Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Laboratorium Energoelektroniki
BADANIE TRANZYSTORA
BIPOLARNEGO Z IZOLOWAN

BRAMK
(IGBT)
ProwadzÄ…cy:
dr inż. Stanisław Kalisiak, pok. 17
dr inż. Marcin Hołub, pok. 15
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
I. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z własnościami tranzystora IGBT zasilającego
odbiornik o charakterze czysto rezystancyjnym  R, czynno-indukcyjnym  RL pracujÄ…cego 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  z
ródło), G  bramka
Doprowadzenie z
ródła MOS połączone z kolektorem tranzystora PNP bywa określane
wspólnym mianem z
ródła, 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..
2
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Tranzystor MOS steruje prÄ…dem bazy tranzystora bipolarnego TPNP zapewniajÄ…c
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 UCES 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
znalez
ć się poza obszarem bezpiecznej pracy określonym przez producenta. Na Rys. 4. została
przedstawiona przykładowa trajektoria punktu pracy przy załączaniu i wyłączaniu
tranzystora.
3
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
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.
4
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Irr  maksymalny prÄ…d wsteczny diody,
Lr  sumaryczna indukcyjność toru prądowego,
Pzał(ON)  straty podczas załączania,
Pwył(OFF)  straty podczas wyłączania,
Pp  straty w stanie przewodzenia.
W celu utrzymania trajektorii punktu pracy przy przełączaniu we właściwych
granicach, jak i w celu zmniejszenia Å‚Ä…czeniowych strat mocy, stosuje siÄ™ 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.
tf
EOFF(f)= Å"icdt=
CE(m)
+"U
0
UCE(m)Å"I0Å"t(f) 2
=UCE(m)Å"C(f)
2
I0Å"t(f)
C(f)=
2UCE(m)
Rys. 6a. Proces wyłączania tranzystora bez obwodu odciążającego.
5
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
tf
EOFF(f)= Å"icdt=
CE(m)
+"u
0
UdÅ"I0Å"t(f) C(f)
Å"
12 CS
tf
1 I0 I0 2
uCE= Å"tdt= t
+"t
CS 0 (f) 2CSÅ"t(f)
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.
CS=0 CS= 0,5C(f) CS= C(f) CS= 2C(f)
UdÅ"I0Å"t(f) UdÅ"I0Å"t(f) UdÅ"I0Å"t(f) UdÅ"I0Å"t(f)
EOFF
2 6 12 24
% energii
traconej w 100% 33,3% 16,8% 8,4%
tranzystorze
6
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Rys. 7. Podział strat między tranzystor, a obwód odciążający.
7
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
III. Przebieg ćwiczenia
Poniższy rysunek przedstawia schematyczna budowę układu pomiarowego:
A
A
15000 uF
65 V
V
B
220V ~
C
Tr
1
V
V
A A
D
Generator
Układ
funkcyjny
sterowania 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:
1
îÅ‚I
Pcond = + (IC 2 - IC1)Å‚Å‚ Å" D
C1
ïÅ‚ śł
2
ðÅ‚ ûÅ‚
Pcond  straty na przewodzenie, IC1  prąd podczas załączenia, IC2  prąd podczas wyłączenia,
T1
D=
T
8
Obciążenie
(snubber)
Układ odciążający
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
,straty na przełączenia:
Pp=(Eon+Eoff )Å"f
Całkowite straty tranzystora:
Ptot = Pp + Pcond
Korzystając z wyliczonych strat tranzystora oraz danych katalogowych podać, ile procent
maksymalnych strat dopuszczalnych aktualnie wydzielanych jest w tranzystorze.
IC1 [A] IC2 [A] A B D Pcond [W] Pp [W] Ptot [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 dotyczÄ…ce 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.
9