Određivanje gubitaka i nadomjesne temperature silicija učinskog bipolarnog tranzistora s izoliranom upravljačkom elektrodom : doktorska disertacija - Bahun, Ivan; Benčić, Zvonko (Zagreb : 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.
The subject of this thesis is measurement of virtual junction temperature the insulated gate bipolar transistors (IGBTs) in operating conditions. The objective is to develop a new method for measurement of virtual junction temperature in insulated gate bipolar transistors (IGBTs) in operating conditions that could be performed in operating conditions and at the driver potential. The purpose of the thesis is to develop a measurement method that can be used for over temperature protection and for real-time measurement of virtual junction temperature in operating conditions.
The thesis begins with a description of IGBT fundamental structure and phenomenology. The purpose of the description is to enable a better understanding of the principles of IGBT operation and its dynamic characteristics. The IGBT control and the production of inverse layer and conductive channels are described. An explanation is given of the threshold voltage, which is used in this thesis as a temperature-dependent parameter for determination of virtual junction temperature.
Current and voltage wave shapes in IGBT during switching are presented. Fundamental concepts of driver are considered. Some effects of driver on IGBT voltage and current relations during switching are also presented. The influence of stray inductances on switching losses is analysed.
Chapter three deals with IGBT modelling. The thesis presents IGBT models that can be applied rather to converter design and development than to the production of IGBT itself. Among the presented models there are the simple ones, which can be used in analytical methods, more complex ones, which are used in various simulators, and even the most complex numerical ones. The objective of this chapter is to present various possibilities of modelling, what is important for choice of IGBT current class and for thermal computation. Electric, thermal and electrothermal IGBT models are presented. Electrothermal modelling based on transient thermal impedance and equivalent RC network is analysed.
In chapter four an outline of the existing methods for measurement of virtual junction temperature is given. Recent methods for real-time measurement of virtual junction temperature of IGBT based on measurements and calculations preformed using digital microprocessors for rapid signal processing. In computation, mathematical models are used that describe the behaviour of certain converter structures. An application of such a method for implementation of circuits that are dependent on the virtual junction temperature is presented as well. The same chapter deals with temperature dependence of threshold voltage. Also measurement results are presented that were obtained on various types of power IGBTs (current class from 100 to 1000 A), on various samples of the same type, but on IGBTs of different manufacturers. The measurement results agree with the results found in literature. Temperature dependence is linear, and the results obtained both by IGBT cooling and by heating are the same.
The subject of chapter five is the development of a method for measurement of equivalent temperature of IGBT silicon based on temperature dependence of threshold voltage that can be implemented on the driver potential and can be used in operating conditions. A description is given of the switch on which the investigations were performed. IGBT current and voltage wave shapes during switching are presented. The voltage between the gate and the emitter, as the threshold voltage, is measured at the moment when the voltage drop appears on the stray inductance between the control and power connection of the emitter appearing during the IGBT conduction time. Various time relations are presented.
A condition for voltage measurement on this stray inductance was introduced in order to improve the measurement accuracy. By this condition the measurement in the range of voltage zero crossing between the gate and the emitter. As an additional condition, the value of the voltage between the gate and the emitter higher exceeding two volts is introduced. This enables adjustment of the voltage drop detection on the above-mentioned stray inductance to the values that are negligibly higher than zero (several tens of mVs).
In chapter six the application of newly developed method for implementation of the protection against excessive virtual junction temperature is described. The protection is implemented at the driver potential of the IGBT emitter. The protection actuation signal is transferred galvanically separated to the superordinated control electronics. Besides the protection, also the current limitation in dependence on the virtual junction temperature is described. The signal that the virtual junction temperature has reached the set value is transmitted to the superordinated control electronics, where the current limitation algorithm is implemented.
The subject of chapter seven is the application of the new method for real-time measurement of virtual junction temperature in operating conditions. Hardware and software were implemented and used for the measurement of virtual junction temperature during the switching of IGBT to the preset temperature of the heated IGBT. The measurement results were compared with the temperatures obtained by thermopairs installed in the vicinity of IGBT. The measurement accuracy is analysed. The possibilities of data storage by means of hardware and also of data transfer to the master computer are also implemented.
In conclusion, the possibilities for application of this new method of measurement of virtual junction temperature of IGBT are presented. This method enables implementation of the protection against excessive virtual junction temperature, of current limitation in dependence on the virtual junction temperature and also the real-time measurement of virtual junction temperature in operating conditions. All of these possibilities can have considerable effects on the price, reliability of operation, weight and dimensions of converters with power IGBTs.
KEY WORDS:
insulated gate bipolar transistor (IGBT), micromodel, macromodel, virtual junction temperature, transient thermal impedance, real-time measurement of virtual junction temperature in operating conditions, calculation of the time course of virtual junction temperature, calculating of the time course of losses, protection against excessive virtual junction temperature, threshold voltage.
Bibliografija str. 139-144.