Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 5b Temat: Charakterystyki i parametry półprzewodnikowych elementów przełączających. Cel ćwiczenia : Poznanie właściwości elektrycznych tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką - IGBT I. Wymagane wiadomości : 1. Podstawowe wiadomości na temat zasady działania tranzystorów bipolarnych i unipolarnych. 2. Model warstwowy, polaryzacja normalna i zasada działania tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką IGBT. 3. Praca statyczna tranzystora IGBT. 4. Podstawowe charakterystyki i parametry tranzystorów IGBT 5. Przykładowe zastosowania tranzystorów IGBT. II. Wykonanie ćwiczenia. W ćwiczeniu wyznacza się charakterystyki statyczne (przejściowe i wyjściowe) oraz wykonuje się pomiary wybranych parametrów elektrycznych dwóch tranzystorów IGBT: 1. HGTG20N60B3: I Cmax = 40A (25 C) i I Cmax = 20A (110 C), V CEmax = 600 V. - firmy INTERSIL. 2. HGTP10N50F1D: I Cmax = 12A (25 C), V CEmax = 500 V. - firmy HARRIS. Pomiary charakterystyk statycznych wykonuje się na zintegrowanym stanowisku pomiarowym metodą,,punkt po punkcie. Ograniczenie wydzielającego się ciepła w strukturach półprzewodników osiągnięto poprzez impulsowe zasilanie bramki (napięcie sterujące). Ma to na celu zminimalizowanie negatywnego wpływu temperatury na badane charakterystyki. Charakterystyki statyczne tranzystorów IGBT są mierzone dla prądów i napięć w zakresie:
U GE = 4 9 V U CE = 0 10 V I Cmax = 10 A Opis pulpitu sterującego. UGE = [V] UCE [V] IC [A] PRACA REGULACJA UGE 1 2 REGULACJA UCE Wybór IGBT Zasilanie bramki Rys.1. Pulpit sterujący. Płytę czołową stanowiska pomiarowego przedstawioną na rys. 1 można podzielić na dwie części: - zestaw wyświetlaczy - zestaw sterujący. Z zestawu wyświetlaczy można dokonać odczytu trzech wartości, niezbędnych do wykreślenia charakterystyk statycznych badanych tranzystorów, są to w kolejności: napięcie wejściowe, napięcie wyjściowe oraz prąd kolektora. Poniżej mierników znajduje się zestaw sterujący. Regulacji potencjometrami podlega: a) napięcie wejściowe U GE w zakresie od 4 V do 9 V b) napięcie wyjściowe U CE w zakresie od 0 V do 10 V Oprócz potencjometrów cyfrowych w skład zestawu sterującego wchodzą dwa niezależne przełączniki, przełączenia podlega: a) wybór tranzystora badanego 1 tranzystor HGTG20N60B3, 2 tranzystor HGTP10N50F1D. b) wybór rodzaju zasilania bramki. 2
W skład pulpitu sterującego wchodzi także włącznik zasilania, znajdujący się na tylnej ścianie stanowiska laboratoryjnego. Załączenie stanowiska sygnalizuje świecenie diody LED, na pulpicie. Układ do pomiaru charakterystyk przejściowych i wyjściowych został przedstawiony na rysunku 2. G C A IC UGen P1 V1 UGE E V2 UCE P2 UCE Rys. 2. Układ do pomiaru charakterystyk statycznych. Przed przystąpieniem do wykonywania pomiarów należy: - podłączyć stanowisko laboratoryjne do sieci włącznikiem znajdującym się na tylnej ścianie urządzenia, - ustawić zasilanie bramki badanych tranzystorów, włącznikiem na płycie czołowej, na zasilanie impulsowe, - dokonać wyboru badanego elementu. Potencjometr P1 reprezentuje zmianą napięcia U GE, zaś potencjometr P1 zmianę napięcia U CE na płycie czołowej stanowiska pomiarowego. 1. Pomiar charakterystyk przejściowych I C = f(u GE ) Do pomiaru charakterystyk przejściowych obu badanych tranzystorów IGBT wykorzystuje się układ jak na rysunku 2. Czynności przy pomiarze charakterystyk przejściowych dokonać w następującej kolejności: a) potencjometrem P2 ustawić napięcie U CE, będące parametrem, w granicach od 0 10 V np. na 6 V (U CE = const), 3
b) potencjometrem P1 zmieniać wartość napięcia U GE w granicach od 4 9 V, odczytując przy tym zmiany wartości prądu I C (minimum 10 punktów pomiarowych), c) zwiększać wartość napięcia bramki U GE najwyżej do wartości przy której prąd kolektora I C osiągnie wartość 10 A, d) wybrać kilka wartości napięcia U CE dla zrealizowania kilku charakterystyk przejściowych (minimum 4). UWAGA: W razie uzyskania wartości prądu I C = 10 A, bezzwłocznie zakończyć pomiar, obniżając wartości napięcia U GE i U CE do wartości wyjściowych, zapobiegając tym samym przegrzaniu struktury tranzystorów badanych. Uwaga aktualna jest dla każdego rodzaju pomiaru. Pomiar charakterystyk przejściowych drugiego badanego tranzystora dokonać identycznie. 2. Pomiar charakterystyk wyjściowych I C = f(u CE ) Pomiarów charakterystyk wyjściowych badanych elementów dokonuje się w układzie pomiarowym jak dla charakterystyk przejściowych (rysunek 2). Czynności przy pomiarze charakterystyk wyjściowych dokonać w następującej kolejności: a) potencjometrem P1 ustawić napięcie wejściowe U GE, będące parametrem, w granicach od 4 9 V np. na 6,5 V (U GE = const), b) potencjometrem P2 zmieniać wartość napięcia U CE w granicach od 0 10 V, odczytując przy tym zmiany wartości prądu I C, (minimum 10 punktów pomiarowych), c) zwiększać wartość napięcia wyjściowego U CE najwyżej do wartości przy której prąd kolektora I C osiągnie wartość 10 A, d) wybrać kilka wartości napięcia U GE dla zrealizowania kilku charakterystyk wyjściowych (minimum 4). Pomiaru charakterystyk wyjściowych dla drugiego badanego elementu dokonać w identycznej kolejności co poprzedniego. Wyniki pomiarów zapisywać w odpowiednich tabelach. 3. Pomiar napięcia progowego U GE(th) Pomiar napięcia progowego realizuje się w identycznych układach pomiarowych jak w punktach poprzednich (rys. 2). 4
Napięcie progowe U GE(th) zalicza się do podstawowych parametrów statycznych tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką. Przed pomiarem tego parametru należy przełącznikiem na pulpicie urządzenia przełączyć zasilanie bramki na napięcie stałe. Czynności przy pomiarze napięcia progowego dokonać w następującej kolejności: a) potencjometrem P2 ustawić napięcie U CE na jakąś przykładową wartość z zakresu pomiarowego (od 0 do 10 V) ze względu na zakres zmian wartości napięcia bramki U GE, należy ustawiać te wartości na niskie, b) zwiększać napięcie bramki od początku zakresu do wartości, przy której prąd osiągnie wartość 1mA przy tej wartości U GE = U GE(th) c) Pomiaru dokonać dla kilku wartości napięcia U CE. Wartości napięć progowych odnotować w tabelach. III. Opracowanie wyników. 1. Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów wykreślić stosowne charakterystyki. 2. Na podstawie wykreślonych charakterystyk wyciągnąć wnioski, głównie mając na uwadze różne parametry dwóch badanych tranzystorów. 3. Wyniki pomiarów i wnioski zamieścić w sprawozdaniu. 5
Strona tytułowa sprawozdania LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Grupa... Zespół Nr ćwiczenia... Lp. 1. 2. 3. 4. Nazwisko i imię............ Ocena kol. wst. wyk. ćw......... Data wykonania ćwiczenia... Prowadzący zajęcia... Data oddania sprawozdania... TEMAT ĆWICZENIA:........ 6