Część 4 - neo.dmcs.p.lodz.plneo.dmcs.p.lodz.pl/pium/wyklad/pium-ns_wykl_4.pdf · Łukasz...

Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 73

Część 4

Sterowanie i bezpieczna praca przyrządów półprzewodnikowych mocy


Sterowanie napięciowo-ładunkowe

Główny warunek załączenia UGS(on) > UGS(th) – napięcie

progowe bramka-źródło (1…5 V) Pojemności pasożytnicze

(~10…1000 pF): liniowe: CGN, CGO, CCP, CGD(ox)

nieliniowe, zależne od napięcia (złączowe): CDS, CGD(sc)

Dodatkowy warunek załączenia ∆QG > QG(on) – załączający

ładunek bramki (~1…100 nC) doprowadzenie ładunku wymaga

przepływu określonego prądu przez określony czas

Cox=Aεox

t ox=const

C=∆ Q∆ U


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


Rezystancja w obwodzie bramki

Wpływ na przełączanie zmiana czasu załączania i czasu

wyłączania dwie drogi do tego samego

wniosku: stała czasowa obwodu

bramki

prąd bramki

Rezystancja wewnętrzna bramki rzędu kilku Ω – może wystarczyć,

ale duży rozrzut

Argumenty za skróceniem czasów przełączania

zmniejszenie energii wydzielanej podczas przełączania

możliwość zwiększenia częstotliwości przełączania ⇒

zmniejszenie wymiarów elementów biernych

Kontrargumenty indukcja zaburzeń na

indukcyjnościach pasożytniczych

ograniczenie prądu sterownika większa kontrola nad czasem

przełączania, szczególnie przy szeregowych połączeniach tranzystorów

uind=Lsdidt

Q G=∫ iGd t

iG=ug−uGS

RG

uGS=U GS(on)(1−e

−t /τG)τ G=RGC in


Wykorzystanie charakterystyki ładunku bramki

Ładunki bramki załączający QG(on) (punkt D)

pewność załączenia moc strat dynamicznych

(zał. QGD + QGS2 ≈ QG(on)) całkowity QG(tot) (punkt E)

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)


Rzeczywisty generator impulsów bramkowych

Najczęstsze rozwiązania tranzystor lub para wzmacniacz operacyjny mikrokontroler / sterownik

logiczny (controller) dedykowany sterownik bramki

(gate driver) Rola

poziom(y) napięcia logika → tranzystor amplituda podstawa

wydajność/obciążalność prądowa pozwalająca na przełączenie

tranzystora w pożądanym czasie

Czasem dodatkowo izolacja optyczna

może być scalona wymaga osobnego zasilania

strony tranzystora transformator impulsowy


Sterownik bramki tranzystorów polowych mocy (MOSFET, IGBT) IR2117

Wyjście VHO = VS

VHO = VB = VS+Ub

Łącznik dolny VS = 0, Ub = UGG

prosty sterownik bramki


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 szybkość propagacji generacja zaburzeń przechwytywanie zaburzeń

Brak odcinków wspólnych z obwodem mocy

inaczej przeniosą się zaburzenia

VHO = VB ; uGS → Ub

VHO = VS ; uGS → 0


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)


Sterowanie tranzystorów BJTw układach impulsowych

Wzmocnienie prądowe

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

IC=β f I B


Punkt pracy w stanie przewodzenia

Zależność wzmocnienia od prądu kolektora

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

BU1508DX: IC(rat)

= 8 A, βf(nom)

= 13


Układy sterowania

Zasilanie dwubiegunowe Zasilanie jednobiegunowe

Realizacja źródła prądowego

Przyspieszenie wyłączaniaPrzyspieszenie wyłączania


Załączanie bramkowe i wyłączanie tyrystora

Załączanie kontrolowane przez

moment podania impulsu bramkowego

prąd zatrzasku IL

Wyłączanie prąd podtrzymania IH

Ograniczenie zakresu sterowania fazowego

Przebicie cieplne przy załączaniu

krytyczna stromość narastania prądu przewodzenia diT/dt

ryzyko spada ze wzrostem iG


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


Impulsy bramkowe

Warunki załączenia przekroczenie (w praktyce 3…5x)

przełączającego prądu bramki IGT

lub napięcia przełączającego UGT – gwarantuje odpowiedni IGT

dostateczna długość impulsu

proste sterowanie – przesunięte i przeskalowane napięcie sieci

z użyciem generatora impulsów (najprostszy: kondensator + diak)

sterowanie ciągłe – obciążenie indukcyjne

ciąg impulsów – jak wyżej, ale mniejsza moc sterowania

optymalny kształt impulsuprądu bramki


Generacja impulsów prądu bramki

Serie o różnym IGT

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 − przyrządy 3-ćwiartkowe – brak

wyzwalania dla MT2− G+, ale zwiększona niezawodność

Prosty układ sterowania (G−)

Sterownik scalony z izolacją galwaniczną

przełączanie przy zerowym napięciu – minimalizuje di/dt


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


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: bezpieczeństwa napięciowego

obwodu głównego bezpieczeństwa cieplnego

obwodu głównego ale także:

ograniczeń obwodu sterowania ograniczeń obudowy

Tranzystor VDMOS, kierunek przewodzenia

1 – rezystancja w stanie załączenia2 – maksymalny dopuszczalny prąd impulsowy3a – maksymalny dopuszczalny prąd ciągły3 – maks. dopuszczalna moc strat dla pracy ciągłej3b – maks. dopuszczalna moc strat dla pracy impulsowej4 – przebicie cieplne5 – przebicie lawinowe


Przebicie cieplne

Prąd nośników generowanych cieplnie w obszarze ładunku przestrzennego złącza

Moc odprowadzanado otoczenia

Moc wydzielana w przyrządzie


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

krytyczne są gorące punkty – w których T jest najwyższa σ jest wyższa, a więc ρ niższa ⇒ ściąganie prądu ⇒ J p T ni … 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)

półprzewodnik staje się samoistnym o dużej przewodności (mezoplazma) zlanie obszarów N/P uniemożliwia działanie przyrządów – zanikają złącza

Ostatecznie uszkodzenie mechaniczne – np. pęknięcie, stopienie


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


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

Rezystancja cieplna – podstawowy parametr wykorzystywany w projektowaniu układów

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]

Rth – rezystancja cieplna [K/W]


Cieplny układ pracy i elektryczny obwód równoważny

analogpotencjału

analognatężenia prądu

analogrezystancji elektrycznej

analogprawa Ohma

Po uwzględnieniu P = dQ/dT praktyczna postać prawa Fouriera:

analog napięciowego prawa Kirchhoffa:


Cieplny układ pracy z radiatorem

Przy poprawnie dobranym radiatorze Rth(s-a) ≪ Rth(c-a)′


Zastosowanie radiatorów

Mechanizmy chłodzenia (oddawania ciepła)

radiacja – promieniowanie podczerwone

konwekcja – makroskopowy ruch czynnika chłodzącego

naturalna – grawitacyjna wymuszona – wentylatory,

pompy Rezystancja cieplna zależy od:

przewodności cieplnej materiału powierzchni i jej stosunku do

objętości emisyjności powierzchni rodzaju i prędkości przepływu

czynnika chłodzącego

Montaż pasty termoprzewodzące

zmniejszają Rth(c-s) podkładki elektroizolacyjne

zwiększają 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


*

*

*

Powierzchnia chłodząca

Metalowe powierzchnie kontaktu standardowo nie są izolowane elektrycznie można je łączyć tylko ze ściśle określonym potencjałem obwodu dotyczy również radiatorów wspólnych dla kilku przyrządów

*

*

*

*

*

TO-3, 204 TO-220, 247, 262 TO-92 DO-204(DO-35, 41)

dalej przez radiator

dalej przez miedź na płytce

* wyszczególnione wyprowadzenia

DIP

Mo

nta

ż p

rze

wle

kan

yM

on

taż

po

wie

rzch

nio

wy TO-252, 263

(DPAK, D2PAK)

S Rth(j-a)

DO-214,SOD, SOT

np.:

np.: SOIC, (T)(S)SOP, QFP, DFN, QFN

DIPThermal Pad

1206,1812


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 elektro-termicznego ⇒ 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


Napięcie przebicia

Przyrządy bez wzmocnienia prądowego

Przyrządy z mechanizmem tranzystora bipolarnego

mniejsza wytrzymałość napięciowa

większy prąd upływu Wpływ temperatury na przebicie

lawinowe T Ubr ⇒ niekorzystna jest

praca w niskich temperaturach

Napięcia przebicia BJT UCES(br) = UCBO(br) = UJ(br)

UCEO(br) < UJ(br) stosowane częściowe zwarcie B-E

opornikiem zwiększenie Ubr

UCEO(br) < UCER(br) < UCES(br)

kosztem spadku βF

Ubr=U J(br)

U br=U J(br)(1−α F)1/κ ; κ≈5


Polaryzacja wsteczna

BJT CEO: przebicie skrośne bazy (BE) CES: przewodzenie dla

|UCE| > UTO złącza PN− (CB)

MOSFET przewodzenie dla |U| > UTO złącza

PN− (diody podłożowej)

IGBT NPT: blokuje napięcie

porównywalne z kierunkiem przewodzenia

PT: niższe napięcie przebicia z powodu silnego domieszkowania warstwy buforowej

N+ N− N+E CP

B

N− N+S DP

G

N+

N− P+E CP

G

N+

N− P+E CP

G

N+

N+0 5 10 15 20 251E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3BJT CEOBJT CESMOSFET DSSIGBT-PT CESBJT+D CEOIGBT-PT+D CES

UR [V]

IR [

A]


Wykorzystanie parametrów znamionowych w doborze przyrządu

Napięcie znamionowe stosowalne bezpośrednio zapas +50…100% na przepięcia

Prąd znamionowy (ciągły) 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

Prąd znamionowy szczytowy ograniczony przez sterowanie lub

doprowadzenia

P d(rat)=T j(max)−T c(nom)

R th(j-c)

ID(rat)=P D(rat)

U DS(on)(I D(rat))

Wzór prawdziwy zawsze

Ta typowo 25 °, rozsądniej 40 ° uproszczenie na czas wstępnego

poszukiwania przyrządu

dla krótkich impulsów, niskich częstotliwości Rth → Zth

P d(max)=T j(max)−T a

R th(j-a)

P d(max)=T j(max)−100 °

R th(j-c)

Część 4 - neo.dmcs.p.lodz.plneo.dmcs.p.lodz.pl/pium/wyklad/pium-ns_wykl_4.pdf · Łukasz...

Documents

Transcript of Część 4 - neo.dmcs.p.lodz.plneo.dmcs.p.lodz.pl/pium/wyklad/pium-ns_wykl_4.pdf · Łukasz...