Prožilna vezja MOSFET in IGBT tranzistorjev - lrtme

Prožilna vezja MOSFET inIGBT tranzistorjevMočnostni polprevodniški element, kot sta IGBT in MOSFET tranzistor, tvori s pripadajočimprožilnim vezjem zaključeno enoto t.j. močnostno stikalo, ki predstavlja vez med krmilnoelektroniko in energetskim delom pretvornika.Na podrobnejši blokovni shemi močnostnega stikala (slika 1) vidimo sestavne dele prožilnegavezja in parazitne elemente v jakotočnem tokokrogu.LkrmilnaenotapomožnivirnapetostiprožilnovezjeCLSlika 1: Blokovna shema močnostnega stikalaNa krmilni strani se nahajata dve enoti za galvansko ločitev zunanje krmilne enote, kiprožilnemu vezju posreduje krmilni ukaz t.j. pulz, medtem ko druga ločilna enota galvanskoodvoji pomožni vir napetosti, ki oskrbuje prožilno vezje z električno energijo. Galvanskaločitev je običajno izvedena z optičnimi (optični sklopnik, optično vlakno) ali induktivnimielementi (impulzni transformatorji). Pri vseh prožilnih vezjih prikazana funkcionalna zgradbani vedno jasno razvidna. Najpogosteje je temu vzrok združitev krmilne enote in pomožneganapajanja v eno enoto, ki prožilnemu vezju posreduje preko enega ločilnega transformatorjainformacijo kdaj prožiti in potrebno električno energijo. Odstopanja so opazna tudi prizagotavljanju oziroma izvedbi napajanja prožilnega vezja (brez galvanske ločitve).Nadzorna krmilna enota ima v primeru uporabe “pametnejšega” prožilnega vezja vpogled vtrenutno stanje močnostnega elementa, s čimer je možno detektirati in odpraviti napake kot staprekoračeni tok ali temperatura tranzistorja.Preklopne lastnosti močnostnega stikala nikakor ne morejo preseči mejnih vrednosti, ki soomejene z uporabljeno tehnologijo izdelave in strukturo močnostnega elementa, kljub temu palahko s slabo dimenzioniranim prožilnim vezjem ustvarimo iz odličnega močnostnegaelementa zelo slabo ali celo neuporabno močnostno stikalo. Pri dimenzioniranju, t.j.prilagoditvi prožilnega vezja močnostnemu elementu, moramo do podrobnosti poznatiigbt_drive_1del_04_2.doc 1

Prožilna vezja MOSFET in IGBT tranzistorjevnjegove lastnosti, ki vplivajo na potek in iznos napetosti in toka skozi tranzistor ter s tem navelikost izgub.Omenjene lastnosti si bomo ogledali na primeru MOSFET tranzistorja. Ugotovljenaspoznanja je možno, zaradi podobne strukture krmilnega priključka (vrata-Gate), prenesti zdoločenimi omejitvami, ki jih bomo omenili, tudi na IGBT tranzistor.DCGSGESlika 2: Simbola MOSFET in IGBT tranzistorjaOpis statičnih lastnosti MOSFET-aS statičnimi razmerami označujemo napetostno tokovno odvisnost močnostnega tranzistorja,ko so vse veličine konstantne t.j. časovno nespremenljive. Lastnosti podajamo v oblikiizhodne karakteristike, ki podaja razmerje toka I D in napetosti U DS v odvisnosti od krmilnenapetosti U GS .i Du GS -U GS,TH = u DSu GS5u GS4u GS3u GS2u GS1u GS

Prožilna vezja MOSFET in IGBT tranzistorjevtok I DSS a le do meje U (BR)DSS , ko nastopi plazoviti preboj skozi spoja p + -n - -n + , ki tvoritaparazitni npn tranzistor v strukturi MOSFET tranzistorja.Pragovna napetost U GS(th) je definirana kot minimalna napetost vrat pri kateri se začneoblikovati t.i. prevodni kanal med D in S spojem. Napetost U GS(th) se običajno definira pripogoju I D = 250 µA in znaša od 2 V do 4 V za visokonapetostne močnostne tranzistorje in od1 V do 2 V za nizkonapetostne (logic level) tranzistorje.-linearno področje; nastopi ko presežemo pragovno napetost zaradi česar začne teči tok I D . Zalinearno področje je značilno, da je tok I D krmiljen z napetostjo vrat, pri čemer njunoodvisnost podajamo s faktorjem prevodnosti (forward transconductance) g fsdIDIDgfs= =.dU U UGSGS−GS ( th)strmina g fsU GS(th)realnoidealnoSlika 4: Krmilna karakteristika I D = f(U GS ) pri U DS = konst; določitev strmine g fs-ohmsko področje; je doseženo takoj, ko je velikost toka omejena le z upornostjo vezja t.j.bremena. Tokovno napetostno razmerje v tem področju opišemo z upornostjo prevodnegakanala R DS(on) , ki je odvisna od napetosti vrat in temperature polprevodniškega spoja. Zaorientacijo omenimo, da se upornost R DS(on) pri dvigu temperature s 25°C na 125°C skorajpodvoji 1 .Pri reverzno polarizirani napetosti U DS je karakteristika MOSFET-a ekvivalentnakarakteristiki diode. Vzrok temu je parazitna revezna dioda v strukturi MOSFET-a skozikatero teče revezni tok, amplituda katerega je odvisna od velikosti reverzne napetosti U DS .Posledica revezne diode so dodatne izgube v polprevodniškem spoju, dosti bolj pereč pa jeproblem velikega sprostitvenega časa t RR , ki negativno vpliva na dinamične sposobnosti1 Vir: Semikron priročnik3

Prožilna vezja MOSFET in IGBT tranzistorjevMOSFET-a. Vezava dodatne zunanje diode z napetostjo kolena manjšo od U GS(th) in manjšimt RR od parazitne diode je zato ustaljena praksa.Opis dinamičnih lastnosti MOSFET-aKot bomo videli v nadaljevanju imajo pri izbiri stikalnega močnostnega elementadominantnejšo vlogo dinamične lastnosti elementa, iz katerih izhajajo tudi specifične zahteve,ki jih mora izpolnjevati prožilno vezje.Dogajanje v času preklopnih manevrov opišemo s pomočjo nadomestne sheme, v kateri soponazorjeni glavni vplivni elementi.DC GDi D = g fs ⋅u GSGC DSR GC GSSlika 5: Nadomestna shema MOSFET-a za analizo dinamičnih lastnostiSPri tem so:R GC GSC GDC DSupornost vrat,medelektrodna kapacitivnost,medelektrodna kapacitivnost,medelektrodna kapacitivnost.V nasprotju z ravnanjem v praksi, kjer pogosto zmotno mislimo, da na preklopne lastnostivplivata le R G in C GS , so tokovno napetostne razmere tranzistorja in dimenzioniranjeprožilnega vezja močno odvisne od medelektrodne kapacitivnosti C GD . Kapacitivnost C GD , kikaže izrazito napetostno odvisnost, imenujemo tudi Miller-jeva kapacitivnost. Čepravuravnotežena primerjava tranzistorjev različnih proizvajalcev z analiziranjem njihovihkapacitivnosti ni merodajna (različne ploščine vrat, faktor prevodnosti), omenimo šenaslednjo praktičnejšo povezavo kapacitivnosti.C iss = C GS + C GD vhodna kapacitivnost,C rss = C GDreverzna kapacitivnost,C oss = C GD + C DS izhodna kapacitivnost.4

Prožilna vezja MOSFET in IGBT tranzistorjevZ načrtovalskega stališča nudi dosti merodajnejšo informacijo podatek o potrebnemelektričnem naboju, ki ga moramo dovesti vratom, da MOSFET zanesljivo vklopi ali izklopi.Zaradi primerljivosti MOSFET-ov različnih proizvajalcev se potrebni naboj definira natestnem vezju, kjer z generatorjem konstantnega krmilnega toka I G vklapljamo induktivnobreme, kateremu je vzporedno vezana prostotečna dioda (slika 6). Potek karakterističnihveličin je podan za nazivni tok I D in pri 20% (ali 80%) maksimalne napetosti U DS .U DDI GvkloptranzistorjaID 0DDC GDGSC GSu GSQ GSQ GDU GS,THt 0t 1 t 2 t 3 t 4tu DSU DDi DI DSlika 6: Testno vezje in potek karakterističnih veličin 2tV trenutku, ko vklopimo tokovni vir, začne napetost U GS linearno naraščati (polnita se C GS inC GD ) vse dokler ne doseže pragovne napetosti U GS(th) . Tedaj se vzpostavi prevodni kanal,zaradi česar začne tok I D naraščati. V časovnem intervalu od t 1 do t 2 , ko se polni kondenzatorC GS (ker smo predpostavili, da je tedaj U DS konstantna, dasiravno napetost malenkost pade),napetost U GS in tok I D linearno naraščata vse dokler tok I D ne doseže ustaljene vrednosti.2 Vir: Power MOSFET Basics, Vrej Barkhordarian, International Rectifier /www. ……..5

Prožilna vezja MOSFET in IGBT tranzistorjevV trenutku t 2 je kondenzator C GS popolnoma napolnjen, zato začne napetost U DS upadati,medtem ko ostaja tok I D konstanten. Ko napetost U DS upada se ves krmilni tok preusmeri vpolnjenje Millerjeve kapacitivnosti C GD , ki traja mnogo dlje kot polnjenje C GS . Vzrok temu, jevelik napetostni gradient du DS /dt, ki je kot vidimo omejen z velikostjo krmilnega toka.V trenutku t 3 , ko je kondenzator C GD popolnoma napolnjen, t.j. ko je U DS enaka R DS(on) I D ,začne napetost U GS , zaradi polnjenja C GS in C GD (opazna je manjša strmina kot na začetku),ponovno naraščati. Napetost U GS se ustali pri napajalni napetosti tokovnega vira. Vsotaelektričnega naboja Q GS + Q GD , ki steče do trenutka t 3 , predstavlja minimalni naboj za vklopMOSFET-a, ki ga moramo v praksi vedno preseči. Vzrok temu so tolerance proizvodov kottudi dejstvo, da v praksi za proženje uporabljamo pogosteje napetostni vir namesto tokovnega.Prikazani dinamični model MOSFET-a in z njim povezana razlaga dinamičnih lastnosti stapovsem ustrezna kar je razvidno tudi iz eksperimentalnih rezultatov 3 , ki jih podajaproizvajalec Fairchild za različne obratovalne pogoje.Slika 7: Potek U GS pri različnih tokovih I D = I O3 Fairchild Semiconductor, AN9010, MOSFET Basics,6

Prožilna vezja MOSFET in IGBT tranzistorjevSlika 8: Potek U GS pri različnih napetostih U DSOglejmo si na tem mestu še en parameter MOSFET-a, ki na prvi pogled nima nikakršnegavpliva na dimenzioniranje prožilnega vezja, t.j. maksimalni dopustni gradient napetosti U DS .Njegov vpliv si razložimo s pomočjo nadomestne sheme MOSFET-a v izklopljenem stanjuU GS = 0 V.DC GDC DSGT 1du DS /dtZ GSC GSSSlika 9: Spontani vklop tranzistorja zaradi du DS /dtKo na izklopljen MOSFET priključimo generator napetosti z veliko strmino du/dt, steče obpozitivni strmini skozi C GD kapacitivni tok, zaradi česar lahko napetostDSu R C du GS=G⋅GDdtpreseže pragovno vrednost. V tem primeru pride do neslutenih posledic, saj bi moraltranzistor ostati izklopljen. Nastanek takšnih situacij preprečimo s pravilnimdimenzioniranjem impedance krmilnega tokokroga ali z razbremenilnimi vezji (RC snubber).7

Prožilna vezja MOSFET in IGBT tranzistorjevIzvedbe prožilnih vezij MOSFET in IGBT tranzistorjevNalogo prožilnega vezja lahko skrčeno opišemo kot izmenično polnjenje in praznenjemedelektrodnih kapacitivnosti z želeno hitrostjo in amplitudo. Če povzamemo, potem morabiti prožilno vezje obvezno sposobno:• generirati tok želene amplitude s čimer vplivamo na preklopne čase,• generirati ustrezno napetost vrat U GS , ki MOSFET-u zagotavlja zanesljivo obratovanje vohmskem področju s čimmanjšo upornostjo R DS(on) ,• zagotoviti potrebno prožilno moč PG = QG ⋅U GS⋅ f ,kjer je Q G električni naboj, ki je potreben, da krmilna napetost zraste na U GS , f je stikalnafrekvenca.• preprečiti nastanek naključnih vklopov zaradi du/dt efekta.Dodatne zahteve kot so:• galvanska ločitev,• detekcija, odprava in javljanje različnih napak znotraj močnostnega stikala ali vmočnostnem vezju,so odvisne od uporabljene topologije in želene zanesljivosti močnostnega dela ter njegoveživljenjske dobe. Na osnovi teh kriterijev delimo prožilna vezja na enostavnejša, kiizpolnjujejo zgolj osnovne kriterije, ter kompleksnejša.Majhna krmilna moč MOSFET-a omogoča, da le-tega prožimo kar s pomočjo standardnih(15 V) CMOS digitalnih vezij, kot to kaže slika 10. Zavedati pa se moramo, da potrebujeMOSFET za vklop oziroma izklop, kljub temu, da ga prištevamo med napetostno krmiljeneelemente, relativno velik tokovni impulz (slika 11). Slednjega večina kombinacijskih CMOSvezij ni sposobna generirati, zato uporabljamo za proženje raje t.i. driver-je oz. buffer-je, ki jihpogosto vežemo vzporedno, da povečamo tokovno zmogljivost krmilnega impulza (slika10.b).≥1R GR Ga) b)Slika 10:Kjer tokovna zmogljivost takšnih prožilnih vezij kljub temu ne ustreza, ali je neustreznanjihova odpornost na elektromagnetne motnje, potem uporabljamo prožilna vezja zgrajena iz8

Prožilna vezja MOSFET in IGBT tranzistorjevdiskretnih elementov. Za njih je značilna izhodna stopnja, ki je skoraj vedno zgrajena v t.i.push-pull vezavi iz dveh komplementarnih bipolarnih ali MOSFET tranzistorjev.Slika 11: Karakterističen potek U GS (U GE ) in I GPush-pull vezava zagotavlja namreč majhno upornost tako tedaj, ko prevaja zgornji tranzistor,kot tudi tedaj, ko prevaja spodnji, s čimer preprečimo nastanek naključnih vklopov zaradidu/dt efekta. Pri dimenzioniranju diskretnega prožilnega vezja pa ne smemo prezreti možneganastanka kratkotrajnih kratkostičnih tokov skozi komplementarni par tranzistorjev, ki lahkostečejo ob vsakokratnem prehodu krmilnega pulza, zaradi nezadostne amplitudne rezervekrmilnih napetosti obeh tranzistorjev, ki povzroči sočasno kratkotrajno prevajanje. Omenjenipojav lahko deloma omejimo s prožilnim vezjem na sliki 12.b, kjer je upor v krmilnemtokokrogu R G , s katerim določamo hitrost preklopov, nadomeščen z uporoma R G(on) in R G(off) ,ki sta vezane v serijo z emitorjema komplementarnih tranzistorjev. Slednje omogočaneodvisno določitev preklopnih hitrosti vklopa in izklopa tranzistorja.R G(on)R GR G(off)a) b)Slika 12:Različne preklopne hitrosti je možno doseči tudi pri predhodnih rešitvah, in sicer tako, dakrmilni upor R G premostimo z diodo, ki zagotavlja majhno upornost v trenutku praznenjamedelektrodne kapacitivnosti C GS .Nadaljnje povečanje preklopnih hitrosti, ki pride v upoštev zgolj pri visokofrekvenčnihMOSFET-ih, je možno doseči z zmanjšanjem električne časovne konstante krmilnegatokokroga, t.j. z zmanjšanjem vhodne kapacitivnosti. Eno izmed rešitev kaže slika 13.9

Prožilna vezja MOSFET in IGBT tranzistorjevSlika 13:V trenutku, ko želimo vklopiti močnostni tranzistor T 3 , sprožimo pomožni tranzistor T 1 pričemer steče krmilni tok, potek katerega ima, zaradi serijske vezave kondenzatorjev, časovnokonstantoτ = RGint⋅ ( C1 C2 Ciss) ,kjer je R Gint nadomestna upornost prevodnega tranzistorja T 1 in povezav. Ker se s postopnimpolnjenjem vseh kondenzatorjev napajalna napetost porazdeli v obratnem sorazmerju znjihovo kapacitivnostjo, mora biti napajalna napetost višja kot pri prejšnjih rešitvah, dazagotovimo zanesljiv vklop T 3 . Po vklopu se napetost na C 2 ustali na vrednosti( UDD− UZD1 ) R2UC2=,R + R1 2ki v trenutku izklopa omogoča pospešeno praznenje vhodne kapacitivnosti tranzistorja T 3 , sajje napetost vrat tedaj negativna.Naj na tem mestu omenimo še dve osnovni zakonitosti na kateri moramo paziti pridimenzioniranju vseh prožilnih vezij.Prvo pravilo narekuje, da se mora prožilno vezje s stališča geometrične razporeditve nahajatičimbližje močnostnemu delu, s ciljem, da se zmanjšajo parazitne induktivnosti električnihpovezav krmilnega tokokroga (oscilacije, zvečanje impedance ter tem možnost naključnihvklopov). Ker je induktivnost povezav odvisna tudi od površine zanke, ki jo tvorijo povezavekrmilnega tokokroga, velja tudi napotek, da se krmilni žici med prožilnim vezjem inmočnostnim elementom medseboj prepleteta.Drugo pravilo obravnava uporabo podpornih kondenzatorjev, ki s pravilno namestitvijo blizuprožilnih vezij zagotavljajo, da kratkotrajni krmilni tokovni impulzi ne povzročajoprekomernih nihanj napajalne napetosti, ter s tem njihove odpovedi.High side driverZ omenjenim pojmom označujemo prožilna vezja močnostnih tranzistorjev, ki ne vsebujejogalvanske ločitve, kljub temu, da se krmilni tokokrog tranzistorja ne nahaja na referenčnem10

Prožilna vezja MOSFET in IGBT tranzistorjevpotencialu prožilne elektronike. Posebnost teh vezij je t.i. bootstrap kondenzator, ki izhodnostopnjo prožilnega vezja oskrbuje s potrebno električno energijo, medtem ko je vhodnikrmilni signal posredovan izhodni stopnji prek visokonapetostnega tokovnega vira.Najpreprostejšo izvedbo prožilnega vezja kaže slika 14, kjer je kot Z označeno breme alispodnji tranzistor v tranzistorski veji.Slika 14:Glavni tranzistor sprožimo z vklopom tranzistorja T 2 , pri čemer se napetost bootstrapkondenzatorja pojavi na vratih MOSFET-a in upora R 1 , ki povzroči kontinuirano praznenjekondenzatorja. Omenjeno vezje torej ne more delovati v vlogi stacionarnega stikala, kjer bivklopno razmerje lahko nastavili tudi na vrednost 1, saj se lahko kondenzator polni prek diodein bremena le, ko MOSFET ne prevaja. Poleg maksimalnega vklopnega razmerja moramopaziti tudi, da preklopna frekvenca ne pade pod neko mejno vrednost, ki je v konkretnemvezju odvisna od kapacitivnosti bootstrap kondenzatorja in upornosti R 1 . Večja, ko jekapacitivnost, nižja je lahko preklopna frekvenca.Če bi želeli zmanjšati preklopne čase oziroma doseči višje preklopne frekvence, bi moraliupornost R 1 bistveno zmanjšati, kar pa bi pomenilo, da bi se kondenzator pospešeno praznil včasu (t on ) prevajanja MOSFET-a. Upor R 1 zato raje zamenjamo s tranzistorjem T 3 , ki je v časut on izklopljen, v času t off pa zagotavlja majhno impedanco krmilnega tokokroga.Slika 15:11

Prožilna vezja MOSFET in IGBT tranzistorjevProžilna vezja z galvansko ločitvijoV tem poglavju si bomo ogledali le najenostavnejša vezja z galvansko ločitvijo, ki joizvedemo z optičnimi in induktivnimi elementi.Optični elementi. Ker z optičnimi elementi ni možno učinkovito prenašati energije, jihuporabljamo le za galvansko ločitev različnih krmilnih signalov. Primer optične ločitveprožilnega signala kaže slika , kjer je ločitev dosežena z optičnim sklopnikom (opto coupler) zoddajno fotodiodo in sprejemnim fototranzistorjem. Napajalni napetosti mora pri temgenerirati dodatni vir napetosti z vgrajeno galvansko ločitvijo. To nalogo najpogostejeprevzamejo različni DC/DC pretvorniki.Slika 16:Pulzni transformator. Uporaba pulznega transformatorja je v praksi, zaradi enostavnegavezja, zelo pogosta in služi za sočasni prenos krmilnega pulza s potrebno električno vsebinoenergijo.Kot zgled si oglejmo delovanje vezja in zakonitosti pulznega transformatorja na sliki17. V časovnem intervalu, ko prevaja tranzistor T 2 , je primarna napetost enaka napajalni, zatoje primarni tok enak vsoti delovnega toka, t.j. polnilnega toka tranzistorja T 1 , in magnetilnegatoka, ki enakomerno narašča. Ko izklopimo tranzistor T 2 , postane primarna napetost negativnaz amplitudo, ki je enaka napetosti Zenerjeve diode D Z , zaradi česar magnetilni tok tedajupada. Napetost Zenerjeve diode mora biti izbrana tako, da zagotovi popolno razmagnetenjetransformatorja v primeru, ko tranzistor prožimo z maksimalnim vklopnim razmerjemU ⋅ t = U ⋅ t ⇒ U ⋅ D = U ⋅ ( 1 − D).DD ON Z OFF DD ZV nasprotnem primeru se jedro transformatorja magnetno zasiči. Minimalno število primarnihovojev določimo z enačboN U t DD⋅,=S ⋅ BeON MAX,12

Prožilna vezja MOSFET in IGBT tranzistorjevkjer je S e efektivni premer jedra, B maksimalna dopustna gostota magnetnega pretoka.ZDDTru PRGUDDT 1UZDtT2tSlika 17: Prožilno vezje s pulznim transformatorjem in potek signalovV primeru, ko je vklopno razmerje manjše od maksimalnega, dobimo potek primarnenapetosti, kjer je napetost del časovnega intervala enaka nič (slika 18).u PU DDU ZDtSlika 18: Potek primarne napetosti pri različnih vklopnih razmerjihTakšen potek primarne, ter s tem tudi sekundarne napetosti ni problematičen, če upornostkrmilnega upora R G le ni prevelika. V tem primeru imamo opraviti s spremenljivoobčutljivostjo prožilnega vezja na du/dt efekt, saj je le ta z negativno krmilno napetostjobistveno zmanjšana.13