Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie sposobu sterowania tranzystorem IGBT w typowych konfiguracjach pracy.

Wstęp

Przyrząd półprzewodnikowy w układzie przekształtnika musi być właściwie sterowany by zapewnić mu prawidłową, bezpieczną i zgodną z normami pracę. W związku z tym tematy związane ze sterowaniem tranzystorów mocy obejmują szerokie spektrum zagadnień:

układy sterowników (drivery)

układy zabezpieczeń

izolację galwaniczną pomiędzy obwodami mocy i sterowania

generatory czasu martwego przekształtnika

systemy pomiarowe parametrów łącznika, przekształtnika i obciążenia do celów sprzężeń zwrotnych regulacji i monitoringu.

systemy układów regulacyjnych przekształtnika

Znajomość właściwości dynamicznych przyrządu jest niezbędna dla prawidłowego zaprojektowania układu sterowania. Tranzystory IGBT to przyrządu unipolarno-bipolarne ze sterowaniem napięciowym analogicznym jak dla tranzystora VDMOS. Wiedzę o parametrach sterowania dostarcza test zwany atakiem prądowym.

Wpływ rezystora bramkowego

Dobór rezystora bramkowego ma szczególne znaczenie dla sterowania tranzystorem IGBT. Rezystor RG ma wpływ na prawie wszystkie właściwości dynamiczne tranzystora podczas jego przełączania: czasy opóźnienia, czasy narastania i opadania prądów i napięć wyjściowych, przepięcia, przetężenia i straty mocy. Rezystor bramkowy można dobrać w najszerszym zakresie spośród wszystkich parametrów, na które ma wpływ projektant. W wielu przypadkach dobiera się specjalnie większą wartość, by złagodzić stromości narastania i opadania sygnałów i wyeliminować przepięcia i przetężenia.

Rezystor bramkowy RG tworzy z pojemnością wejściową tranzystora IGBT szeregowy obwód RC.

Stałe czasowe przełączania zależą, więc proporcjonalnie od wartości rezystancji.

	Faza	Pojemność wejściowa
Załączanie	I CGE (stała) II CGE + multiplikowana milerowsko CGC III CGE + CGCmax (stała)
Wyłączanie	I CGE + CGCmax (stała) II CGE + multiplikowana milerowsko CGC III CGE (stała)

Zmieniając wartość rezystora bramkowego zmienia się jednocześnie czas włączania i wyłączania. Do niezależnego kształtowania obu charakterystyk wykorzystuje się układ z rys. (1). By układ poprawnie działał rezystancja RW połączona szeregowo z diodą musi być mniejsza lub równa rezystancji RZ.

Wpływ dwubiegunowej polaryzacji napięcia sterującego

Drugim parametrem, na który ma wpływ projektant przy doborze warunków sterowania tranzystora IGBT jest rodzaj polaryzacji napięcia sterującego.

Zastosowanie dwubiegunowej polaryzacji ma niewielki wpływ na czas załączania. Wydłuża się jedynie pierwsza faza załączania związana z narastaniem napięcia na bramce do wartości napięcia progowego. Znacznie większy jest wpływ dwubiegunowej polaryzacji przy wyłączaniu. Przyspieszeniu ulegają pierwsza i druga faza, co związane jest z szybszym rozładowywaniem pojemności bramkowych. Dwubiegunowa polaryzacja jest drugim, choć bardziej kłopotliwym sposobem niezależnego kształtowania charakterystyk wejściowej i wyjściowej.

Rodzaje sterowników IGBT

Prąd bramki w tranzystorach VDMOS i IGBT ma postać szybkich impulsów pojawiających się w momentach przełączania elementów. W celu zapewnienia odpowiedniej wartości impulsów prądowych należy stosować specjalizowane układy sterowników. Obecnie są one wykonywane wyłącznie jako układy scalone specjalizowane do konkretnych zastosowań.

sterowniki do współpracy z pojedynczym tranzystorem o konfiguracji klucza górnego i dolnego

sterowniki modułów półmostkowych IGBT

sterowniki mostków trójfazowych

sterowniki specjalizowane

Schemat ogólny sterownika przedstawia rys (2).

Przełączniki P1 i P2 realizowane są na tranzystorach MOS sterowanych z układu logicznego. Driver ma na ogół własne oddzielne zasilania.

Sterowniki oprócz realizowania swoich podstawowych funkcji często wypełniają również inne, dodatkowe zadania:

wewnętrzny generator „czasu martwego”

zatrzaskowe blokowanie sterownika

wyjściowy układ Schmitta CMOS

zabezpieczenie podnapięciowe zasilania

raportowanie błędu

zabezpieczenie nadprądowe w obwodzie obciążenia IGBT

zewnętrzne blokowanie impulsów bramkowych

Sterowniki pojedynczych tranzystorów

Tranzystor w konfiguracji wspólnego emitera (rys. (3)) (klucz po stronie niskiej) nie przedstawia większych trudności w sterowaniu. Potencjał emitera znajduje się na masie i ma stałą, niezmienną wartość.

Zupełnie inaczej przedstawia się sterowanie tranzystorem po stronie wysokiej (wspólny kolektor). Potencjał emitera znacząco się zmienia, co jest określane mianem pływającej masy. W stanie blokowania potencjał emitera jest bliski potencjałowi masy i równy potencjałowi zwartej z nim bramki. W stanie przewodzenia na emiterze pojawia się napięcie zasilania (pomiędzy emiterem a masą) i by tranzystor utrzymać w przewodzeniu na bramce powinno pojawić się napięcie odpowiednio wyższe od napięcia zasilania obwodu głównego. Oddzielne źródło zasilania dla bramki jest zupełnie niepraktyczne. Stosowanych jest kilka rozwiązań, z których najpopularniejszym jest układ bootstrap (rys. (4)). W stanie blokowania kondensator CB za pośrednictwem diody ładuje się do napięcia zasilania sterownika (bramka jest wtedy zwarta z emiterem). Po przełączeniu P1 i P2 wewnątrz sterownika bramka zostaje połączona z drugą z okładek kondensatora. Kondensator staje się dynamicznym źródłem napięcia zapewniającym ładunek potrzebny do przełączenia IGBT. Zmiany napięcia emitera powodują jednakowe zmiany napięcia bramki i wymagana różnica potencjałów jest zachowana. Dioda zostaje spolaryzowana w kierunku zaporowym i zasilanie sterownika zostaje odcięte od zasilania obwodu głównego. Dobór pojemności kondensatora jest krytyczny i wymaga szczególnie starannych obliczeń uwzględniających:

Ładunek bramki wymagany do przełączenia tranzystora IGBT obliczonego na podstawie ataku prądowego

Czasu przewodzenia diody. Zbyt duża wartość pojemności CB przy zbyt krótkim czasie ładowania uniemożliwiłaby osiągnięcie wymaganego napięcia.

Prąd upływu pomiędzy bramką a źródłem

Prąd upływu kondensatora bootstrap

Minimalną wartość kondensatora niezbędnego do załączenia tranzystora oblicza się korzystające ze wzoru (2). Dla bezpieczeństwa wartość pojemności mnoży się na ogół przez 15.

(2)

ICBS – prąd upływu kondensatora

IGBS – prąd spoczynkowy

Dobór diody

Blokowanie napięcia o wartości większej niż VZ + VCC

Małe wartości prądów wstecznych i ładunku przejściowego.

Szybka

Sterowniki układów półmostkowych

Układy mostków i półmostków są bardzo popularne w elektronice mocy (rys 5). Do ich sterowania produkuje się oddzielną grupę driverów realizujących zadania wynikające ze specyfiki układu mostka. Sterownik musi przede wszystkim zapewnić dwa sygnały logiczne: jeden do sterowania klucza dolnego a drugi do sterowania klucza górnego (w tym konieczność sterowania elementem na pływającej masie). Jednoczesne pojawienie się sygnałów załączających tranzystory doprowadza mostek do zniszczenia. Dla zapewnienia bezpieczeństwa sterownik generuje czas martwy (wyłączenie obu tranzystorów) pozwalający wyłączyć jeden z tranzystorów zanim załączony zostanie drugi.

Przebieg ćwiczenia

W układzie doświadczalnym obejrzeć na ekranie oscyloskopu przebiegi prądu i napięcia w kluczu górnym i dolnym (przy zwartym rezystorze w emiterze klucza dolnego).

Zmienić ustawienia obwodu bramki w kluczu dolnym. Obejrzeć wszystkie przebiegi.

Rozewrzeć rezystor w emiterze i zaobserwować działanie zabezpieczenia przeciwko zwarciom.

Zarejestrować wszystkie przebiegi używając programu osc.

Co w sprawozdaniu

a)

Przebiegi napięcia na kondensatorze CB, napięcia na bramce i napięcia na emiterze w kluczu górnym..

Przebiegi napięcia na bramce i na kolektorze w kluczu dolnym.

Przebieg prądu bramki w kluczu dolnym

Przebieg napięcia na kolektorze i prądu kolektora na charakterystyce XY w kluczu dolnym

Wnioski

b)

Przebiegi napięcia na bramce w obu konfiguracjach

Obliczone czasy włączania i wyłączania tranzystora w obu konfiguracjach

Wnioski

c)

Wartość prądu powodującego zadziałanie zabezpieczenia

Obliczoną rezystancję jaką należy włączyć w obwód emitera aby chroniła tranzystor IRG4BC20S przed zwarciem (przekroczeniem prądu maksymalnego).

Schemat układu

Pytania

Jaki jest wpływ rezystancji bramkowej na czasy załączania i wyłączania tranzystora IGBT?

W jaki sposób można regulować czas wyłączania tranzystora IGBT bez zmiany czasu załączania?

Jak wygląda schemat ogólny sterownika tranzystorów IGBT i MOS?

Jak wygląda i do czego służy układ bootstrapowy w kluczu górnym?

Jak obliczyć pojemność kondensatora w układzie bootstrapowym?

Jakie znaczenie ma czas martwy w układzie mostka?

1

kaminski

2004-08-23T14:26:00