Određivanje gubitaka i nadomjesne temperature silicija učinskog bipolarnog tranzistora s izoliranom upravljačkom elektrodom : doktorska disertacija - Bahun, Ivan (I. Bahun ; Fakultet elektrotehnike i računarstva, 2005)
Tema rada je mjerenje nadomjesne temperature silicija tranzistora s izoliranom upravljačkom elektrodom (IGBT) u pogonskim uvjetima. Cilj rada je razviti novu metodu mjerenja nadomjesne temperature silicija IGBT-a u pogonskim uvjetima koja se provodi bez složene mjerne opreme i na potencijalu pobudnog stupnja. Svrha rada je razvoj metode mjerenja primjenjive za zaštitu od previsoke nadomjesne temperature silicija (strujno ograničenje ovisno o nadomjesnoj temperaturi silicija) i za mjerenje nadomjesne temperature silicija u pogonskim uvjetima u stvarnom vremenu. Na početku ovog rada opisane su osnovne strukture i fenomenologija IGBT-a. Opis je namjenjen boljem razumjevanju načela rada i dinamičkih karakteristika IGBT-a. Opisan je način upravljanja i nastanak inverznog sloja i vodljivog kanala. Objašnjen je napon praga koji se u ovom radu koristi kao temperaturno ovisan parametar za određivanje nadomjesne temperature silicija. Prikazani su valni oblici struje i napona na IGBT-u tijekom sklapanja. Razmatrane su temeljne koncepcije pobudnih stupnjeva. Također, prikazani su neki utjecaji pobudnog stupnja na strujno naponske odnose IGBT-u tijekom sklapanja. Analiziran je utjecaj parazitskih induktiviteta na sklopne gubitke. Tema trećeg poglavlja je modeliranje IGBT-a. U radu su prikazani modeli IGBT-a koji su primjenjivi više za razvoj i projektiranje pretvarača, a manje za proizvodnju samoga IGBT-a. Među prikazanim modelima nalaze se oni jednostavni koji se mogu primijeniti u analitičkim metodama, oni složeniji koji se primjenjuju u raznim simulatorima do onih najsloženijih numeričkih. Svrha ovog poglavlja je prikazati različite mogućnost modeliranja što je važno za odabir strujne klase IGBT-a i za toplinski proračun. Prikazani su električki modeli IGBT-a, toplinski, te elektrotoplinski. Analizirano je elektrotoplinsko modeliranje koje se temelji na prijelaznoj toplinskoj impedanciji i nadomjesnoj RC-mreži. U četvrtom poglavlju je dan osvrt na postojeće metode mjerenja nadomjesne temperature silicija. Prikazane su i novije metode mjerenja nadomjesne temperature silicija IGBT-a u stvarnom vremenu koje se temelje na mjerenjima i računanjima uz primjenu digitalnih mikroprocesora za brzu obradu signala (DSP-ova). Za računanje se primjenjuju matematički modeli koji opisuju ponašanje određenih pretvaračkih struktura. Također je prikazana primjena takve metode za izvedbu strujnog ograničenja ovisnog o nadomjesnoj temperaturi silicija. U tom istom poglavlju prikazana je temperaturna ovisnost napona praga. Prikazani su rezultati mjerenja na različitim tipovima učinskih IGBT-a (strujne klase od 100 do 1000 A), na različitim uzorcima istog tipa, ali na IGBT-ovima različitih proizvođača. Rezultati mjerenja su u skladu sa spoznajama iz literature. Temperaturne ovisnost je linearna i dobiveni su jednaki rezultati postupkom zagrijavanja kao i postupkom hlađenja IGBT-a. Tema petog poglavlja je razvoj metode mjerenja nadomjesne temperature silicija IGBT-a koja se zasniva na temperaturnoj ovisnosti napona praga, a koja je izvediva na potencijalu pobudnog stupnja i primjenjiva za pogonske uvjete. Opisana je sklopka na kojoj su izvođena istraživanja. Prikazani su strujno-naponski valni oblici IGBT-a tijekom sklapanja. Napon između upravljačke elektrode i emitera, kao napon praga, mjeri se u trenutku pojave pada napona na parazitskom induktivitetu između upravljačkog i energetskog priključka emitera koji nastaje za vrijeme provođenja IGBT-a. Prikazani su međusobni vremenski odnosi. Također je uveden uvjet za mjerenje napona na tom parazitskom induktivitetu kako bi se postigla veća točnost mjerenja. Ovim uvjetom izbjegava se mjerenje u području prolaza kroz nulu napona između upravljačke elektrode i emitera. Kao dodatni uvjet uvodi se iznos napona između upravljačke elektrode i emitera veći od dva volta. Time je omogućeno podešavanje detekcije pada napona na gore navedenom parazitskom induktivitetu na vrijednosti neznatno veće od nule (nekoliko desetaka mV). U šestom poglavlju se opisuje primjena novorazvijene metode za izvedbu zaštite od previsoke nadomjesne temperature silicija. Zaštita se izvodi na potencijalu pobudnog stupnja koji se nalazi na potencijalu emitera IGBT-a. Signal o proradi zaštite šalje se galvanski odvojeno u nadređenu upravljačku elektroniku. Osim zaštite opisuje se i izvedba strujnog ograničenja ovisnog o nadomjesnoj temperaturi silicija. Signal da je nadomjesna temperatura silicija dosegla podešenu vrijednost šalje se svjetlovodom u nadređenu upravljačku elektroniku, gdje se izvodi algoritam strujnog ograničenja. Tema sedmog poglavlja je primjena nove metode mjerenja nadomjesne temperature silicija u pogonskim uvjetima u stvarnom vremenu. Izvedeni su sklopovlje i programska podrška s kojima je mjerena nadomjesna temperatura silicija tijekom uklapanja IGBT-a na prethodno na određenu temperaturu zagrijanom IGBT-u. Rezultati mjerenja uspoređivani su s podacima o temperaturi dobivenim s termoparovima koji su postavljeni u blizini IGBT-a. Analizirana je točnost mjerenja. Izvedena je mogućnost spremanja podataka u memorije na sklopovlju, ali i prijenosa podataka u nadređeno računalo. Na kraju su prikazane mogućnosti primjene ove nove metode mjerenja nadomjesne temperature silicija IGBT-a. Ova metoda omogućava izvedbu zaštite od previsoke nadomjesne temperature silicija, izvedbu strujnog ograničenja ovisnog o nadomjesnoj temperaturi silicija, te mjerenje nadomjesne temperature silicija u pogonskim uvjetima u stvarnom vremenu. Sve ove mogućnosti mogu bitno utjecati na cijenu, pouzdanost rada, masu i izmjere pretvarača s učinskim IGBT-ovima. KLJUČNE RIJEČI: Učinski bipolarni tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom IGBT), mikromodel, makromodel, nadomjesna temperatura silicija, prijelazna toplinska impedancija, mjerenje nadomjesne temperature silicija u pogonu u stvarnom vremenu, računanje vremenskog tijeka nadomjesne temperature silicija, računanje vremenskog tijeka gubitaka, zaštita od prekoračenja granične nadomjesne temperature silicija, napon praga.