Poliechnika Łódzka Kaedra Mikroelekroniki i Technik Informaycznych 90-924 Łódź, ul. Wólczańska 221/223, bud. B18 el. 42 631 26 28 faks 42 636 03 27 e-mail secreary@dmcs.p.lodz.pl hp://www.dmcs.p.lodz.pl LABORATORIUM PRZYRZĄÓW I UKŁAÓW MOCY Ćwiczenie 6P Sray mocy przy pracy łącznikowej Łącznik dolny Symulacja kompuerowa przekszałników impulsowych Opracowanie ćwiczenia i insrukcji: Łukasz Sarzak Łódź 2019 wer. 7.2.0. 14.3.2019
Spis reści B Wprowadzenie do ćwiczenia... 5 1. Cel i przebieg ćwiczenia... 5 2. Sray mocy w ranzysorach MOSFET... 7 2.1. Moc sra i jej składowe... 7 2.1.a. Isoność sra mocy... 7 2.1.b. Składowe całkowiej mocy sra... 7 2.2. Sray sayczne... 9 2.2.a. San załączenia i san wyłączenia... 9 2.2.b. Rezysancja w sanie załączenia... 10 2.3. Sray dynamiczne... 12 2.3.a. Moc chwilowa i energia wydzielana w sanach dynamicznych... 12 2.3.b. Obciążenie o charakerze opornika (rezysancyjne)... 12 2.3.c. Obciążenie o charakerze źródła prądu (indukcyjne)... 14 2.3.d. Rzeczywise konfiguracje pracy... 14 2.3.e. Prakyka pomiarowa... 15 3. Przerywacz napięcia sałego... 17 3.1. Serowanie impulsowe... 17 3.1.a. Przebieg impulsowy... 17 3.1.b. Paramery rzeczywisego przebiegu impulsowego... 18 3.2. Pojedynczy łącznik ranzysorowy jako przekszałnik C-C... 20 3.2.a. Łącznik dolny... 20 3.2.b. Przerywacz jako przewornica... 21 C oświadczenie... 23 4. Symulacje... 23 4.1. Uzupełnienie schemau i konfiguracja symulacji... 23 Analizowany obwód... 23 Źródła i elemeny bierne... 24 Uruchomienie symulacji... 25 4.2. Sray mocy i wpływ częsoliwości przełączania... 27 Chwilowa moc sra w ranzysorze... 27 Energia wydzielana w ranzysorze... 28 Zmiana częsoliwości przełączania... 30 Wyniki... 31 5. Opracowanie i analiza wyników... 31 5.1. Składowe sra mocy... 31 Elemeny obwodu... 31 Porównanie składowych energii wydzielanej i mocy sra... 31 5.2. Wpływ częsoliwości przełączania... 32 Wpływ częsoliwości przełączania na wydzielaną energię... 32 Wpływ częsoliwości przełączania na moc sra... 32 E Informacje... 33 6. Wymagana wiedza... 33 6.1. Przygoowanie do wykonania ćwiczenia... 33 6.2. Zakres kolokwium... 33 7. Lieraura... 34
B Wprowadzenie do ćwiczenia 1. Cel i przebieg ćwiczenia Celem ćwiczenia jes zbadanie poszczególnych składowych mocy sra w łączniku półprzewodnikowym oraz ich zmian w funkcji częsoliwości przełączania. Będzie o jednocześnie okazja do zasosowania symulacji kompuerowej do analizy działania przyrządów półprzewodnikowych i układów mocy. Powyższe zagadnienie będzie rozważane na przykładzie konkrenego przyrządu ranzysora MOSFET. Jes o przyrząd o sosunkowo prosym działaniu, dzięki czemu nie będzie konieczne rozważanie zjawisk drugorzędnych. Tranzysor pracować będzie w swojej najprosszej konfiguracji pracy łącznika dolnego, realizując funkcję prosego przekszałnika elekronicznego przerywacza napięcia sałego.
2. Sray mocy w ranzysorach MOSFET 2.1. Moc sra i jej składowe 2.1.a. Isoność sra mocy Zjaw wynikające z przekroczenia bezpiecznej warości mocy sra sanowią najczęsszą przyczynę uszkodzeń przyrządów półprzewodnikowych mocy, a w konsekwencji układów elekroniki mocy. Przewidywanie mocy sra jes więc bardzo isonym eapem projekowania każdego układu. W niniejszym ćwiczeniu ograniczymy się do najprosszych ręcznych meod szacowania mocy sra. W meodach ych rakuje się wydzielanie energii cieplnej w sposób makroskopowy, a przyrząd półprzewodnikowy rozważa się jako skupiony (bez wymiarów geomerycznych). Są o uproszczenia pożyeczne, gdyż pozwalają na dokonywanie szybkich szacunków, jednak niekiedy zawodne. W przypadku skomplikowanych problemów z wydzielaniem ciepła, sosuje się modele rójwymiarowe. Pozwalają one na rozparywanie mocy sra i emperaury nie globalnie (makroskopowo), ale w każdym punkcie srukury półprzewodnikowej (podejście mikroskopowe). W en sposób możliwe jes przewidzenie np. lokalnego przegrzewania się srukury. Oczywiście analiza aka możliwa jes wyłącznie z użyciem symulacji kompuerowej. Uproszczone podejście makroskopowe opiera się na mocy czynnej. Z definicji bowiem o właśnie moc czynna charakeryzuje energię elekryczną przewarzaną na inną posać energii. W przypadku sra mocy w przyrządzie półprzewodnikowym mamy do czynienia z energią cieplną. Energia a jes zbędna i niekorzysna zmniejsza sprawność układu elekronicznego i wymusza dodanie elemenów chłodzących. Można ją minimalizować przez odpowiedni dobór przyrządu półprzewodnikowego, sraegii i paramerów serowania oraz opologii całego układu, jednakże nie można jej całkowicie wyeliminować. 2.1.b. Składowe całkowiej mocy sra Tranzysor MOSFET jak każdy przyrząd serowalny posiada dwa obwody: główny i serowania. W każdym z nich płynie (przynajmniej w pewnych odcinkach czasu) prąd przy niezerowym napięciu, co oznacza sray mocy. W obwodzie głównym (drenu) mamy do czynienia z przepływem prądu i od drenu do źródła, kóry wywołuje spadek poencjału u S między ymi końcówkami. Wskuek ego wydzielana jes moc o warości chwilowej a związana z ym moc czynna wynosi p = i u (2.1) S
8 B 2 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.2.0) 1 1 P = pd = iusd (2.2) T T s T s W obwodzie serowania między bramką a źródłem przepływa prąd i G przy pewnym napięciu u GS, co wywołuje sray mocy wyrażające się wzorami: G s T GS G s p = u i (2.3) 1 1 P G = pgd = ugsigd (2.4) T T s T s Polowy mechanizm serowania sprawia jednak, że jakkolwiek chwilowo prąd bramki może przyjmować znaczne warości moc czynna sra w obwodzie bramki jes nieznaczna. Przepływ prądu rwa bowiem króko względem okresu powarzania impulsów serujących T p. laego uprawnione jes przyjęcie, że P G P i rozważanie odąd wyłącznie sra mocy w obwodzie drenu. W przypadku przyrządów ze serowaniem złączowym rozważenie obwodu serowania jes naomias konieczne: 1º pod kąem bezpieczeńswa samego złącza serującego (maksymalny dopuszczalny prąd i maksymalna dopuszczalna moc sra niekiedy podawany jes w ym celu osobny rysunek obszaru bezpiecznej pracy); 2º pod kąem mocy sra w całym przyrządzie i wynikającej sąd konieczności odprowadzenia większej ilości ciepła. Kolejny podział na składowe wynika z wyróżnienia poszczególnych sanów pracy łącznika półprzewodnikowego (zob. insrukcję 0, par. 4.2). Całkowią energię W o wydzielaną w okresie przełączania T s możemy podzielić na wydzielaną w sanach saycznych (przewodzenia W cond i blokowania W b) oraz dynamicznych (załączania W on i wyłączania W off): sa cond s T s W = W + W (2.5) dyn on b W = W + W (2.6) off W = ( = W + W (2.7) o W Ts ) sa dyn W konsekwencji w całkowiej mocy sra P (P,o) można wyróżnić moc sra saycznych P,sa i moc sra dynamicznych P,dyn: gdzie W ( T ) = P P (2.8) s P =,sa + Ts W,dyn sa P,sa = (2.9) Ts Wdyn P,dyn = (2.10) T s
Sray mocy w ranzysorach MOSFET B 2 9 2.2. Sray sayczne 2.2.a. San załączenia i san wyłączenia W sanie saycznym (lub przynajmniej quasi-saycznym, czyli w kórym wymuszenie jes wolniejsze niż ranzysor), przy prądzie I i napięciu U S, kóre można uznać za sałe, moc chwilowa sra w obwodzie drenu jes również sała i wynosi p = I U (2.11) la sanu załączenia (przewodzenia) przez co rozumie się pracę z niskim napięciem U S, a więc w zakresie liniowym spadek poencjału na ranzysorze U S może być uznany za proporcjonalny do prądu drenu zgodnie z zależnością S(on) (on) S U = I R (2.12) S(on) gdzie R S(on) jes rezysancją dren-źródło w sanie załączenia (zob. paragraf 2.2.b). Podsawiając (2.12) do (2.11) mamy (cond) I(on) U S(on) I(on) ) (on) (on) S(on) 2 (on) p = ( = I I R = I R (2.13) S(on) Z kolei w sanie wyłączenia (blokowania) ranzysor narzuca prąd drenu. Określa go prąd upływu dren-źródło (ang. drain-source leakage curren) oznaczany zwykle I SS. Wyznacza się go przy zwarciu bramki ze źródłem (U GS = 0), o czym mówi osania liera S w indeksie (od ang. shored zwary ). Z zależności (2.11) mamy więc 2 S(off) U p (b) = U S(off) ISS( U S(off) ) = (2.14) R przy czym prąd I SS rośnie z blokowanym napięciem U S(off) i emperaurą, zaś rezysancja R S(off) spada. Przyjmując serowanie impulsowe impulsami o długości p, okresie T p i współczynniku wypełnienia, oraz zakładając, że czasy przełączania są dużo krósze od p i T p, czasy załączenia cond i wyłączenia b są równe: S(off) cond = p (2.15) b = T (2.16) Wobec ego energia wydzielana w ranzysorze w rozparywanych sanach wynosi p p W (cond) = p(cond) d = 2 I(on) cond cond = I 2 (on) R S(on) T p R S(on) d = I 2 (on) R S(on) cond = I 2 (on) R S(on) p = (2.17) W (b) = p(b) d = b b = U S(off) I SS U S(off) (1 ) T I p SS d = U I S(off) SS b = U S(off) I SS ( T p ) = p (2.18) Podsawiając powyższe do (2.9) i uwzględniając, że okres przełączania T s jes równy okresowi powarzania impulsów serujących T p, mamy
10 B 2 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.2.0) W + W = ( U I (2.19) (cond) (b) 2, sa = IRS(on) + 1 ) Tp P S(off) Typowy (w rozważanych przez nas aplikacjach) rząd wielkości prądów i napięć o: 1º w sanie załączenia I 0,1 10 A, U S 0,1 1 V, a więc p (cond) 0,01 10 W; 2º w sanie wyłączenia U S 10 100 V, I 1 µa 100 µa, a więc p (b) 0,01 10 mw. laego eż uprawnione jes przyjęcie p (b) p (cond), a sąd W (b) W (cond) i rozważanie wyłącznie składnika mocy saycznej wynikającej ze sra w sanie załączenia: 2.2.b. Rezysancja w sanie załączenia W P = (2.20) (cond) 2, sa IRS(on) Tp Jak widać ze wzoru (2.20), znaczący wpływ na moc sra saycznych ma rezysancja drenźródło w sanie załączenia. Wielkość a definiowana jes jako SS U Δ S R S(on) = (2.21) I U S 0 innymi słowy jes o odwroność nachylenia charakerysyki saycznej ranzysora w począku układu współrzędnych (U S 0). Rezysancja R S(on) jes silnie zależna od emperaury. Zależność a ma charaker rosnący, co wynika ze spadku ruchliwości nośników w wyniku zwiększenia ampliudy drgań węzłów sieci krysalicznej. Rys. 1. Charakerysyka znormalizowanej rezysancji dren-źródło w sanie załączenia w funkcji emperaury dla ranzysora MOSFET PHP45NQ15T W kaalogach jako charakerysyczną (nominalną) podaje się warość w emperaurze srukury T j równej emperaurze pokojowej 25 C. Jednakże nagrzewanie się srukury półprzewodnikowej podczas pracy jes nieuniknione. Rezysancję przyrządu dla danej emperaury można obliczyć ze wzoru
Sray mocy w ranzysorach MOSFET B 2 11 R T ) = R (25 C) R ( T ) (2.22) S(on) ( j S(on) S(on)norm j gdzie R S(on)(25 C) jes rezysancją nominalną, zaś R S(on)norm jes rezysancją znormalizowaną (ang. normalized on-sae resisance) j. odniesioną do R S(on)(25 C) dla danej emperaury T j: Δ RS(on) ( Tj ) R S(on)norm ( Tj ) = (2.23) R (25 C) Rezysancję znormalizowaną można odczyać z charakerysyki (w funkcji emperaury) podawanej w karcie kaalogowej. Przykładowy przebieg akiej charakerysyki przedsawia rys. 1. la ranzysora PHP45NQ15T nominalna rezysancja R S(on) wynosi 42 mω, sąd np. dla jego maksymalnej dopuszczalnej emperaury 175 C (z rys. 1 R S(on)norm 2,7), R S(on) = 42 mω 2,7 = 113 mω. S(on)
12 B 2 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.2.0) 2.3. Sray dynamiczne 2.3.a. Moc chwilowa i energia wydzielana w sanach dynamicznych W sanach dynamicznych prąd i napięcie są zmienne, a ich przebiegi wynikają z wzajemnego oddziaływania przyrządu i obwodu. W ogólności energia wydzielana w sanie załączania i wyłączania (w obwodzie głównym) wyraża się więc całką W (on) = pd = iusd (2.24) Δ W on Δ W on W (off) = pd = iusd (2.25) Δ W off Δ W off gdzie Won i Woff są przedziałami całkowania odpowiadającymi odpowiednio procesowi załączania i wyłączania w odniesieniu do obwodu głównego. Są o więc przedziały, w kórych zmieniają się warości chwilowe przebiegów u S i i. Oddziaływanie przyrządu i jego układu pracy może mieć różny charaker, a przebiegi złożony kszał. Wyprowadzenie prakycznych zależności pozwalających oszacować energię wydzielaną jes możliwe, jeżeli przyjmie się nasępujące założenia upraszczające: 1º napięcie i prąd zmieniają się w czasie liniowo, między zerem a warością maksymalną; 2º układ pracy ranzysora można sprowadzić do modelowego obciążenia o charakerze opornika lub o charakerze źródła prądowego. Rozparzymy eraz kolejno oba e przypadki obciążeń. 2.3.b. Obciążenie o charakerze opornika (rezysancyjne) Przypadek en zosał dokładnie przeanalizowany w insrukcji 3P (podrozdz. 2.4). Jak wynika z ej analizy, zmiany napięcia i prądu podczas przełączania są jednoczesne, łączy je bowiem prosa pracy obwodu rezysancyjnego zasilanego napięciowo sąd określenie obciążenie rezysancyjne (ang. resisive load). Przy założeniu liniowego (jednosajnego) narasania i opadania, przebiegi prądu i napięcia podczas załączania (rys. 2a) opisują zależności: i u I = S (on) r U = S(off) r ( r ) (2.26) przy czym dla uproszczenia wzorów przyjęo, że = 0 w chwili rozpoczęcia załączania. Czas Eon doyczy przełączania w obwodzie głównym. A więc, jak widać na rysunku, w rozparywanym przypadku jes on równy czasowi narasania r. W niniejszym ćwiczeniu nie analizujemy szczegółowo aaku prądowego, ale dla porządku należy u wspomnieć, że czas en można wyznaczyć z ładunku bramki Q G. Moc chwilowa sra podczas załączania wynosi p I(on) US(off) = ius = ( r ) (2.27) 2 Równanie o opisuje w funkcji czasu parabolę o miejscach zerowych = 0 i = r (rys. 2a). Jej warość maksymalna wypada dla r
Sray mocy w ranzysorach MOSFET B 2 13 dp I(on) US(off) d 2 I(on) U S(off) = ( r ) = ( r 2) 0 2 2 d d = r r (2.28) czyli dla = r/2. Wynosi więc ona I U p = p = (2.29) (m) (on) S(off) r r 1 ( r / 2) = I 2 4 (on) US(off) r 2 2 Energia wydzielana podczas załączania jes równa całce z mocy chwilowej, j. polu powierzchni pod przebiegiem p : W r r r (on) S(off) (on) S(off) (on) = pd = ( 2 r )d = 2 0 r 0 r 0 I = U I (on) S(off) 2 r U 1 2 1 3 r 1 [ r ] = I(on) U S(off) r 2 3 0 6 I U ( r 2 )d = (2.30) Analogicznie, dla procesu wyłączania, kórego czas rwania jes równy czasowi opadania f ranzysora, kóry o również może być wyznaczony z ładunku bramki Q G, orzymujemy Wobec ego W (off) = p d = I U (2.31) f 1 6 (on) S(off) f W + W P = ( + f (2.32) (on) (off) 1, dyn = I 6 (on) U S(off) r f ) Tp p a) i b) i I (on) I (on) u S u S U S(off) U S(off) p p I (on) U S(off) W (on) W (off) I (on) U S(off) /4 W (on) W (off) 0 r ri fu = r ru = f fi Won = r Woff = f Won Woff Rys. 2. Idealizowane przebiegi prądu, napięcia i mocy chwilowej oraz energia wydzielana podczas przełączania w ranzysorze MOSFET: a) obciążenie o charakerze opornika; b) obciążenie o charakerze źródła prądu
14 B 2 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.2.0) 2.3.c. Obciążenie o charakerze źródła prądu (indukcyjne) Przypadek en zosał dokładnie przeanalizowany w insrukcji 3P (podrozdz. 2.5). Jak wynika z ej analizy, podczas załączania ranzysor musi przejąć pełen prąd I (on) narzucony przez układ, a dopiero wówczas napięcie na nim może spaść do niskiej warości charakerysycznej dla sanu przewodzenia (rys. 2b). Z kolei podczas wyłączania spadek prądu do zera może się rozpocząć dopiero po wzroście napięcia do wysokiej warości narzuconej z zewnąrz. Jak widać, zmiana każdej z wielkości fizycznych (prądu / napięcia) odbywa się przy wysokiej warości drugiej z ych wielkości wymuszonej przez obwód zewnęrzny. Z ego powodu proces en nazywany jes przełączaniem wardym (ang. hard swiching). Z analizy rys. 2b wynika, że przy założeniu liniowości zmian prądu i napięcia, moc chwilowa będzie miała kszał rójkąów o ampliudzie p = I U (2.33) (m) (on) S(off) Zwróćmy uwagę, że ampliuda a jes czerokronie wyższa, niż w przypadku obciążenia rezysancyjnego [wzór (2.29)]. Energia wydzielana może być obliczona jako pole rójkąa o wysokości p (m) i podsawie odpowiednio Won lub Woff: W (on) Δ 1 2 = p d = I U Δ (2.34) Won (on) S(off) Won W (off) Sąd moc czynna sra dynamicznych Δ 1 2 = p d = I U Δ (2.35) Woff (on) S(off) Woff W + W = ( f (2.36) (on) (off) 1, dyn I 2 (on) US(off) Δ on Δ off ) T = W + W p P Wynik en jes kilkakronie większy od orzymanego dla obciążenia o charakerze opornika, bowiem zamias współczynnika 1/6 pojawił się współczynnik 1/2, zaś dodakowo czasy Won i Woff nie są już ożsame z czasami r i f. Zmiana prądu i zmiana napięcia dokonuje się u bowiem osobno. Przy ym z definicji czasów r i f wynika, że odpowiadają one odpowiednio opadaniu (czas fu) i narasaniu (czas ru) napięcia u S. Można uznać, że są one akie same, jak w przypadku obciążenia rezysancyjnego. Z kolei, nie wchodząc w szczegóły, dodakowe czasy narasania ri i opadania fi prądu wynikają i mogą być obliczone z ładunku bramki Q GS2. Model źródła prądowego w szacowaniu mocy sra dynamicznych jes sosowany najczęściej, gdyż 1º sale płynący prąd przełączany między gałęziami jes ypowy dla układów o działaniu przełączającym, zaś przełączanie z rys. 2a wysępuje sanowczo rzadziej; 2º wzajemny układ przebiegów prądu i napięcia z rys. 2b jes zasadniczo najgorszym z możliwych, jeżeli pominiemy możliwość wysąpienia przepięć i przeężeń w związku z ym en model przełączania nie grozi niedoszacowaniem sra mocy. 2.3.d. Rzeczywise konfiguracje pracy Jes oczywise, że rzeczywise układy nie są idealne. Wskuek obecności indukcyjności i pojemności pasożyniczych, ranzysor obciążony opornikiem nie wykaże idealnie prosoliniowych przebiegów będących swoim wzajemnym lusrzanym odbiciem, jak również san wyłączania nie będzie lusrzanym odbiciem sanu załączania. odakowo na przebiegach pojawią się przepięcia, przeężenia oraz niezerowe spadki poencjału w sanach usalonych. Niemniej przedsawione wyżej modele idealne sanowią dobre narzędzie do zrozumienia p
Sray mocy w ranzysorach MOSFET B 2 15 zachowania się łączników półprzewodnikowych w rzeczywisych układach, a akże do szacowania mocy sra. Isnieją akże zaawansowane konfiguracje pracy, w kórych przebiegi prądu i napięcia przyjmują złożone kszały. Należą do nich: 1) przekszałniki rezonansowe (ang. resonan converers), 2) układy z łumikami (ang. snubbers). W układach akich w skład obwodu mocy oprócz łącznika półprzewodnikowego i odbiornika wchodzą dodakowe elemeny, kórych zadaniem jes korzysna modyfikacja przebiegów prądu i napięcia głównego podczas przełączania. W ych przypadkach wyrażenia na moc sra dynamicznych są skomplikowane i wynikają z zasady działania konkrenego układu. Redukcja mocy sra dynamicznych w łączniku jes częso głównym kryerium wyżej wspomnianej opymalizacji przebiegów. Podsawowym sposobem osiągnięcia ego celu jes wymuszenie mniejszej ich sromości, co określa się mianem łagodnego przełączania (ang. sof swiching). ziałanie ych układów akże daje się w uproszczeniu sprowadzić do jednego z przypadków idealnych (lub obu naraz): 1) przełączania przy zerowym napięciu (ang. zero-volage swiching, ZVS), kórego przykład przedsawiono na rys. 3a; 2) przełączania przy zerowym prądzie (ang. zero-curren swiching, ZCS), kóre zobrazowano na rys. 3b. Jak widać na rys. 3, określenie zerowy sanowi idealizację; w rzeczywisości przełączanie może nasępować przy napięciu lub prądzie niskim (zwykle powoli rosnącym w czasie), ale nie zerowym. a) i b) i I (on) I (on) u S u S U S(off) U S(off) p p W (off) W (on) Rys. 3. Typowe idealizowane przebiegi prądu, napięcia i mocy chwilowej oraz energia wydzielana podczas przełączania w ranzysorze MOSFET w zaawansowanych konfiguracjach pracy: a) wyłączanie przy zerowym napięciu; b) załączanie przy zerowym prądzie 2.3.e. Prakyka pomiarowa Pomiar energii wydzielanej w ranzysorze w sanach dynamicznych (z powodów podanych w par. 2.1.b rozparuje się wyłącznie obwód drenu) wymaga zawsze rejesracji przebiegów i i u S, ich wymnożenia i scałkowania:
16 B 2 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.2.0) sup(on) sup(on) W (on) = p d = ius d (2.37) inf(on) sup(off) inf(on) sup(off) W (off) = p d = ius d (2.38) inf(off) inf(off) gdzie inf(on) i sup(on) oraz inf(off) i sup(off) są granicami całkowania 1. la umożliwienia prakycznych pomiarów, a jednocześnie sandaryzacji wyników, granice całkowania są określane w oparciu o charakerysyczne warości względne odpowiednich przebiegów ak jak w przypadku wyznaczania paramerów czasowych (por. insrukcja 3P, podrozdz. 2.6). Według normy IEC 60747 8 4, w odniesieniu do energii chwile inf i sup wyznaczone są przez warości względne 10% przebiegów i i u S, jak o zobrazowano na rys. 4. Z powodów podanych w par. 2.3.c, norma nakazuje pomiar paramerów energeycznych przy obciążeniu indukcyjnym. u S,i i u S(r),i (r) 100% u S inf(on) sup(on) inf(off) sup(off) 10% 0% p in(on) in(off) W (on) W (off) Rys. 4. Sposób wyznaczania paramerów energeycznych ranzysora MOSFET według normy IEC 60747 8 4 1 W przypadku makroskopowej charakeryzacji przyrządów półprzewodnikowych mocy przyjęło się (akże w normie) sosować dla energii wydzielanej symbol E. Podobnie jak w insrukcji 0 i w zgodzie z większością opracowań naukowych i podręcznikowych, sosować będziemy jednak symbol W, z dwóch powodów: 1 dla odróżnienia od naężenia pola elekrycznego i 2 dla zachowania spójności z rozdziałami doyczącymi pasm energeycznych i przekazu energii w układach przekszałnikowych.
3. Przerywacz napięcia sałego 3.1. Serowanie impulsowe 3.1.a. Przebieg impulsowy W układach o działaniu łącznikowym, w przeciwieńswie do układów o działaniu ciągłym, przyrząd półprzewodnikowy przez część czasu jes w pełni załączony (z jak najniższym spadkiem poencjału na nim), a przez pozosałą część w pełni wyłączony (z prawie zerowym przepływem prądu). zięki emu moc sra zosaje znacznie ograniczona. Uzyskanie akiego działania wymaga odpowiedniego serowania, w kórym sygnał serujący nie jes ciągły w czasie, lecz zmienia się skokowo. W serowaniu impulsowym wielkość serująca x (prąd, napięcie) ma posać przebiegu impulsowego (ang. pulse wave). Składa się on z powarzających się okresowo impulsów (ang. pulses), j. odcinków o poziomie wyższym niż spoczynkowy, kórych kszał można w uproszczeniu rozważać jako prosokąny (parz rys. 5a). Przebieg impulsowy opisuje się za pomocą nasępujących paramerów: 1) okres powarzania T p (ang. period of repeiion) o najkrószy czas, po kórym warości danej wielkości wykazują powarzalność, a więc jaki upływa np. między począkami kolejnych impulsów; 2) częsoliwość powarzania f p (ang. frequency of repeiion) o odwroność okresu powarzania 1 f p = (3.1) T 3) czas rwania p (ang. pulse widh) o długość grzbieu impulsu; 4) współczynnik wypełnienia impulsów (ang. duy cycle, duy raio) o sosunek czasu rwania do okresu powarzania: p p Δ p = (3.2) T Jak ławo zauważyć, do jednoznacznego opisu przebiegu impulsowego w dziedzinie czasu wysarczy jeden z paramerów 1-2 i jeden z paramerów 3-4. W dziedzinie danej wielkości elekrycznej (prądu lub napięcia), przebieg impulsowy opisują: 5) poziom niski X L (ang. low level) o warość wielkości x odpowiadająca podsawie impulsu (ang. pulse base);
18 B 3 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.2.0) 6) poziom wysoki X H (ang. high level) o warość wielkości x odpowiadająca grzbieowi impulsu (ang. pulse op); 7) ampliuda X m (ang. ampliude) o odległość między poziomem niskim a wysokim X m = X X (3.3) H L Jak ławo zauważyć, do jednoznacznego opisu przebiegu wysarczą dowolne dwa z paramerów 5 7. W elekronice mocy bardzo częso spoyka się przebiegi o zerowym poziomie podsawy (X L = 0), dla kórych X H = X m. Ze względu na częsość wysępowania ego przypadku, a jednocześnie znaczne uproszczenie orzymywanych zależności, zwykle w analizie serowania impulsowego przyjmuje się właśnie zerowy poziom podsawy. a) x X H grzbie X m X L podsawa p = T p T p = 1/f p T p b) x X H grzbie X L +90% X m X L +50% X m zbocze narasające (czoło) X m zbocze opadające (spad) X L +10% X m podsawa X L r f p = T p T p = 1/f p Rys. 5. Przebieg impulsowy i jego podsawowe paramery: a) przebieg idealny; b) przebieg o skończonej sromości zboczy 3.1.b. Paramery rzeczywisego przebiegu impulsowego Powyższe paramery opisują w pełni jedynie impulsy idealne, kórych prakyczna generacja nie jes możliwa. Cechą rzeczywisego przebiegu impulsowego jes na przykład niezerowa długość zboczy (ang. edges). Zbocza opisują dodakowo (zob. rys. 5b): 8) czas narasania r (ang. rise ime) j. czas, jaki zajmuje narośnięcie przebiegu od 10% do 90% jego ampliudy, kóry jes miarą czasu rwania zbocza narasającego czyli czoła impulsu (ang. rising edge, leading edge); 9) czas opadania f (ang. fall ime) j. czas, jaki zajmuje opadnięcie przebiegu od 90% do 10% jego ampliudy, kóry jes miarą czasu rwania zbocza opadającego czyli spadu impulsu (ang. falling edge, railing edge). Jeżeli powyższe czasy są dużo krósze od najkrószego czasu rwania impulsu w danym układzie, o ich wpływ na jego działanie może być zaniedbany.
Przerywacz napięcia sałego B 3 19 okładniejsza analiza i projekowanie przekszałników impulsowych może wymagać uwzględnienia dodakowych czynników, akich jak przerzuy, czas usalania odpowiedzi, flukuacje częsoliwości i fazy. Mogą one bowiem negaywnie oddziaływać na działanie układu.
20 B 3 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.2.0) 3.2. Pojedynczy łącznik ranzysorowy jako przekszałnik C-C 3.2.a. Łącznik dolny Najprosszą konfiguracją pracy łącznika ranzysorowego jes łącznik dolny (ang. low-side swich). Przy jej pomocy zrealizować można najprosszy impulsowy przekszałnik elekroniczny C-C przerywacz napięcia sałego (ang. C volage chopper), kórego schema przedsawia rys. 6. Określenie dolny mówi o usyuowaniu łącznika półprzewodnikowego (na rys. 6 ranzysora Q) względem odbiornika (na rys. 6 opornika R L). W ym układzie łącznik znajduje się od srony niższego poencjału (bieguna ujemnego) źródła zasilania U, a więc na dole względem odbiornika. W przeciwnym wypadku, jeżeli łącznik jes zlokalizowany u góry, j. od srony wyższego poencjału (bieguna dodaniego) źródła zasilania względem odbiornika, mówimy o łączniku górnym (ang. high-side swich). R L u g R G G S Q U Rys. 6. Schema obwodu łącznika dolnego do wykorzysania w symulacjach Nazwa przerywacz opisuje z kolei funkcję realizowaną przez rozważany układ z punku widzenia przekszałcania energii elekrycznej. Jes nim okresowe przerywanie podawania napięcia zasilania na odbiornik. San pracy ranzysora zmienia się zgodnie ze serującym przebiegiem impulsowym u g: 1) kiedy ranzysor jes załączony, rezysancja między jego źródłem a drenem jes niska, dzięki czemu możliwy jes przepływ prądu w obwodzie mocy. Jeżeli przyjąć, że ranzysor jes łącznikiem idealnym, sanowi on zwarcie, a więc na odbiornik R L podawane jes pełne napięcie zasilania U (parz rys. 7a). Zgodnie z prawem Ohma, płynący w obwodzie prąd obciążenia ma warość i u U = o o R = L R (3.4) L 2) kiedy ranzysor jes wyłączony, rezysancja między jego źródłem a drenem jes wysoka, co uniemożliwia przepływ prądu w obwodzie mocy. Jeżeli przyjąć, że ranzysor jes łącznikiem idealnym, sanowi on przerwę w obwodzie. Ponieważ nie płynie prąd, więc zgodnie z prawem Ohma napięcie na oporniku R L jes zerowe (parz rys. 7b): uo = io RL = 0 (3.5)
Przerywacz napięcia sałego B 3 21 a) b) u o R L u o R L i o i o =0 S U U S S U Rys. 7. Obwód mocy układu przerywacza dla idealnego łącznika półprzewodnikowego w sanie: a) załączenia; b) wyłączenia 3.2.b. Przerywacz jako przewornica Zmiana współczynnika wypełnienia przebiegu u g powoduje zmianę czasu, przez kóry ranzysor jes załączony. Wskuek ego zmienia się warość średnia napięcia wyjściowego (na odbiorniku) u o: Tp p Tp p Tp p 1 1 1 1 Uo(av) = uod uod uod U d 0 d U d 0 T = + = + = + = p T 0 p T 0 p p T 0 p p 0 1 = U p = U T p (3.6) Ponieważ współczynnik przyjmuje warości z przedziału [0; 1], więc rozparywany układ realizuje funkcję obniżania warości średniej napięcia wyjściowego. Jako że warości średniej równa jes składowa sała, o układ en można zaliczyć do grupy przekszałników C-C, j. przewornic prądu sałego. Jes on jednak na yle prosy, że nie zawiera filru wyjściowego. W związku z ym napięcie wyjściowe u o ma w ym przypadku posać przebiegu impulsowego, a nie sałego (nawe w przybliżeniu). Przekszałcanie energii elekrycznej charakeryzuje moc czynna (zob. insrukcję 0, par. 2.2). Zgodnie z definicją oraz w oparciu o wyniki analizy z par. 3.2.a, dla przerywacza napięcia sałego moc a wynosi Tp Tp p Tp 2 p 1 1 1 U 1 U Po = pod uoiod U d 0 d d T = p T = + = = 0 p T 0 p R 0 L T p p R L 0 1 U U = = T R R 2 2 p p L L (3.7) Podobnie jak składowa sała napięcia wyjściowego, moc czynna wyjściowa jes liniową funkcją współczynnika wypełnienia. Zaem zmieniając współczynnik wypełnienia można regulować warość średnią napięcia zasilającego odbiornik, a ym samym moc czynną odbiornika. owodzi o, że analizowany układ fakycznie realizuje funkcję przekszałnika.
C oświadczenie 4. Symulacje 4.1. Uzupełnienie schemau i konfiguracja symulacji Analizowany obwód Schema obwodu, dla kórego prowadzone będą badania symulacyjne, przedsawia rys. 8. Rezysor bramkowy R G ma w nim warość 100 Ω (warość sosunkowo duża, zasosowana dla uwypuklenia obserwowanych efeków). Warości pozosałych elemenów są usalane indywidualnie dla każdego zespołu. RL VG VPULSE RG M V VC Rys. 8. Schema obwodu łącznika dolnego do wykorzysania w symulacjach la ranzysora Q zosanie użyy model elemenu IRF620. Model en posiada dwie odmiany, odpowiadające różnym emperaurom pracy pokojowej 25 C oraz maksymalnej dopuszczalnej (dla rozważanego ranzysora) 150 C. Modele e zosały oznaczone przez sufiks _xc w nazwie, gdzie x jes warością emperaury w sopniach Celsjusza. Źródło impulsowego przebiegu serującego u g ma odzwierciedlić rzeczywisy obwód serowania w posaci scalonego serownika bramki IR2117, kórego kara kaalogowa sanowi
24 C 4 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.2.0) załącznik do insrukcji. W ćwiczeniu dla uproszczenia założymy, że wyjście serownika posiada zerową rezysancję, sąd jego napięcie wyjściowe zmienia się między poziomem 0 V a napięciem zasilania obwodu serowania. Aby poprawnie wyserować bramkę ranzysora Q, w odniesieniu do ego osaniego zasosowana zosanie warość 15 V. Częsoliwość przebiegu serującego jes usalana indywidualnie, naomias jego współczynnik wypełnienia powinien wynosić 0,5. Źródła i elemeny bierne 1. W środowisku MicroSim uwórz projek ze wsępnym schemaem układu: a) z menu Sar Projekowanie uruchom menedżera projeków (esign Manager) pakieu MicroSim 8; b) w oknie esign Manager uwórz folder nowego projeku: z menu wybierz File New Workspace, w polu Locaion wpisz lub wybierz poprzez przycisk ścieżkę folderu, w kórym ma być uworzony projek zgodną z regulaminem zajęć, kliknij Creae; c) do uworzonego folderu projeku skopiuj plik lacznik_dolny.sch zawierający schema odpowiadający układowi z rys. 8; d) w oknie projeku w programie esign Manager rozwiń lisę Schemaics i dwukronie kliknij na skopiowanym pliku, w wyniku czego powinien on zosać owary w programie Schemaics. 2. Zmodyfikuj nazwy wszyskich elemenów obwodu zmieniając znaki?? na numer zespołu. Wyniki symulacji uzyskane w obwodach z nieodpowiednimi nazwami elemenów będą rakowane jako orzymane niesamodzielnie. 3. Ze srony inerneowej uzyskaj począkową warość częsoliwości przełączania f s,ini, napięcia zasilania obwodu mocy U i prądu drenu w sanie załączenia I (on). 4. Na podsawie odpowiednich warości z pk. 3, przedsawiając ranzysor jako łącznik idealny (parz par. 3.2.a), oblicz rezysancję odbiornika R L aką, by przy zasilaniu obwodu mocy ze źródła napięcia o warości U, warość prądu drenu w sanie załączenia wyniosła I (on). 5. Na podsawie odpowiednich danych, uzupełnij schema o paramery elemenów: a) dwukronie klikając na symbolach? obok symboli odpowiednich elemenów, wpisz warości R G, U i R L (parz pk. 3 i 4); b) dwukronie kliknij na symbolu źródła u g i wpisz paramery przebiegu serującego ranzysorem: Środowisko MicroSim umożliwia wprowadzanie liczb wraz z przedroskami jednosek. W przypadku opisu obwodów (m.in. w programie Schemaic) są o: f, p, n, u (oznacza µ), m, k, Meg (oznacza M), G; przy czym wielkość lier nie ma znaczenia. W przypadku programu Probe są o: f, p, n, u, m, k, M, G, przy czym wielkość lier jes znacząca. W akiej formie są eż wyświelane wyniki w programie Probe. Jednoski lub ich przedroski nie mogą być oddzielone od liczb spacją. Symulaory z rodziny SPICE posiadają własny język opisu obwodów, w kórym znakiem dziesięnym jes kropka (czyli nie przecinek). Forma en doyczy wszyskich programów pakieu MicroSim, niezależnie od usawień sysemu operacyjnego. PER okres T p kóry należy obliczyć ze znanej częsoliwości f s,ini (parz pk 3), PW czas rwania impulsu p kóry należy obliczyć ze znanej częsoliwości f s,ini i współczynnika wypełnienia (parz pk 3, opis analizowanego układu wyżej oraz par. 3.1.a), T czas opóźnienia równy 0, TR czas narasania r równy czasowi narasania r sygnału na wyjściu podanego wyżej serownika bramki, zgodnie z jego karą kaalogową (należy użyć warości ypowej kolumna yp),
Symulacje C 4 25 TF czas opadania f równy czasowi opadania sygnału na wyjściu serownika (jak wyżej), V1 poziom niski U L równy 0 V (ypowa warość sosowana w celu wyłączenia ranzysora), V2 poziom wysoki U H równy 15 V (warość gwaranująca załączenie ranzysora z niskim napięciem u ĎS). 6. Wsaw do obwodu ranzysor (menu raw Ge New Par lub Crl+G), korzysając z odmiany modelu dla emperaury złącza 25 C i nadaj mu nazwę zgodną z wyyczną z pk. 2. Uruchomienie symulacji Pomocne mogą być dosępne na sanowisku insrukcje: do pakieu MicroSim oraz do programu Probe. 7. Zdefiniuj paramery symulacji: a) owórz okno Analysis Seup ikona Seup Analysis (lub menu Analysis Seup); b) wybierz wyłącznie analizę czasową zaznacz pole wyboru obok przycisku Transien, a wszelkie inne pola odznacz; c) kliknij przycisk Transien i usaw: Final Time czas zakończenia symulacji aki, by umożliwił zaobserwowanie okresowej pracy układu z częsoliwością uzyskaną w pk. 3, Prin Sep krok zrzuu wyników do pliku eksowego ponieważ plik eksowy nie będzie wykorzysywany, więc krok powinien być jak największy, ak aby przyspieszyć symulację, jednak nie może być on większy niż paramer Final Time, Sep Ceiling górna warość graniczna kroku symulacji (odległości między kolejnymi punkami czasowymi) 5 ns (ok. 1/5 czasów przełączania ranzysora), co pozwoli na uzyskanie odpowiednio wysokiej rozdzielczości przebiegów w sanach dynamicznych, przy jednoczesnym zachowaniu akcepowalnego czasu obliczeń; d) zamknij okna Transien i Analysis Seup; e) z menu wybierz Analysis Probe Seup i usaw: auomayczne uruchomienie programu Probe po zakończeniu symulacji Auomaically run Probe afer simulaion, auomayczne wyświelenie przebiegów oznaczonych znacznikami na schemacie Show all markers. 8. Na schemacie umieść znacznik prądu (ikona Curren Marker lub menu Markers Mark Curren ino Pin) ak, aby mierzyć prąd drenu ranzysora. Wykorzysany modelu ranzysora MOSFET mocy ma posać podobwodu. Z ego powodu nie jes możliwe przyłożenie znacznika prądowego do końcówek powiązanego z nim symbolu graficznego. laego prąd drenu musi być mierzony w dowolnym innym elemencie układu, przez kóry zgodnie ze schemaem prąd en również płynie. W przypadku korzysania z funkcji Add Trace w programie Probe, nie należy wykreślać wielkości wysępujących w podobwodzie sanowiącym model ranzysora. Charakerysyczne dla ych przebiegów jes wysępowanie liery X w ich nazwach. Wielkości e można w oknie Add Trace ukryć wyłączając opcję Subcircui Nodes. Wśród nich wysępują wprawdzie wielkości o nazwach I, IG id., są o jednak prądy ranzysora będącego jedynie jednym ze składników modelu, kórego prądy nie są prądami końcówek badanego ranzysora MOSFET mocy. 9. okonaj wsępnej symulacji obwodu: a) uruchom symulację ikona Simulae (albo menu Analysis Simulae, albo klawisz F11); powinien zosać owary program PSpice A/; b) w przypadku błędów, usal i wyeliminuj ich źródło w oparciu o insrukcję do środowiska MicroSim;
26 C 4 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.2.0) po pomyślnym zakończeniu symulacji powinien zosać uruchomiony program Probe i zosać w nim wykreślony przebieg prądu drenu ranzysora; c) swierdź, czy wybór końcowego czasu symulacji był rafny [parz pk 7.c)]; w przeciwnym razie odpowiednio zmień usawienia symulacji i uruchom ją ponownie; d) jeżeli prąd na wykresie ma niepoprawny znak, uzyskaj poprawny wynik zgodnie z uwagą poniżej. Z opologii obwodu mocy i napięciowego prawa Kirchhoffa wynika, że prąd drenu ranzysora jes dodani zgodnie z konwencją srzałkowania przyjęą w elekroechnice. Jeżeli znak prądu wyświelanego w programie Probe jes ujemny, o wynika o wyłącznie z przyłożenia znacznika w programie Schemaics do końcówki, kórej prąd jes umownie skierowany przeciwnie niż rzeczywisy prąd drenu w obwodzie. Użykownik nie ma wpływu na srzałkowanie napięć i prądów jes o z góry zdefiniowane w modelach i symbolach elemenów, bez związku z konkrenym obwodem. W akiej syuacji należy skorygować przebieg przez przełożenie znacznika prądowego na przeciwległą końcówkę elemenu w programie Schemaics (powarzanie symulacji nie jes konieczne, jeżeli pakie MicroSim jes poprawnie zainsalowany i obsługiwany) albo przez dodanie znaku - w definicji przebiegu w programie Probe po dwukronym kliknięciu na jego opisie pod wykresem. 10. odaj na wykres przebiegi napięć: a) uwórz drugą oś współrzędnych y menu Plo Add Y Axis; dodana oś 2 powinna być wskazana jako akywna znakiem >> w przeciwnym razie należy ją wybrać kliknięciem; b) dodając znaczniki poencjału w programie Schemaics ikona Volage/Level Marker (lub menu Markers Mark Volage/Level), korzysając z osi 2, wykreśl napięcia: dren-źródło u S, serujące u g oraz bramka-źródło u GS; Korzysanie ze znaczników poencjału jes w ym przypadku możliwe, gdyż zgodnie ze schemaem układu, poencjał odniesienia każdego z powyższych napięć jes zerowy. W przeciwnym razie konieczne byłoby użycie znaczników napięcia (menu Markers Mark Volage ifferenial). c) swierdź, czy obserwowane przebiegi są właściwe dla pracy ranzysora jako łącznika oraz czy serowanie i przełączanie łącznika dokonuje się z częsoliwością i współczynnikiem wypełnienia użyymi w pk. 4.1/5.b) w przeciwnym razie sprawdź poprawność wprowadzonych paramerów obwodu oraz wyboru modelu ranzysora. W razie konieczności powórzenia symulacji, poprzedni widok (układ osi i przebiegów) w programie Probe można przywrócić wybierając z menu Tools isplay Conrol i dwukronie klikając na pozycji Las Session, albo eż wciskając klawisz F12.
Symulacje C 4 27 4.2. Sray mocy i wpływ częsoliwości przełączania Chwilowa moc sra w ranzysorze 1. odaj nowy podwykres zawierający przebieg mocy chwilowej sra w obwodzie drenu: a) uwórz drugi podwykres menu Plo Add Plo; dodany podwykres powinien być wskazany jako akywny napisem SEL w przeciwnym razie go wybrać klikając gdziekolwiek wewnąrz; b) z dolnego podwykresu skopiuj na górny przebieg prądu drenu i zaznacz go klikając na opisie pod wykresem (opis powinien zosać podświelony innym kolorem), a nasępnie użyj menu, ikon lub klawiaury w celu wywołania funkcji Kopiuj i Wklej; c) dwukronie kliknij na opisie skopiowanego przebiegu (pod górnym podwykresem) i zmodyfikuj opisujące go wyrażenie maemayczne (Trace Expression) ak, aby wyrażało moc sra w obwodzie drenu ranzysora p (zob. par. 2.1.b); zrozumiałe dla programu Probe oznaczenia wielkości innych niż i należy odczyać z opisów przebiegów pod dolnym podwykresem; należy zwrócić uwagę, że ponieważ ranzysor jes elemenem rozpraszającym (a nie wywarzającym lub magazynującym) energię, uzyskana krzywa musi przyjmować warości dodanie [jeżeli ak nie jes zob. uwagę pod pk. 4.1/9.d)]. Jeżeli w formule wysępuje połączenie znaku mnożenia i minusa, wyrażenie z minusem należy ująć w nawiasy. W przeciwnym razie może wysąpić błąd obliczeniowy, kóry spowoduje zamknięcie aplikacji. 2. Aby uniknąć przypadkowej uray wyników pracy związanej z konfiguracją wykresu, zapisz bieżące usawienia widoku (układu podwykresów, osi i przebiegów) z menu wybierz Tools isplay Conrol, w polu New Name wprowadź nazwę i kliknij Save. W wypadku późniejszej porzeby przywrócenia zapisanych usawień widoku, należy wybrać jego nazwę z lisy i kliknąć Resore. 3. Z wykresu odczyaj szczyową mocy sra w poszczególnych sanach pracy ranzysora: a) przy pomocy funkcji View Area (ikona na pasku narzędzi lub menu View) powiększ skalę czasu w aki sposób, aby obserwować san załączania ranzysora (por. rys. 9); o powiększania przebiegów w niniejszym ćwiczeniu nie należy wykorzysywać funkcji View In. Wynika o z faku, że przebiegi będą musiały być powiększane przede wszyskim w osi czasu, a w dużo mniejszym (lub żadnym) sopniu w osi Y; ymczasem funkcja View In powoduje skalowanie obu osi w ym samym sosunku. Funkcji View Area najlepiej używać na podwykresie prądów i napięć (a nie na podwykresie mocy i energii). zięki emu bowiem skala mocy i energii zosanie auomayczne dososowana do ich zakresów na powiększonym odcinku czasu. b) włącz kursory ikona Toggle cursor (lub menu Tools Cursor isplay); c) przenieś kursor 1 na przebieg mocy chwilowej p kliknij lewym przyciskiem myszy na symbolu graficznym na lewo od opisu przebiegu pod odpowiednim podwykresem, w wyniku czego wokół symbolu powinna pojawić się ramka; d) korzysając z funkcji View Area i (w celu zmniejszenia skali) View Fi, za pomocą kursora odczyaj (parz rys. 10) szczyową warość chwilowej mocy sra p (pk) (por. rys. 9) w każdym z 4 sanów pracy ranzysora (załączanie, przewodzenie, wyłączanie, blokowanie), przy czym: nie należy brać pod uwagę pierwszych dwóch okresów przełączania, gdyż san symulowanego układu może jeszcze nie być usalony; san pracy należy usalić na podsawie obserwacji przebiegu prądu drenu i ;
28 C 4 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.2.0) w sanach saycznych z definicji moc nie zmienia się, więc warość szczyowa jes ożsama ze sałą warością mocy w ych sanach; ze względu na wysępującą w rzeczywisości niewielką zmienność warości mocy w sanach saycznych, odczyu należy dokonywać zawsze pośrodku odcinka czasu odpowiadającego danemu sanowi saycznemu (parz rys. 9). p (pk)(off) p (pk)(on) p () W () W =W (on) 110% p (cond) p (cond) p (b) inf(on) sup(on) inf(off) sup(off) inf(on) i u S Rys. 9. Przykład odczyu szczyowych warości chwilowej mocy sra p oraz warości energii wydzielonej W w ranzysorze w poszczególnych sanach pracy kursor 1 (lewy przycisk myszy) kursor 2 (prawy przycisk myszy) różnica kursor 1 kursor 2 współrzędna x (np. czas) Rys. 10. Znaczenie warości wyświelanych w oknie Probe Cursor współrzędna y (np. napięcie, moc) Energia wydzielana w ranzysorze 4. Wyświel dodakowo przebieg energii wydzielonej w ranzysorze: a) na górnym podwykresie (mocy chwilowej) uwórz drugą oś współrzędnych y i upewnij się, że jes ona akywna [parz pk. 4.1/10.a) i 4.2/1.a)]; b) z pierwszej osi y skopiuj na drugą przebieg mocy chwilowej p zaznacz go klikając na opisie pod wykresem, a nasępnie użyj funkcji Kopiuj i Wklej; c) dwukronie kliknij na opisie skopiowanego przebiegu i zmodyfikuj opisujące go wyrażenie maemayczne ak, aby wyrażało energię W () wydzieloną w obwodzie drenu ranzysora od chwili 0 do chwili (por. par. 2.3.a): W ( ) = p ( τ ) dτ (4.1) 0
Symulacje C 4 29 gdzie τ jes pomocniczą zmienną całkowania, kóra dla każdego punku przemiaa oś czasu w przedziale od 0 do. o obliczania ego rodzaju całki w programie Probe służy funkcja S() zdefiniowana jako S( ) = f ( ) = ( τ )dτ (4.2) g 0 gdzie g może być dowolnym wyrażeniem oparym o wielkości dosępne w programie Probe. 5. Przywróć domyślne skale osi za pomocą ikony View Fi lub wybierając z menu View Fi. Nasępnie zapisz bieżące usawienia widoku (parz pk 2). 6. Zapisz wykres przy widocznym co najmniej 1 pełnym okresie przełączania ranzysora z menu wybierz Tools Copy o Clipboard, a nasępnie wklej do dokumenu eksowego lub do edyora grafiki i zapisz w pliku. 7. Przenieś kursor 1 na przebieg energii W () [parz pk 3.c)]. Korzysając z kursora (parz rys. 10), z przebiegu odczyaj warość energii W w 5 chwilach czasowych odpowiadającym (parz rys. 9): począkowi sanu załączania inf(on), końcowi sanu załączania sup(on), począkowi sanu wyłączania inf(off), końcowi sanu wyłączania sup(off), g końcowi okresu przełączania, co jes równoważne począkowi sanu załączania należącemu do kolejnego okresu inf(on), przy czym (por. rys. 9): z powodów podanych wcześniej nie należy brać pod uwagę pierwszych dwóch okresów przełączania; wszyskie powyższe chwile czasowe muszą należeć do ego samego jednego okresu przełączania; granice sanów dynamicznych należy usalać w oparciu o przebieg mocy chwilowej; począek sanu załączania i koniec sanu wyłączania są wyraźnie widoczne; koniec sanu załączania i począek sanu wyłączania należy naomias określić w oparciu o kryerium osiągnięcia 110% warości mocy w sanie usalonym przewodzenia p (cond), odczyanej w pk. 3; w celu odczyu szukanej warości należy: ymczasowo przenieść kursor na przebieg p () [parz pk 3.c)], obserwując odpowiednią warość w oknie Probe Cursor, przesunąć kursor do punku czasowego, w kórym warość mocy chwilowej p osiąga warość 110% p (cond) odpowiednio pod koniec sanu załączania albo na począku sanu wyłączania, nie przesuwając kursora po wykresie przenieść go na powró na przebieg W () [parz pk 3.c)], z okna Probe Cursor odczyać warość energii W (); wyniki należy odczyywać z dokładnością do całej dosępnej liczby cyfr znaczących, ak aby zagwaranować odpowiednią dokładność wyników orzymywanych później w drodze odejmowania; sam wynik odejmowania można nasępnie zaokrąglić; w odpowiednich momenach w oku wykonywania niniejszego punku najlepiej jednocześnie wykonać pk 8. 8. Zapisz wykresy w powiększonej skali czasu dla sanu załączania i dla sanu wyłączania ranzysora (dwa osobne obrazy). 9. Oblicz energię wydzieloną w poszczególnych 4 sanach pracy ranzysora. Szukana energia jes różnicą W warości W () między punkami czasowymi odpowiadającymi począkowi i końcowi danego sanu pracy zgodnie ze wzorem (4.1): dla sanu załączania (parz rys. 9)
30 C 4 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.2.0) W (on) sup(on) sup(on) = p( )dτ = p( τ )dτ 0 0 inf(on) inf(on) τ p ( τ )dτ = W ( ) W ( ) = ΔW (4.3) sup(on) inf(on) dla sanu przewodzenia W (cond) = W ) W ( ) (4.4) ( inf(off) sup(on) dla sanu wyłączania W (off) = W ) W ( ) (4.5) ( sup(off) inf(off) dla sanu blokowania W (b) = W ) W ( ) (4.6) ( inf(on) sup(off) Zmiana częsoliwości przełączania 10. Zmodyfikuj paramery źródła u g [parz pk 4.1/5.b)] ak, aby uzyskać 5 razy większą częsoliwość przełączania (f s,ini 5). Wszyskie inne paramery układu w ym współczynnik wypełnienia przebiegu serującego powinny pozosać bez zmian, co powoduje konieczność modyfikacji dodakowego odpowiedniego parameru źródła. 11. Zmodyfikuj czas rwania symulacji ak, aby nadal móc obserwować okresową pracę układu. Wszyskie pozosałe paramery analizy powinny pozosać bez zmian. 12. Uruchom symulację. Po jej pomyślnym zakończeniu, w programie Probe przywróć usawienia widoku zapisane w pk. 5 z menu wybierz Tools isplay Conrol, wybierz odpowiednią nazwę zesawu usawień z lisy i kliknij Resore. Jeżeli usawienia na koniec poprzedniej symulacji były poprawne, o można je przywrócić z pominięciem okna isplay Conrol wciskając klawisz F12. Konieczne może być przywrócenie domyślnych skali osi. 13. Powórz pk. 3 i 6-9 w celu uzyskania warości mocy sra i energii wydzielanej dla 4 sanów pracy ranzysora przy zmienionej częsoliwości przełączania. 14. * Powórz pk. 10-13 sosując częsoliwość przełączania 5 razy mniejszą niż począkowa (nie obecna; j. f s,ini / 5).
Wyniki 5. Opracowanie i analiza wyników 5.1. Składowe sra mocy Elemeny obwodu 1. Wypełnij część 1 sprawozdania. Porównanie składowych energii wydzielanej i mocy sra 2. W części 2 sprawozdania zamieść uzyskane w drodze symulacji wykresy przebiegów u g, u GS, i, u S, p, W, zapisane w pk. 4.2/6 i 8 dla 2 (* 3) częsoliwości przełączania. 3. W abeli w części 2 sprawozdania zbierz wyniki liczbowe odczyane z przebiegów w programie Probe, dla 2 (* 3) częsoliwości przełączania (pozosałe wiersze pozosaw na razie niewypełnione): energię wydzieloną w poszczególnych 4 sanach pracy W ; szczyową warość mocy chwilowej sra p (pk) w poszczególnych 4 sanach pracy. 4. Oblicz i dodaj do abeli (zob. podrozdz. 2.1, 2.3 i 3.1): całkowią energię wydzieloną w jednym okresie przełączania W (o); okres przełączania T s; moc czynną sra saycznych P,sa; moc czynną sra dynamicznych P,dyn; całkowią moc czynną sra P. 5. Uzupełnij część 2 sprawozdania.
32 5 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.2.0) 5.2. Wpływ częsoliwości przełączania Wpływ częsoliwości przełączania na wydzielaną energię 1. Wypełnij część 3 sprawozdania. Wpływ częsoliwości przełączania na moc sra 2. Wypełnij część 4 sprawozdania.
E Informacje 6. Wymagana wiedza 6.1. Przygoowanie do wykonania ćwiczenia Końcówki i obwody ranzysora MOSFET mocy. (insrukcja 3P, par. 2.2) Przebiegi napięć i prądów podczas przełączania ranzysora MOSFET (łącznie z charakerysycznymi warościami w sanie załączenia i wyłączenia) (insrukcja 3P, par. 2.4) Moc sra w ranzysorze MOSFET (obwód drenu): moc chwilowa (wzór), przebieg mocy chwilowej podczas przełączania, moc sra w sanie załączenia, związek energii wydzielanej z mocą chwilową (par. 2.1, 2.2, 2.3) Serowanie impulsowe i paramery przebiegu impulsowego (par. 3.1) Topologia i działanie przerywacza napięcia sałego (par. 3.2) 6.2. Zakres kolokwium 1. efinicja mocy czynnej. Moc sra oraz energia wydzielana w ranzysorze MOSFET (obwód drenu): moc chwilowa (wzór), moc czynna (wzór), składowe sayczne (wzór) i dynamiczne (wzory dla dwóch charakerów obciążenia) mocy czynnej, energia wydzielana (wzór). Rezysancja ranzysora MOSFET w sanie załączenia, zależność od emperaury, paramery kaalogowe. Przebieg mocy chwilowej i energii wydzielanej podczas pracy przełączanej ranzysora (w zesawieniu z przebiegami prądu i napięć). (insrukcja 0, par. 2.2; par. 2.1, 2.2, 2.3; sprawozdanie) 2. Zależność energii wydzielanej i mocy czynnej sra od częsoliwości przełączania: energia i moc całkowia oraz wkład poszczególnych sanów pracy ranzysora jako łącznika półprzewodnikowego, wraz z wyjaśnieniem obserwacji. Paramery isone dla doboru ranzysora do układu pod kąem minimalizacji sra mocy w zależności od częsoliwości przełączania. (sprawozdanie) W przypadku wyników zawarych w sprawozdaniu, należy wziąć pod uwagę wyłącznie aspek jakościowy (wzajemne zależności, charaker zmian), pomijając aspek ilościowy (konkrene warości liczbowe).
34 E 7 Przyrządy i układy mocy 6P. Sray mocy przy pracy łącznikowej (7.2.0) 7. Lieraura [1] Napieralski A., Napieralska M.: Polowe półprzewodnikowe przyrządy dużej mocy. Warszawa: Wydawnicwa Naukowo-Techniczne, 1995. [2] Benda V., Gowar J., Gran. A.: Power Semiconducor evices: Theory and Applicaions. Chicheser: John Wiley & Sons, 1999.