Studiul caracteristicilor dinamice ale IGBT-urilor

Studiul caracteristicilor dinamice ale IGBT-urilor

1. Scopul lucrarii este studiul caracteristicilor dinamice atat ale IGBT-urilor, cat si ale diodelor in antiparalel cu acestia.

2. Consideratii teoretice

. Generalitati

O comparatie privind unele performante ale unor dispozitive controlabile se prezinta in tabelul 1. [M1] In figura 1 se prezinta limitele in aplicatii practice pentru diverse dispozitive semiconductoare de putere.

Tabelul 1

Tranzistorul bipolar cu poarta izolata (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor) inglobeaza o serie din avantajele MOSFET-urilor, tranzistoarelor bipolare de putere si GTO-urilor cum ar fi:

similar ca MOSFET-urile, IGBT-urile necesita circuite de comanda de mica putere (impedanta de intrare mare);

similar ca tranzistoarele bipolare de putere, IGBT-urile au o cadere de tensiune U_DS mica, in paralel cu o capabilitate mare de blocare a tensiunii in polarizare directa;

similar cu GTO-urile, IGBT-urile sunt blocate cu tensiune de polaritate negativa;

au timpi de comutare foarte mici, fapt care determina o frecventa de lucru ridicata.

Datorita acestor avantaje acest tip de tranzistor a inceput sa fie din ce in ce mai utilizat in convertoarele statice de frecventa. Astfel majoritatea actionarilor numerice sunt realizate pe partea de forta cu IGBT-uri. In schema echivalenta a IGBT-ului, figura 2.a se remarca structura parazita a unui tiristor. Trebuie evitata aparitia fenomenului de "agatare" a IGBT-ului (cand intra in conductie tiristorul parazit). In aceste conditii scoaterea din conductie a acestui tiristor nu se mai poate realiza prin impuls de comanda si deci nu mai este posibila blocarea IGBT-ului. Pentru prevenirea fenomenului de agatare conductia tranzistorului npn este "controlata" prin sunturile din stratul de emitor, de rezistenta R_s prin care baza este conectata la emitor. [B2], [M2]

a)                                        b)

Fig.2 IGBT: (a) schema echivalenta, (b) caracteristica curent-tensiune

Caracteristicile dinamice ale IGBT-ului

In figura 3 se prezinta o schema pentru determinarea caracteristicilor dinamice ale unui IGBT pe o sarcina rezistiva. In figura 4 se prezinta caracteristicile corespunzatoare obtinute, unde se definesc urmatoarele marimi: timpul de intarziere la comutare directa t_d(ON) (tipul de ), timpul de crestere t_r, timpul de intarziere la comutare inversa t_d(OFF) si timpul de cadere t_r.

Fig. 3.Circuit de comutare, cu IGBT, pe sarcina rezistiva

Deoarece intrarea in conductie a IGBT-ului poate fi echivalata cu intrarea in conductie a unui tranzistor MOS inseriat cu o dioda de putere (dioda corespunzatoare jonctiunii J₃), timpii corespunzatori comutatiei directe (t_d(ON) si t_r) sunt mai mari decat timpii corespunzatori unui tranzistor MOS echivalent (chiar daca capacitatea echivalenta de intrarea a IGBT-ului este mai mica decat cea a tranzistorului MOS echivalent).

Blocarea IGBT-ului are loc in doua etape. In prima etapa (intervalul t₁-t₂ din figura 4), dupa aplicarea comenzii de blocare, capacitarea echivalenta a intrarii se descarca prin rezistorul R_GE (figura 4), determinand blocarea tranzistorului MOS din structura IGBT-ului.

Dupa momentul t₂ curentul prin dispozitiv este sustinut doar de curentul de goluri (i_p), injectate in baza n de catre jonctiunea J₃ polarizata direct, rata scaderii in continuare a curentului prin IGBT fiind determinata de rata recombinarii golurilor in baza n. Durata comutatiei inverse (t_OFF = t_d(OFF) + t_f) poate fi controlata prin rezistorul R_GE. La fel ca la tranzistorul MOS o rezistenta R_GE mare determina o blocare lenta a tranzistorului IGBT (valoarea maxima a curentului de recombinare i_p este mai mica ).

			t

Fig. 4 Caracteristicile dinamice ale IGBT-ului

3. Partea practica a lucrarii

In partea experimentala a lucrarii se studiaza doua IGBT-uri (cu diode conectate in antiparalel). Cu ajutorul schemei, prezentate in figura 5.a se testeaza timpii de comutare pentru dioda in antiparalel cu IGBT-ul_1. Dioda intra in conductie la blocarea IGBT-ului_2, cand bobina L intra in regim de descarcare. Daca nu ar fi aceasta dioda la blocarea IGBT-ului_2 bobina L intra in regim de descarcare ce determina aparitia unei tensiuni electromotoare la bornele acesteia. Aceasta tensiune se aduna cu tensiunea de alimentare Vcc si tensiunea V_CE pe IGBT-ul_2 poate deveni mai mare decat cea pe care el o suporta si se poate distruge. In concluzie dioda montata in antiparalel cu bobina are ca scop prevenirea distrugerii IGBT-ului_2, la blocarea acestuia, datorita supratensiunii. De asemenea, cu aceasta schema, se pot studia caracteristicile dinamice ale IGBT-ului_2.

a) b)

Fig. 5 Testarea IGBT-urilor si a diodelor in antiparalel

Schema bloc a modului de comanda a IGBT-urilor este prezentata in figura 6, iar schema electrica in figura 7. Schema de comanda contine urmatoarele blocuri principale: generator de tensiune triunghiulara si dreptunghiulara, un formator de semnal dreptunghiular cu factor de umplere reglabil in domeniul 0÷100% si blocurile de generare a impulsurilor de comanda a driverelor HCPL 3101.

Modulul de comanda genereaza semnale cu frecventa reglabila din generatorul de semnale triunghiulare. Acesta s-a realizat cu oscilatorul format din doua amplificatoare operationale βM 741, unul in regim de integrator, iar celalalt comparator cu histeresis. Acest generator permite reglarea frecventei in domeniul 80 Hz 1500Hz. Tensiunea triunghiulara obtinuta in iesirea primului amplificator operational va fi aplicata la intrarea unui comparator (LM 339) impreuna cu o tensiune de curent continuu reglabila prin potentiometrul P3 (figura 7). Cu ajutorul acestui potentiometru se regleaza factorul de umplere ale semnalelor ce comanda cele doua IGBT-uri in domeniul 0

Fig. 6 Schema bloc a modului de comanda

Fig.7 Generatorul de semnal cu factor de umplere si frecventa reglabila

Fig.8 Modulului de separare galvanica si comanda a IGBT-urilor

Cu ajutorul modului prezentat in figura 8 se realizeaza atat separarea galvanica (cu optocuploarele HCPL3101) intre modulul de comanda si cel de forta, cat si intarzierea impulsurilor de comanda cu timpul de garda (cu ajutorul urmatoarelor componente R₃C₃D₁ si R₄C₄D₂). Intarzierea impulsurilor cu timpul de garda este necesara pentru a preveni conductia simultana a celor doua IGBT-uri, care ar produce scurcircuitarea sursei prin ele si deci distrugerea acestora. Pentru identificarea timpului de garda se vor comanda ambele tranzistoare, vezi figura 9.

Fig.9 Schema de forta cand se comanda ambele IGBT-uri

4. Partea practica a lucrarii

In laborator se va realiza montajul din figura 5.a si se vor oscilografia semnalele de pe dioda in antiparalel cu IGBT_1 (figura 5.b), precum si semnalele de pe IGBT_2 (figura 3). De asemenea, se va realiza montajul din figura 9 si se vor oscilografia semnalele care pun in evidenta timpul de garda.

4. Intrebari de verificare si control

Precizati care sunt avantajele utilizarii tranzistoarelor de tip IGBT in constructia convertoarelor statice, comparativ cu utilizarea altor dispozitive de putere.

Explicati motivul pentru care la testarea diodelor in antiparalel se utilizeaza o sarcina inductiva si nu una rezistiva.

Care sunt elementele de circuit ce realizeaza intarzierea impulsurilor de comanda cu timpul de garda?