В настоящей работе с помощью методов компьютерного моделирования было произведено определение энергии потерь переходных процессов переключения полевого транзистора при работе в ключевом режиме в цепи с активно-индуктивной нагрузкой на примере существующего решения методом двух импульсов прямоугольной формы. Было установлено, что из-за наличия антипараллельного/оппозитного полупроводникового диода в цепи активно-индуктивной нагрузки при переходе из проводящего состояния в непроводящее состояние приводит к выбросу в характеристике силы электрического тока в цепи сток-исток транзистора, и был установлен фактор, влияющий на данное поведение. Компьютерное моделирование производилось с применением программной среды LTspiceSimulator.
Ключевые слова: полевой транзистор, метод двух импульсов прямоугольной формы, переходный процесс переключения, энергия потерь, SPICE-модель.
Введение
Энергия потерь переходных процессов переключения полупроводниковых приборов (ПП) является важнейшим параметром, поскольку от него в значительной степени зависят динамические свойства и нагрузочная способность ПП, коэффициент полезного действия и условия их теплоотвода.
В техническом паспорте на ПП не всегда могу быть указаны необходимые параметры при требуемых условиях испытаний. Одним из практичных способ для определения значений требуемых параметров ПП при требуемых условиях испытаний является проведение компьютерного моделирования.
Компьютерное моделирование является практичным и эффективным средством для определения необходимых параметров объекта и позволяет не прибегать к трудоемким и времязатратным испытаниям, проводимых на реальных испытательных комплексах, тем самым позволяет сократить время и позволяет определить значения требуемых параметров ПП при требуемых условиях испытаний.
Метод определения
Метод определения параметров [1] заключается в подаче сигнала управления определенной формы на электрод затвора ПП, подключенного в цепь с активно-индуктивной нагрузкой, измерении электрических характеристик ПП и определении требуемых параметров на основе полученных характеристик.
Для уменьшения выброса напряжения сток-исток ПП при переходном процессе выключения в цепи активно-индуктивной нагрузки установлен антипараллельный/оппозитный полупроводниковый диод.
Сигнал управления представлен в виде двух импульсов прямоугольной формы. К параметрам сигнала управления относятся интервал длительности первого импульса τ1 , интервал длительности задержки между импульсами τзд , интервал длительности второго импульса τ2 , размах амплитуды сигнала ΔU . Интервал длительности первого импульса τ1 определяет требуемое значение силы электрического тока стока IС ПП и зависит от индуктивности активно-индуктивной нагрузки Lн и требуемого значения напряжения сток-исток UСИ . На основании закона Ома падение напряжение на катушке индуктивности при протекании тока Iн определяется в соответствии с:
|
|
(1) |
При Uн = UСИ , Iн = IС , t = τ1 после интегрирования (1) длительность первого импульса определяется в соответствии с:
|
|
(2) |
В период задержки τзд значение силы тока Iн , протекающего в активно-индуктивной нагрузке, из-за наличия последовательного паразитного сопротивления Rп уменьшается. Ток протекает в цепи активно-индуктивной нагрузи и оппозитного полупроводникового диода. При этом падение напряжения на оппозитном диоде на основании второго закона Кирхгофа будет определяется в соответствии с:
|
|
(3) |
К моменту второго импульса τ2 сила тока начинает увеличиваться не с нулевого значения, а с того уровня, который был достигнут в момент окончания первого импульса τ1 .
Значение длительности второго импульса τ2 не должно превышать наибольшего допустимого значения. Наибольшее допустимое значение τ2 зависит от наибольшего допустимого значения силы электрического тока стока IС ПП.
Энергия потерь переходных процессов переключения ПП на основании нормативного стандарта IEC 60747–8:2010 [2] (Разделы 6.3.7, 6.3.8) определяется в соответствии с:
|
|
(4) |
Энергия потерь при включении Eвкл определяется на интервале от t1 (Момент пересечения нарастающим током стока уровня 10 % от установившегося значения тока) до t2 (Момент спада напряжения сток-исток до 10 % от начального значения). Энергия потерь при выключении Eвыкл определяется на интервале от t3 (Момент пересечения нарастающим напряжением сток-исток уровня 10 % от установившегося значения) до t4 (Момент спада тока стока до 10 % от начального значения).
Результаты моделирования
Компьютерное моделирование производилось с применением программной среды симулятора SPICELTspiceSimulator. Схема для проведения моделирования в графической среде LTspiceSimulator представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Схема для проведения моделирования в графической среде программного пакета LTspiceSimulator
В качестве примера был выбран полевой транзистор IPB65R660CFDA [3, 4], представленный в дискретном исполнении в стандартном корпусе типа PG-TO263–3, производства организации InfineonTechnologiesAG. Максимальное значение напряжения сток-исток UСИ ПП составляет 650 В. Максимальное значение силы тока стока IС составляет 6 А при 25 °C. Напряжение затвор-исток UЗИ составляет от -20 В до 20 В.
Параметры для проведения моделирования представлены в таблице 1.
Таблица 1
Параметры моделирования
|
τ 1 , [мкс] |
τ зд , [ мкс ] |
τ 2 , [ мкс ] |
ΔU , [ В ] |
U СИ , [ В ] |
I С , [ А ] |
|
12 |
1 |
1 |
0–10 |
100 |
3 |
При UСИ = 100 В, IС = 3 А, Lн = 400 мкГн на основании (2) получаем, что значение длительности первого импульса τ1 должно составлять 12 мкс.
Результаты произведенного компьютерного моделирования представлены на рисунках 2–4.
Рис. 2. Формы электрических характеристик напряжения сток-исток UСИ и силы электрического тока стока IС ПП IPB65R660CFDA при переходных процессах переключения в цепи с активно-индуктивной нагрузкой ( UСИ = 100 В, IС = 3 А, RЗ = 9,1 Ом)
Рис. 3. Формы электрических характеристик напряжения сток-исток UСИ , силы электрического тока стока IС и соответствующих характеристик мощности потерь P и энергии потерь E ПП IPB65R660CFDA при переходных процессах переключения в цепи с активно-индуктивной нагрузкой ( UСИ = 100 В, IС = 3 А, RЗ = 9,1 Ом): слева — переходный процесс выключения ПП; справа — переходный процесс включения ПП
Таким образом, имеем, что энергия потерь переходного процесса включения Eвкл ПП IPB65R660CFDA приблизительно составляет 4 мкДж. Энергия потерь переходного процесса выключения Eвыкл ПП приблизительно составляет 0,7 мкДж.
Выброс в характеристике силы электрического тока стока IС ПП при при переходном процессе включения обусловлен восстановительным поведением оппозитного полупроводникового диода при переходе из проводящего состояния в непроводящее состояние. При работе диода в проводящем состоянии в полупроводниковой структуре образуется избыточный электрический заряд Qвос . Поэтому при переходе в непроводящее состояние полупроводниковая структура диода не сразу блокирует обратное напряжение Uобр и через структуру начинает протекать обратный электрический ток с силой Iобр (Рис. 4), который увеличивается до конечного наибольшего значения Iобр.и.п .
Рис. 4. Формы электрических характеристик напряжения катод-анод UКА и силы электрического тока анода IА оппозитного полупроводникового диода при переходе из проводящего состояния в непроводящее состояние
С уменьшением избыточного накопленного электрического заряда в полупроводниковой структуре диода сила обратного тока также уменьшается.
Энергия потерь данного выброса тока определяется энергией потерь обратного восстановления оппозитного диода на основании нормативного стандарта IEC 60747–2:2016 [5] (Раздел 6.1.6) в соответствии с:
|
|
(5) |
Энергия потерь обратного восстановления Eвос.обр оппозитного диода определяется на интервале от t5 (Момент времени смены направления тока) до t6 (Момент времени спада обратного тока до 2 % от Iобр.и.п ).
При этом энергия потерь обратного восстановления оппозитного диода Eвос.обр приблизительно составляет 0,7 мкДж.
Заключение
В результате выполнения настоящей работы было произведено определение энергии потерь переходных процессов переключения полевого транзистора в цепи с активно-индуктивной нагрузкой посредством компьютерного моделирования методом двух импульсов прямоугольной формы на примере существующего решения. Было установлено, что по причине восстановительного поведения полупроводниковой структуры оппозитного диода в цепи активно-индуктивной нагрузки при переходе из проводящего состояния в непроводящее состояние приводит к выбросу в характеристике силы электрического тока в цепи сток-исток транзистора.
Результаты произведенного определения параметров представлены в таблице 2.
Таблица 2
Энергии потерь переходных процессов переключения для ПП IPB 65 R 660 CFDA при U СИ = 100 В, I С = 3 А, R З = 9,1 Ом
|
E вкл , [ мкДж ] |
E выкл , [ мкДж ] |
|
4 |
0,7 |
Литература:
4. IPB65R660CFDA, IPP65R660CFDA: Datasheet, — Infineon Technologies AG. — 2017. — 14 с.
