Динамические характеристики транзисторов IGBT

August 27, 2013 by admin Комментировать »

Динамические характеристики транзисторов IGBT, как мы уже говорили, «закладываются» на этапе их изготовления. Конечно, в технической документации имеются данные о величине заряда затвора транзисторов IGBT, обозначаемого как Qgy и эта величина пригодится для проектирования схемы управления (драйвера), или его выбора из имеющихся на рынке готовых вариантов. Но однозначно использовать величину заряда затвора для оценки потерь переключения по методике, приведенной в рассказе о транзисторах MOSFET, для транзисторов IGBT нельзя. Такая ситуация складывается потому, что транзистор IGBT имеет сложную внутреннюю структуру, а также сложный характер выключения с «токовым хвостом».

Для оценки потерь переключения транзисторов IGBT используется другой метод, основанный на энергетических потерях переключения. В обеспечение этого метода из справочных данных нужно взять три параметра: энергию потерь при включении Еоп (tum-on switching losses), энергию потерь при выключении Eo(r (turn-ofF switching losses), суммарную энергию потерь Eb (total switching losses). Общую энергию потерь можно также определить по простой формуле

Энергия Еоп измеряется в промежутке между 5-процентного нарастания тока коллектора до 5-процентного спада напряжения «коллектор—эмиттер» от своих начальных установившихся значений. Энергию спада измеряют на интервале времени 5 мкс с момента 5-процентного нарастания напряжения «коллектор—эмиттер». Понятно, что по прошествии указанного времени «токовый хвост» гарантированно прекращается. Для сравнения в табл. 2.1.7 приведены значения энергии переключения для упомянутых выше транзисторов IGBT.

Таблица 2.1.7. Энергия переключения разных классов транзистора IRG4PC40

—:—:———

Транзистор

IGBT

Класс

Энергия потерь | включения, мДж

Энергия потерь выключения, мДж

Общая энергия пеI реключения, мДж I

IRG4PC40S

standard speed

0,45

6,5

6,96

IRG4PC40F

fast speed

0,37

1,81

2,18 j

IRG4PC40U

ultra speed

0,32

0,35

0,67

IRG4PC40W

waф speed

0,11

0,23

03 |

В реальных схемах преобразовательной техники ток затвора задается специальным затворным резистором R^ Влияние его сопротивления на величину суммарной энергии потерь отражает график, приведенный на рис. 2.1.40, который также часто приводится в технической документации. Из графика хорошо видно, что в случае «медленных» IGBT, где вклад «токового хвоста» велик (рис. 2.1.40, а), величина затворного резистора мало влияет на потери переключения. Для приведенного графика при изменении сопротивления Rg в пять раз (при сохранении уровня управляющего напряжения) общая энергия потерь меняется ме-

Рис. 2.1.40. Зависимость суммарной энергии переключения от величины затворного резистора: а — для транзистора IRG4PC40S; б ~ для транзистора

IRG4PC40W

нее чем на 10 %. Поэтому при проектировании схемы управления «медленным» транзистором IGBT рекомендуется выбрать по графику максимальное значение сопротивления затворного резистора. Этим мы гарантированно обезопасим транзистор от случайного защелкивания.

В случае использования «быстрых» IGBT картина меняется коренным образом: при изменении сопротивления затворного резистора в те же пять раз общая энергия потерь меняется почти в 3 раза (рис. 2.1.40, б), поэтому сопротивление резистора придется выбрать исходя из минимизации потерь, учитывая меры по снижению опасности защелкивания (слишком малая величина затворного резистора может вызвать это пресловутое «защелкивание»).

Если в составе IGBT предусмотрен обратный защитныйдиод, динамические характеристики которого, в отличие от паразитного оппозитного диода транзисторов MOSFET, намного лучше, то в технической документации отдельно указывается энергия потерь обратного восстановления этого диода. Если IGBT не имеет оппозитного диода, потери вычисляются дая внешнего диода отдельно, исходя из его конкретных характеристик. К примеру, для транзистора IRG4PC40F (с отсутствующим обратным диодом) суммарная энергия потерь составляет 2,18 мДж, адля транзистора IRG4PC40FD (со встроенным обратным диодом) суммарная энергия потерь имеет немного большее значение — 2,96 мДж.

Как и в случае транзистора MOSFET, тепловые потери в транзисторе IGBT складываются из статических потерь в открытом состоянии (Рпр), динамических потерь переключения (Рпер), потерь управления (РуПр) и потерь за счет утечки в закрытом состоянии (Pyj). Мощность потерь переключения при периодической коммутации может быть определена через энергию потерь за один период по формуле:

где T — период коммутации;

Uce(t) — напряжение «коллектор—эмиттер» в процессе периода коммутации;

ic(t) — ток коллектора в процессе периода коммутации.

Статические потери Рпр составляют часть полной мощности потерь, которая может быть рассчитана по формуле (2.1.16). При расчетах мы должны учесть, что напряжение «коллектор—эмиттер» здесь является величиной примерно постоянной и равной напряжению насыщения Uce(on), а значит, его можно вынести за знак интеграла:

Формулу (2.1.17) можно привести к виду:

где Iavg — среднее значение тока за период.

Собственно, задача упростилась — значение напряжения насыщения «коллектор—эмиттер» мы смело можем брать из технической документации на конкретный транзистор. Тем не менее, при этом стоит сделать одно небольшое, но очень важное уточнение: чтобы не завышать расчетную величину статических потерь по сравнению с реальными, необходимо выбрать значение Uce{on) исходя из конкретной рабочей величины тока (об этом мы говорили выше). Поправка, конечно, окажется небольшой, но учесть это значение полезно, поскольку в ряде случаев, например, при эксплуатации транзистора в режиме недогрузки, это позволит уменьшить размеры радиаторов.

А теперь рассчитаем потери переключения Рпер. Воспользоваться формулой (2.1.16) так же, как это мы сделали при расчете статических потерь, нам не удастся, поскольку — повторимся — динамика включения и, особенно, отключения IGBT транзистора достаточно сложная. Но, к счастью, производители элементной базы стремятся измерять эти потери на этапе изготовления транзисторов и приводить их в технической документации в виде параметра, называемого энергией переключения Els (мы говорили об этом чуть выше). Таким образом, при наличии справочных данных, потери переключения могут быть рассчитаны по очень простой формуле:

l

И все же одна немаловажная особенность расчетов по формуле (2.1.19) имеется, поэтому ее нужно учесть, чтобы воспользоваться приведенной формулой «с умом». Дело в том, что энергия потерь переключения IGBT транзистора — величина непостоянная, однако для конкретного типа транзистора она может быть достаточно жестко определена графическим способом (рис. 2.1.41). Поэтому, рассчитывая потери переключения, вначале следует определиться с величиной энергии переключения Els по графикам, приводимым в технической документации.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты