P
P
o
o
l
l
i
i
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
a
a
S
S
z
z
c
c
z
z
e
e
c
c
i
i
ń
ń
s
s
k
k
a
a
I
I
n
n
s
s
t
t
y
y
t
t
u
u
t
t
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
o
o
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
i
i
Z
Z
a
a
k
k
ł
ł
a
a
d
d
M
M
a
a
s
s
z
z
y
y
n
n
i
i
N
N
a
a
p
p
ę
ę
d
d
ó
ó
w
w
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
y
y
c
c
z
z
n
n
y
y
c
c
h
h
Laboratorium Energoelektroniki
BADANIE TRANZYSTORA
BIPOLARNEGO Z IZOLOWANĄ
BRAMKĄ (IGBT)
Prowadzący:
dr inż. Stanisław Kalisiak, pok. 17
dr inż. Marcin Hołub,
pok. 15
2
P
P
o
o
l
l
i
i
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
a
a
S
S
z
z
c
c
z
z
e
e
c
c
i
i
ń
ń
s
s
k
k
a
a
I
I
n
n
s
s
t
t
y
y
t
t
u
u
t
t
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
o
o
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
i
i
Z
Z
a
a
k
k
ł
ł
a
a
d
d
M
M
a
a
s
s
z
z
y
y
n
n
i
i
N
N
a
a
p
p
ę
ę
d
d
ó
ó
w
w
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
y
y
c
c
z
z
n
n
y
y
c
c
h
h
I. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z własnościami tranzystora IGBT zasilającego
odbiornik o charakterze czysto rezystancyjnym – R, czynno-indukcyjnym – RL pracującego z
dołączonym układem odciążającym C, RC, RDC, RLDC oraz układem odzyskiwania energii.
II. Wstęp teoretyczny
Przyrząd ten powstał przez połączenie w obszarze monolitycznego materiału
półprzewodnikowego tranzystora bipolarnego z tranzystorem polowym typu MOS.
Utworzona w ten sposób struktura ma pozytywne cechy obu przyrządów i stanowi atrakcyjny
półprzewodnikowy łącznik przydatny do układów o mocy nawet kilkuset kilowatów i
pracujący z częstotliwością przełączania sięgającą 30kHz. Maksymalne dopuszczalne
wartości blokowanego napięcia przekraczają 6kV, co oznacza pełną przydatność IGBT
układach zasilanych z sieci o napięciu skutecznym 400 V i wyższym. Prądy znamionowe
mogą mieć wartości do 1kA. Niezwykle ważną zaletą IGBT jest - przejęta od tranzystora
MOS łatwość sterowania go przez zmianę potencjału izolowanej bramki, co bardzo upraszcza
konstrukcję całego urządzenia. Pewną wadą IGBT jest znaczny spadek napięcia występujący
na nich w stanie przewodzenia (ok. 2,5V), jednakże dzięki szybkim przełączeniom uzyskuje
się redukcję strat łączeniowych tak, że sumaryczne straty mocy w IGBT są mniejsze niż w
klasycznym tranzystorze bipolarnym.
Fragment przykładowej pojedynczej komórki tranzystora IGBT przedstawiono na Rys.
1., nie różni się bardzo od tranzystora MOS. O ile w strukturze tranzystora MOS można było
wyróżnić diodę zwrotną , o tyle w przypadku IGBT występuje typowa czterowarstwowa
struktura tyrystora, który można nazwać pasożytniczym.
Rys. 1. Szkic struktury złączowej tranzystora IGBT.
E – emiter (D – dren), C – kolektor (S – źródło), G – bramka
Doprowadzenie źródła MOS połączone z kolektorem tranzystora PNP bywa określane
wspólnym mianem źródła, natomiast emiter przejmuje nazwę drenu. Należy tu podkreślić , że
bardziej rozpowszechnione jest oznaczanie tranzystora IGBT symbolem analogicznym do
tranzystora bipolarnego typu NPN, gdzie emiter tranzystora jest oznaczany jako kolektor,
natomiast wspólne połączenie kolektora i drenu traktowane jest jako doprowadzenie emitera
Rys. 2.
Rys. 2. Symbol graficzny tranzystora IGBT..
3
P
P
o
o
l
l
i
i
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
a
a
S
S
z
z
c
c
z
z
e
e
c
c
i
i
ń
ń
s
s
k
k
a
a
I
I
n
n
s
s
t
t
y
y
t
t
u
u
t
t
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
o
o
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
i
i
Z
Z
a
a
k
k
ł
ł
a
a
d
d
M
M
a
a
s
s
z
z
y
y
n
n
i
i
N
N
a
a
p
p
ę
ę
d
d
ó
ó
w
w
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
y
y
c
c
z
z
n
n
y
y
c
c
h
h
Tranzystor MOS steruje prądem bazy tranzystora bipolarnego T
PNP
zapewniając
szybkie załączanie i wyłączanie dużych prądów. Mechanizm przepływu prądu w strukturze
IGBT, cechuje fakt, że dominująca część prądu drenu przepływa przez kanał tranzystora
MOS.
Wyjściowe charakterystyki napięciowo-prądowe IGBT przedstawiono na Rys. 3.
Przejście do stanu przewodzenia jest możliwe dopiero po przekroczeniu progowej wartości
napięcia sterującego, przy której zacznie otwierać się kanał MOS. Maksymalne napięcie
tranzystora U
CES
jest ograniczone ze względu na możliwość lawinowego przebicia w złączu
tworzonym przez warstwy P i N
-
.
Rys. 3. Charakterystyki napięciowo-prądowe tranzystora IGBT.
Ponieważ struktura złączowa IGBT wykazuje cechy tyrystora, może w niej wystąpić
zjawisko tzw. "zatrzaskiwania się" (z ang. latch), co odpowiada załączeniu tyrystora.
Następuje utrata sterowności i dopiero przerwanie dopływu prądu drenu (kolektora)
spowoduje wyłączenie. Przyczyną powstania tego zjawiska może być przekroczenie
dopuszczalnej wartości prądu drenu, a także - w stanach dynamicznych – zjawisko
rozszerzania warstwy zaporowej złącza wywołane szybkimi zmianami napięcia (efekt du/dt).
Półprzewodnikowe przyrządy sterowane, z uwagi na duże obciążenia prądowe, są
szczególnie narażone na uszkodzenia w stanach dynamicznych. Szybko narastające napięcie
podczas wyłączania, gdy zwykle przepływa przez nie jeszcze znaczny prąd lub szybko
narastający prąd przy załączaniu, gdy napięcie jeszcze nie uległo zmniejszeniu – powodują
wydzielanie bardzo dużych chwilowych strat mocy. Zjawisko to musi być uwzględniane w
zależności od typu przyrządu oraz warunków jego pracy.
W przypadku tranzystora IGBT trajektoria punktu pracy przy przełączaniu nie może
znaleźć się poza obszarem bezpiecznej pracy określonym przez producenta. Na Rys. 4. została
przedstawiona przykładowa trajektoria punktu pracy przy załączaniu i wyłączaniu
tranzystora.
4
P
P
o
o
l
l
i
i
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
a
a
S
S
z
z
c
c
z
z
e
e
c
c
i
i
ń
ń
s
s
k
k
a
a
I
I
n
n
s
s
t
t
y
y
t
t
u
u
t
t
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
o
o
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
i
i
Z
Z
a
a
k
k
ł
ł
a
a
d
d
M
M
a
a
s
s
z
z
y
y
n
n
i
i
N
N
a
a
p
p
ę
ę
d
d
ó
ó
w
w
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
y
y
c
c
z
z
n
n
y
y
c
c
h
h
Rys. 4. Przykładowe trajektoria punktu pracy tranzystora przy załączaniu i wyłączaniu.
Na Rys. 5. przedstawiono przykładowe charakterystyki napięcia, prądu i strat mocy
podczas załączania i wyłączania tranzystora.
Rys. 5. Przebieg napięcia, prądu i strat mocy przy załączaniu i wyłączaniu tranzystora.
5
P
P
o
o
l
l
i
i
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
a
a
S
S
z
z
c
c
z
z
e
e
c
c
i
i
ń
ń
s
s
k
k
a
a
I
I
n
n
s
s
t
t
y
y
t
t
u
u
t
t
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
o
o
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
i
i
Z
Z
a
a
k
k
ł
ł
a
a
d
d
M
M
a
a
s
s
z
z
y
y
n
n
i
i
N
N
a
a
p
p
ę
ę
d
d
ó
ó
w
w
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
y
y
c
c
z
z
n
n
y
y
c
c
h
h
I
rr
– maksymalny prąd wsteczny diody,
L
r
– sumaryczna indukcyjność toru prądowego,
P
zał(ON)
– straty podczas załączania,
P
wył(OFF)
– straty podczas wyłączania,
P
p
– straty w stanie przewodzenia.
W celu utrzymania trajektorii punktu pracy przy przełączaniu we właściwych
granicach, jak i w celu zmniejszenia łączeniowych strat mocy, stosuje się specjalne obwody
złożone z elementów RLC, które zmniejszając stromość narastania prądów i napięć przy
przełączaniu powodują zmniejszenie łączeniowych strat mocy w strukturze. Obwody takie
nazywają się odciążającymi (ang. snubber).
Obwody odciążające – poza wspomnianym korzystnym oddziaływaniem na warunki
pracy
tranzystora
–
dodatkowo
powodują
ograniczenie
poziomu
zakłóceń
elektromagnetycznych emitowanych przez układ przekształtnika, w związku z dużymi
stromościami zmian napięć i prądów wywołanych przełączeniami. Jako negatywne należy
ocenić, wywołane obecnością obwodów odciążających, wydłużenie procesów łączeniowych i
ograniczenie minimalnych czasów załączenia i wyłączenia prowadzące do deformacji
przebiegu napięć i prądów.
Na Rys. 6a. i Rys. 6b.. przedstawiono układ pracy tranzystora IGBT oraz wpływ
układu odciążającego na pracę tranzystora w procesie wyłączania.
CE(m)
(f)
0
(f)
(f)
2
CE(m)
(f)
0
CE(m)
t
0
c
CE(m)
OFF(f)
U
2
t
I
C
C
U
2
t
I
U
t
i
U
E
f
⋅
=
⋅
=
⋅
⋅
=
⋅
=
∫
d
Rys. 6a. Proces wyłączania tranzystora bez obwodu odciążającego.
6
P
P
o
o
l
l
i
i
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
a
a
S
S
z
z
c
c
z
z
e
e
c
c
i
i
ń
ń
s
s
k
k
a
a
I
I
n
n
s
s
t
t
y
y
t
t
u
u
t
t
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
o
o
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
i
i
Z
Z
a
a
k
k
ł
ł
a
a
d
d
M
M
a
a
s
s
z
z
y
y
n
n
i
i
N
N
a
a
p
p
ę
ę
d
d
ó
ó
w
w
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
y
y
c
c
z
z
n
n
y
y
c
c
h
h
∫
∫
⋅
=
⋅
=
⋅
⋅
⋅
=
⋅
=
f
f
t
0
2
(f)
S
0
(f)
0
S
CE
S
(f)
(f)
0
d
t
0
c
CE(m)
OFF(f)
t
t
2C
I
t
t
t
I
C
1
u
C
C
12
t
I
U
t
i
u
E
d
d
Rys. 6b. Proces wyłączania tranzystora z włączonym obwodem odciążającym.
Podziału strat energii występujących w układzie podczas wyłączania dokonano
między tranzystor a obwód odciążający i wyniki przedstawiono w poniższej tabeli. Na Rys. 7.
przedstawiono położenie punktu minimalnych strat łącznych, obejmujących całkowite straty
w układzie.
C
S
=0
C
S
= 0,5C
(f)
C
S
= C
(f)
C
S
= 2C
(f)
E
OFF
2
t
I
U
(f)
0
d
⋅
⋅
6
t
I
U
(f)
0
d
⋅
⋅
12
t
I
U
(f)
0
d
⋅
⋅
24
t
I
U
(f)
0
d
⋅
⋅
% energii
traconej w
tranzystorze
100%
33,3%
16,8%
8,4%
7
P
P
o
o
l
l
i
i
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
a
a
S
S
z
z
c
c
z
z
e
e
c
c
i
i
ń
ń
s
s
k
k
a
a
I
I
n
n
s
s
t
t
y
y
t
t
u
u
t
t
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
o
o
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
i
i
Z
Z
a
a
k
k
ł
ł
a
a
d
d
M
M
a
a
s
s
z
z
y
y
n
n
i
i
N
N
a
a
p
p
ę
ę
d
d
ó
ó
w
w
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
y
y
c
c
z
z
n
n
y
y
c
c
h
h
Rys. 7. Podział strat między tranzystor, a obwód odciążający.
8
P
P
o
o
l
l
i
i
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
a
a
S
S
z
z
c
c
z
z
e
e
c
c
i
i
ń
ń
s
s
k
k
a
a
I
I
n
n
s
s
t
t
y
y
t
t
u
u
t
t
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
o
o
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
i
i
Z
Z
a
a
k
k
ł
ł
a
a
d
d
M
M
a
a
s
s
z
z
y
y
n
n
i
i
N
N
a
a
p
p
ę
ę
d
d
ó
ó
w
w
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
y
y
c
c
z
z
n
n
y
y
c
c
h
h
III. Przebieg ćwiczenia
Poniższy rysunek przedstawia schematyczna budowę układu pomiarowego:
O
b
ci
ąż
en
ie
U
k
ła
d
o
d
c
ią
ża
ją
cy
(s
n
u
b
b
er
)
Tr
1
220V ~
15000 uF
65 V
A
B
C
D
A
A
A
V
V
V
Układ
sterowania
Generator
funkcyjny
Oscyloskop
Rys. 8. Schematyczna budowa układu pomiarowego.
Między punkty A,B,C,D istnieje możliwość podłączenia różnych układów odciążania
badanego tranzystora. Charakter obciążenia jest rezystancyjno – indukcyjny. Przebiegi prądu
tranzystora, diody oraz napięć tych elementów rejestrowane są na oscyloskopie cyfrowym.
III.I Straty tranzystora bez układu odciążającego
Dla napięcia na baterii kondensatorów wynoszącego 40V korzystając z wzorów poniżej oraz
dokumentacji tranzystora (dostępna na laboratorium) obliczyć straty mocy bez układów
odciążających (dla wielkości prądu i częstotliwości zadanej przez prowadzącego).
Jednocześnie zapisać na dyskietce przebiegi prądu i napięcia tranzystora podczas wyłączania i
załączania. Jako sygnał referencyjny 1,2 w oscyloskopie zapisać moc strat na załączenie /
wyłączenie tranzystora.
Teoretycznie straty tranzystora IGBT wyznaczyć można korzystając z podanych poniżej,
uproszczonych zależności:
(
)
D
I
I
I
P
C
C
C
cond
⋅
−
+
=
1
2
1
2
1
P
cond
– straty na przewodzenie,
I
C1
– prąd podczas załączenia,
I
C2
–
prąd podczas wyłączenia,
T
T
D
1
=
9
P
P
o
o
l
l
i
i
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
a
a
S
S
z
z
c
c
z
z
e
e
c
c
i
i
ń
ń
s
s
k
k
a
a
I
I
n
n
s
s
t
t
y
y
t
t
u
u
t
t
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
o
o
t
t
e
e
c
c
h
h
n
n
i
i
k
k
i
i
Z
Z
a
a
k
k
ł
ł
a
a
d
d
M
M
a
a
s
s
z
z
y
y
n
n
i
i
N
N
a
a
p
p
ę
ę
d
d
ó
ó
w
w
E
E
l
l
e
e
k
k
t
t
r
r
y
y
c
c
z
z
n
n
y
y
c
c
h
h
,straty na przełączenia:
f
E
E
P
off
on
p
⋅
+
=
)
(
Całkowite straty tranzystora:
cond
p
tot
P
P
P
+
=
Korzystając z wyliczonych strat tranzystora oraz danych katalogowych podać, ile procent
maksymalnych strat dopuszczalnych aktualnie wydzielanych jest w tranzystorze.
I
C1
[A]
I
C2
[A]
A
B
D
P
cond
[W]
P
p
[W]
P
tot
[W]
III.II Wpływ układów odciążających
Dla układów odciążających udostępnionych przez prowadzącego (RC, RCD, RLC2D, układ
rekuperacji energii) dokonać analizy przebiegu mocy podczas załączania / wyłączania
tranzystora, przebiegi te porównać z zapisanymi wcześniej sygnałami referencji (tranzystora
bez układu odciążającego).
IV. Wymagania dotyczące sprawozdania
W sprawozdaniu umieścić należy:
1.
Schemat stanowiska badawczego
2.
Obliczenia z punktu III.I.
3.
Analiza i przedstawienie graficzne wyników pomiarów z punktu III.II, na podstawie
danych pobranych ze strony www.zmine.ps.pl, opis wad i zalet każdej z badanych metod
odciążania tranzystora.