG VS musi być czasowo równe 0 dzieje się to samoczynnie kiedy ug = 0, gdyż wtedy url 0 sterowniki (pół)mostka dolny tranzystor zamiast odbiornika Łącznik górny VS = url = var, Ub = UGG UF,Db Wymagania układ cały czas przełączany wykluczone D = 1 (i bliskie) połączone masy obu obwodów przez odbiornik mała RL (ZL, Ron dolnego T) 81
Sterowanie tranzystorów BJT w układach impulsowych Wzmocnienie prądowe I C =β f I B βf statyczne wzmocnienie prądowe przy pracy normalnej w układzie wspólnego emitera Praca w roli łącznika celem jest możliwość przewodzenia prądu obciążenia przy niskim spadku potencjału (UCE) jak największe IB nie uzyskanie konkretnego stosunku IC do IB wartość IC jest narzucona z zewnątrz (np. przez odbiornik) stąd częsta praca ze wzmocnieniem wymuszonym, tj. będącym konsekwencją IC i IB 82
Punkt pracy w stanie przewodzenia Zależność wzmocnienia od prądu kolektora BU1508DX: IC(rat) = 8 A, βf(nom) = 13 silna, nieliniowa, niemonotoniczna charakterystyka podawana dla UCE = const, w zakresie aktywnym stosunkowo duże UCE wartość znamionowa to wartość maksymalna, a nie występująca dla prądu znamionowego Zakres nasycenia duża liczba nośników nadmiarowych niski spadek napięcia niska statyczna moc strat powolne wyłączanie wysoka dynamiczna moc strat lepszy zakres quasi-nasycenia 83
Układy sterowania Zasilanie dwubiegunowe Zasilanie jednobiegunowe Przyspieszenie wyłączania Realizacja źródła prądowego 84
Załączanie bramkowe i wyłączanie tyrystora Załączanie Wyłączanie kontrolowane przez moment podania impulsu bramkowego prąd zatrzasku IL prąd podtrzymania IH Ograniczenie zakresu sterowania fazowego Przebicie cieplne przy załączaniu krytyczna stromość narastania prądu przewodzenia dit/dt ryzyko spada ze wzrostem ig 85
Wyłączanie tyrystorów Przebieg procesu układ pracy zapewnia ujemne napięcie na tyrystorze usuwanie ładunku prądem wstecznym czas odzyskiwania zdolności zaworowej trr Niebezpieczeństwo załączenia (niepożądanego) obecność nośników w głębi tyrystora nawet po upływie trr dalszy zanik w drodze rekombinacji powolny, do tego czasu wewnętrzne złącze nadal przewodzi czas wyłączania tq Załączanie stromościowe nośniki mogą również napłynąć w wyniku przepływu tzw. prądu przesunięcia krytyczna stromość narastania napięcia blokowania (dud/dt)crit 86
Impulsy bramkowe Warunki załączenia proste sterowanie przesunięte i przeskalowane napięcie sieci przekroczenie (w praktyce 3 5x) przełączającego prądu bramki IGT lub napięcia przełączającego UGT gwarantuje odpowiedni IGT dostateczna długość impulsu optymalny kształt impulsu prądu bramki z użyciem generatora impulsów (najprostszy: kondensator + diak) sterowanie ciągłe obciążenie indukcyjne ciąg impulsów jak wyżej, ale mniejsza moc sterowania 87
Generacja impulsów prądu bramki Serie o różnym IGT Prosty układ sterowania (G ) IGT di/dt, du/dt przyrządy logic-level, sensitive gate możliwe sterowanie bezpośrednio z wyjścia mikrokontrolera (IGT 5 ma) Tyrystory dwukierunkowe (traki) niesymetryczna budowa powoduje różne wartości IGT dla różnych polaryzacji obwodu głównego i prądu bramki najbardziej korzystna: MT2+ G+ niekorzystna: MT2 G+ jeżeli jedna polaryzacja ig, to Sterownik scalony z izolacją galwaniczną przełączanie przy zerowym napięciu minimalizuje di/dt przyrządy 3-ćwiartkowe brak wyzwalania dla MT2 G+, ale zwiększona niezawodność 88
Autonomiczny obwód sterowania bramki Źródłem prądu impulsowego jest kondensator szybkość narastania napięcia zależy od potencjometru Diak załącza się przy 20 40 V Układ ulepszony dezaktywacja obwodu sterowania po załączeniu triaka mniejsza moc sterowania Rd 89
Obszar bezpiecznej pracy Definicja obszar na płaszczyźnie charakterystyk statycznych obwodu głównego, w którego dowolnym miejscu może się bezpiecznie znajdować punkt pracy przyrządu, w określonych warunkach cieplnych Granice mogą wynikać z: Tranzystor VDMOS, kierunek przewodzenia bezpieczeństwa napięciowego obwodu głównego bezpieczeństwa cieplnego obwodu głównego ale także: ograniczeń obwodu sterowania ograniczeń obudowy 1 2 3a 3 3b 4 5 rezystancja w stanie załączenia maksymalny dopuszczalny prąd impulsowy maksymalny dopuszczalny prąd ciągły maks. dopuszczalna moc strat dla pracy ciągłej maks. dopuszczalna moc strat dla pracy impulsowej przebicie cieplne przebicie lawinowe 90
Przebicie cieplne Prąd nośników generowanych cieplnie w obszarze ładunku przestrzennego złącza Moc odprowadzana do otoczenia Moc wydzielana w przyrządzie 91
Mikroskopowe mechanizmy i skutki przebicia cieplnego Przebicie cieplne zachodzi, gdy wystąpi niestabilność cieplna dodatnie sprzężenie zwrotne powodujące samorzutne narastanie temperatury W obszarze ładunku przestrzennego generowane są termicznie pary h-e Niestabilność cieplna ma charakter lokalny wywołuje ją nadmierna lokalna Tj gęstość objętościowa mocy pv gęstość prądu J przeciwdziałanie: zwiększenie przekroju, równomierny rozpływ prądu zwiększone niebezpieczeństwo w stanach dynamicznych Przy pewnej Tj: ni N (ND albo NA) n p ni (a nie N i ni2/n) krytyczne są gorące punkty w których T jest najwyższa σ jest wyższa, a więc ρ niższa ściąganie prądu J p T ni półprzewodnik staje się samoistnym o dużej przewodności (mezoplazma) zlanie obszarów N/P uniemożliwia działanie przyrządów zanikają złącza Ostatecznie uszkodzenie mechaniczne np. pęknięcie, stopienie 92
Inicjacja przebicia cieplnego w przyrządach półprzewodnikowych mocy Tranzystor BJT z temperaturą rośnie prąd nasycenia, prąd dyfuzyjny, czas życia nośników, wzmocnienie prądowe pojedyncza struktura na całej pastylce krzemu łatwo o nierównomierny rozpływ prądu długie przełączanie łatwo osiągnąć Tcrit Tranzystor MOSFET zalety: T ρ ; struktura komórkowa; krótkie przełączanie występuje pasożytniczy BJT rozrzut UGS(th) komórek nierównomierny rozpływ prądu T UGS(th) J przebicie lawinowe nadmierne wydzielanie mocy 93
Prawo Fouriera przewodnictwa cieplnego W elektronice mocy konieczna jest analiza zjawisk cieplnych we wszystkich 4 stanach łącznika półprzewodnikowego wydzielana jest moc zbyt duża moc prowadzi do uszkodzenia przyrządu Postać ogólna i całkowa Materiał jednorodny q gęstość strumienia cieplnego [W/m2] T temperatura k przewodność cieplna [W/(m K)] Q ciepło [J] A pole przekroju U konduktancja cieplna [W/K] Rezystancja cieplna podstawowy parametr wykorzystywany w projektowaniu układów Rth rezystancja cieplna [K/W] 94
Cieplny układ pracy i elektryczny obwód równoważny Po uwzględnieniu P = dq/dt praktyczna postać prawa Fouriera: analog prawa Ohma analog napięciowego prawa Kirchhoffa: analog potencjału analog natężenia prądu analog rezystancji elektrycznej 95
Cieplny układ pracy z radiatorem Przy poprawnie dobranym radiatorze Rth(s-a) Rth(c-a) 96
Zastosowanie radiatorów Mechanizmy chłodzenia (oddawania ciepła) Montaż radiacja promieniowanie podczerwone konwekcja makroskopowy ruch czynnika chłodzącego naturalna grawitacyjna wymuszona wentylatory, pompy przewodności cieplnej materiału powierzchni i jej stosunku do objętości emisyjności powierzchni rodzaju i prędkości przepływu czynnika chłodzącego podkładki elektroizolacyjne zwiększają Rth(c-s) Rezystancja cieplna zależy od: pasty termoprzewodzące zmniejszają Rth(c-s) ale konieczne, gdy radiator wspólny dla kilku przyrządów chyba że posiadają izolowane obudowy Chłodzenie przy montażu powierzchniowym ścieżki drukowane dedykowane pole miedzi o dużej powierzchni, do którego lutowane jest odpowiednie wyprowadzenie przyrządu 97
Powierzchnia chłodząca np.: TO-3, 204 TO-220, 247, 262 TO-92 DO-204 (DO-35, 41) DIP Thermal Pad DIP Montaż przewlekany * * * * wyszczególnione wyprowadzenia dalej przez radiator Montaż powierzchniowy S Rth(j-a) TO-252, 263 np.: (DPAK, D2PAK) DO-214, SOD, SOT dalej przez miedź na płytce 1206, 1812 SOIC, (T)(S)SOP, QFP, DFN, QFN * * * * * Metalowe powierzchnie kontaktu standardowo nie są izolowane elektrycznie można je łączyć tylko ze ściśle określonym potencjałem obwodu dotyczy również radiatorów wspólnych dla kilku przyrządów 98
Wytrzymałość napięciowa W praktycznych przyrządach o wytrzymałości w zasadniczym kierunku blokowania decyduje przebicie lawinowe przebicie skrośne może występować jednocześnie (PT PIN, PT IGBT) zmniejsza napięcie przebicia lawinowego W kierunku zaporowym tranzystorów może decydować przebicie skrośne zależnie od typu tranzystora (budowy wewnętrznej) Przebicie lawinowe/skrośne nie jest niszczące samo z siebie, ale: przyrząd przestaje blokować płynie duży prąd (ograniczony impedancją obwodu) duża gęstość prądu aktywacja sprzężenia elektrotermicznego przebicie cieplne uszkodzenie połączeń wewnątrz obudowy duży prąd przy wysokim U=Ubr duża moc wydzielana wysoka Tj Tj > Tj(max) przyrząd poza SOA Tj > Tj(crit) przebicie cieplne 99
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 T Ubr niekorzystna jest praca w niskich temperaturach 100
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 N+ P + C G S N+ P G 1E-6 E N+ P 1E-7 G 1E-8 0 5 10 15 20 25 E N+ P N UR [V] 101
Wykorzystanie parametrów znamionowych w doborze przyrządu Napięcie znamionowe Prąd znamionowy (ciągły) P d(rat) = stosowalne bezpośrednio zapas +50 100% na przepięcia zależy od warunków chłodzenia jest pochodną mocy dopuszczalnej zwykle Tc(nom) = 25 warunki nierealistyczne (idealne chłodzenie obudowy, Rth(c-a)=0) może służyć wyłącznie do zgrubnego doboru oraz porównywania przyrządów między sobą I D(rat) = ograniczony przez sterowanie lub doprowadzenia R th(j-c) P D(rat) U DS(on) (I D(rat) ) Wzór prawdziwy zawsze P d(max)= Prąd znamionowy szczytowy T j(max) T c(nom) T j(max) T a R th(j-a) Ta typowo 25, rozsądniej 40 uproszczenie na czas wstępnego poszukiwania przyrządu T j(max) 100 P d(max)= R th(j-c) dla krótkich impulsów, niskich częstotliwości Rth Zth 102