Цель работы – изучение параметров и характеристик БТИЗ транзисторов, приобретение навыков измерения параметров и характеристик БТИЗ транзисторов, при их коммутации в цепи постоянного тока (работа проводится для студентов заочно-вечернего обучения).
Теоретические сведения
Самым перспективным направлением создания современных силовых транзисторов являются комбинированные биполярно-полевые структуры, сочетающие принцип полевого управления и биполярный механизм переноса тока. Биполярный транзистор с изолированным затвором БТИЗ, английская версия IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) – полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. Следовательно, мощность управляющего сигнала минимальна. На рис. 3.1 приведено условное обозначение БТИЗ.
Рис. 3.1. Условное обозначение БТИЗ
Рис. 3.2. Схема соединения транзисторов в единой структуре БТИЗ
Структурная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 3.2. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора Э (эмиттер) и К (коллектор), а в цепь управления – выводом З (затвор). Схематичный разрез структуры БТИЗ показан на рис. 3.3а. Биполярный транзистор образован слоями p+ (эмиттер), n (база), p (коллектор); полевой - слоями n (исток), n+ (сток) и металлической пластиной (затвор). Слои p+ и p имеют внешние выводы, включаемые в силовую цепь. Затвор имеет вывод, включаемый в цепь управления. На рис. 3.3б изображена структура БТИЗ IV поколения, выполненного по технологии "утопленного" канала (trench-gate technology), позволяющей исключить сопротивление между p-базами и уменьшить размеры прибора в несколько раз.
Рис. 3.3. Схематичный разрез структуры БТИЗ:
а) обычного (планарного);
б) выполненного по "trench-gate technology"
Процесс включения БТИЗ можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n – канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного транзистора.
Для БТИЗ с номинальным напряжением в диапазоне 600-1200 В в полностью включённом состоянии прямое падение напряжения, так же как и для биполярных транзисторов, находится в диапазоне 1,5-3,5 В. Это значительно меньше, чем характерное падение напряжения на силовых МОП транзисторах в проводящем состоянии с такими же номинальными напряжениями.
С другой стороны, МОП транзисторы c номинальными напряжениями 200 В и меньше имеют более низкое значение напряжения во включённом состоянии, чем БТИЗ, и остаются непревзойдёнными в этом отношении в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 50 А.
По быстродействию БТИЗ уступают МОП транзисторам, но значительно превосходят биполярные. Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спадания тока при выключении БТИЗ находятся в диапазонах 0,2-0,4 и 0,2-1,5 мкс, соответственно.
Область безопасной работы БТИЗ позволяет успешно обеспечить его надёжную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20 кГц для модулей с номинальными токами в несколько сотен ампер. Такими качествами не обладают биполярные транзисторы, соединённые по схеме Дарлингтона.
Так же как и дискретные МОП транзисторы вытеснили биполярные в ключевых источниках питания с напряжением до 500 В, так и дискретные БТИЗ делают то же самое в источниках с более высокими напряжениями до 3500 В.
Характеристики БТИЗ
При проектировании электронных устройств необходимые статические величины определяются в основном по проходным и выходным зависимостям данного транзистора. На рис. 3.4а представлена типовая проходная характеристика БТИЗ при различных температурах кристалла Tj транзистора, из которой можно определить крутизну:
(3.1)
Рис. 3.4. Типовые характеристики БТИЗ:
а) проходная характеристика;
б) выходные характеристики
Для определения напряжения насыщения Uнас при заданном напряжении Uзэ используется семейство выходных характеристик рис.3.4б.
Рис. 3.5. Динамические характеристики БТИЗ
Время задержки включения БТИЗ 
определяется как время между подачей на затвор отпирающего импульса и 10% нарастания тока коллектора рис. 3.5. Время нарастания 
, определяется нарастанием тока коллектора от 10% до 90% от своего номинального значения. Время задержки выключения 
определяется как время между подачей запирающего импульса на затвор и нарастания на 10% относительно номинального значения напряжения на коллекторе. Время спада определяется как время уменьшения тока коллектора от 90% до 10% от своего номинального значения.
Параметры
К основным статическим параметрам БТИЗ относятся:
- крутизна характеристики S=∂Iк/∂Uзи мА/В, при Uси=const, характеризует усилительные свойства БТИЗ;
- напряжение насыщения коллектор-эмиттер Uкэ нас, определяет потери проводимости БТИЗ;
Основными предельными параметрами являются:
- максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер Uкэ макс;
- максимально допустимое напряжение затвор-эмиттер Uзэ макс;
- максимально допустимый ток коллектора Iк макс;
- максимально допустимое мощность рассеиваемая коллектором Pк макс.
Порядок выполнения работы
Рис. 3.6. Схема лабораторной установки
Рис. 3.7. Соединения для определения порогового напряжения затвора
1. На источнике питания ручки «грубо» и «плавно» установить в крайнее левое положение.
2. Подключить «+» источника питания к точке «а».
3. Подключить «-» источника питания к точке «с».
4. Подключить «+» источника питания к точке «b».
5. Включить источник питания и ручкой «грубо» установить 5,9 В.
6. Показания амперметра записать в таблицу 3.1.
7. Получить значения тока IК для напряжений указанных в таблице 3.1 и записать их. Для изменения напряжения пользоваться ручкой «плавно».
8. Выключить источник питания.
9. По данным таблицы 3.1 построить график.
10. По графику определить пороговое напряжение затвора Uпор. Напряжение UЗЭ при котором появился ток IК является пороговым.
Таблица 3.1
Проходная характеристика БТИЗ
| Uзэ, В | 5,9 | 6,0 | 6,1 | 6,2 | 6,3 | 6,4 |
| Iк, А |
Рис. 3.8. Соединения для заряда емкости затвора
1. Отключить «+» источника питания от точек «а» и «b».
2. Включить источник питания и ручками «грубо» и «плавно» установить 15 В.
3. Коснуться «+» источника питания в точке «b», при этом затвор зарядится до напряжения источника и транзистор будет открыт. Во время эксперимента не касайтесь затвора руками.
4. Быстро установите напряжение источника питания 1,5 В и подключите «+» к точке «a», при этом появиться ток Iк его значение установить 2 А и записать в таблицу 3.2 показания вольтметра.
5. Повторить пункты 3-4 для напряжения затвора 10В.
6. По формуле 3.1 рассчитать крутизну характеристики.
7. Рассчитать мощность прямых потерь.
Рис. 3.9. Соединения для определения напряжения насыщения и крутизны характеристики транзистора
Таблица 3.2
| UЗЭ, В | 10 | 15 |
| UКЭ, В | ||
| IК, А | 2 | 2 |
Динамические характеристики
Динамические характеристики БТИЗ приведены на рис. 3.5.
Определение времени задержки включения
Для определения времени задержки включения используется схема, приведенная на рис. 3.10.
На вход схемы от генератора Vellerman HPG-1 подается сигнал прямоугольной формы двойной полярности (меандр). Отрицательная полуволна сигнала срезается диодом VD1. Далее сигнал поступает на драйвер DD1, который формирует отпирающий импульс, поступающий на затвор VT1. Резистор R1 ограничивает ток затвора VT1. Выходной сигнал снимается с резистора R2. Диод VD2 предназначен для ограничения выбросов выходного напряжения отрицательной полярности, образующихся из-за наличия индуктивной составляющей нагрузки. Гнезда 1CH и 2CH предназначены для подключения каналов двухканального осциллографа. Измерение задержки включения производится путем измерения сдвига между импульсами на входе и выходе схемы, как показано на рис. 3.10.
Рис. 3.10. Схема для определения времени задержки БТИЗ транзистора
В схеме использованы следующие элементы: C1 –конденсатор К50-35-30В×33,0; DD1 – IR4428 драйвер двух ключей нижнего уровня; R1 – резистор МЛТ-0,5 – 20; R2 – резистор SQP- 5W-7,5 Ом; VT – IGBT транзистор IRG4BC20K.
Процедура измерений
Включите генератор. На дисплее появятся сигналы и меню дисплея.
Выберите в меню Waveform – меандр, в меню Frequency – нужную частоту, в меню Step – шаг изменения частоты, в меню – output voltage – необходимую амплитуду выходного напряжения. От источника питания подайте питание на схему. Подключите выход генератора на вход схемы с помощью кабеля. К гнездам 1CH и 2CH подключите кабели от осциллографа. Включите и настройте осциллограф. Для удобства измерений следует совместить нулевые линии 1-го и 2-го каналов. Измерьте время задержки между импульсами на входе и выходе.
Содержание отчета
Отчет должен содержать принципиальные электрические схемы лабораторной установки, измерения, занесенные в таблицы, графики характеристик построенные по таблицам, а также выводы по выполненной работе и перечень используемых приборов.
Дата: 2019-07-24, просмотров: 295.
