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.