Witajcie

To jest krótki artykuł o dobieraniu rezystorów bramkowych. Do zabawy potrzebujemy:

- generator prostokąta
- driver tranzystorów
- układu mocy na tranzystorze/tranzystorach MOSFET lub IGBT

Mój układ doświadczalny to TL494 -> TC4421/2 -> GDT -> pełny mostek
Tekst zawiera uproszczenia.

Na początek trochę teorii.
Wspomniany wyżej układ to najpopularniejszy typ wzmacniacza stosowanego do zasilania półprzewodnikowych cewek Tesli, a także falowników, transformatorów na rdzeniu ferrytowym czy powielaczy napięcia.
Tranzystory są włączane w stan przewodzenia poprzez naładowanie kondensatora jaki tworzy bramka i źródło tranzystora MOSFET (bramka-emiter w IGBT). Jest to wygodne i oszczędne prądowo rozwiązanie (w porównaniu do tranzystorów bipolarnych), ale dostarcza też kilku problemów.

Pasożytnicze indukcyjności w obwodzie bramka-źródło tworzą ze wspomnianym kondensatorem układ LC, który za owe kłopoty jest odpowiedzialny. Proces szybkiego ładowania i rozładowywania kondensatora przez "cewkę" powoduje, że układ wpada w oscylacje, które obserwujemy na bramce tranzystora i potocznie nazywamy "dzwonkami".



Jest to bardzo niekorzystne zjawisko ponieważ podczas oscylacji tranzystor może przechodzić w stan nienasycenia lub nawet zatkania. To z kolei skutkuje zwarciami skrośnymi, przepięciami na wyjściu wzmacniacza czy wzbudzaniem układu. Tranzystory zaczną się intensywnie grzać, moc znacznie spadnie, a przy zasilaniu napięciem bliskim napięciu przebicia złącza hukiem eksplodujących tranzystorów.

Tak... znacznie bardziej sympatycznie byłoby wytłumić te oscylacje! Tu z pomocą przychodzą rezystory bramkowe.
Podłączenie rezystora 8R do bramki daje znaczną poprawę:



Mimo to obserwujemy jeszcze mały pik. Jest on już akceptowalny, ale spróbujmy poprawić sytuację dając 10R zamiast 8R:



Tutaj mamy prawie perfekcyjny przebieg bramkowy, ale jesteśmy perfekcjonistami i damy 15R:



Iii... przedobrzyliśmy

Chyba już każdy widzi do czego dążymy, a czego unikamy. Chcemy mieć idealnego prostokąta więc nie chcemy mieć oscylacji, ale przedobrzyć też nie możemy ponieważ wzrastają czasy narastania. Duże czasy narastania powodują, że tranzystor dłużej "dochodzi" do stanu nasycenia i będzie się na nim wydzielać więcej ciepła.
Malutki pik jak na trzecim obrazku jest już bardzo dobrą sytuacją, ale można próbować jeszcze z rezystorem 12R (nie mam takiego).
Pochyły prostokąt na obrazku czwartym jest niedopuszczalny - trzeba wrócić do poprzedniej konfiguracji.

Jest to dosyć mozolna praca jeśli nie mamy szczęścia... wlutuj, sprawdź przebieg, przelutuj, znowu sprawdź przebieg... trzeba wykonać te czynności dla każdego tranzystora z osobna, ponieważ każda ścieżka czy wyprowadzenie może mieć inną indukcyjność, a każda bramka nieco inną pojemność. Ja radzę sobie z tym tak, że dobieram rezystor do jednego tranzystora, a następnie wlutowuję wszędzie takie same rezystory i tylko kontroluję czy wszystko jest ok. Najczęściej (z mojego doświadczenia) nie trzeba już nic zmieniać

W układach o dużej mocy trzeba również sprawdzać przebiegi na bramkach podczas pracy pod obciążeniem, gdyż może wystąpić efekt Millera. Objawia się on występowaniem "schodków" na zboczu narastającym i w skutkach jest podobny do sytuacji z obrazka czwartego. Wygląda następująco (obrazek ze strony http://www.richieburnett.co.uk/temp/gdt/txmiller.gif ):



O radzeniu sobie z tym zjawiskiem kiedy indziej

Żródła:
http://www.richieburnett.co.uk/temp/gdt/gdt2.html
http://www.radio-sensors.se/download/gate-driver2.pdf

Dobra robota, ale opisałeś jedynie jedną kwestię jaką jest tłumienie oscylacji na bramkach.

Pozostaje kwestia ustalania czasu martwego (czas, w którym żaden z kluczy nie jest otwarty) tudzież zwalczania zwarć skrośnych. Wartość rezystora reguluje czas jaki zajmuje przeładowanie bramki, a więc i czasy przełączania kluczy. W tym zakresie rezystory bramkowe (i opcjonalnie diody domykające) należy dobrać tak, aby opóźnić załączanie tranzystora względem wyłączania na tyle, by nie dopuścić do sytuacji gdy oba klucze są przez chwilę otwarte, co dzieje się wskutek tego, że tranzystory nie reagują na sygnał sterujący natychmiast - zajmuje im to pewien czas na który składa się "delay time" (czas opóźnienia, tranzystor na przeładowanie bramki odpowiada dopiero po pewnym czasie) oraz czasu narastania/opadania (czyli czasu, w którym przez chwilę tranzystor znajduje się trybie liniowym pracy i prąd drenu narasta od zera do maksimum/maleje z maksimum do braku przepływu). Warto nadmienić, że zazwyczaj czasy wyłączania są dłuższe niż czasy załączania.
Oznacza to, że przy nieodpowiednio dobranych rezystorach może dojść do sytuacji gdy jeden z kluczy w gałęzi mostka otworzy się zanim drugi zdąży się zamknąć. Oczywiście taka sytuacja stanowi zwarcie które może uszkodzić tranzystory.
W tym celu musimy obserwować również przebieg dren-źródło, gdzie zwarcia są widoczne w formie charakterystycznych przepięć i oscylacji.

Niestety nie mam obecnie dostępu do oscyloskopu, więc nie mogę zilustrować o co chodzi... Ktoś pomoże?

Często aby ułatwić zadanie wprowadza się asymetrię sterowania, poprzez dodanie równolegle do rezystora bramkowego diody Shottky (anodą do bramki, katodą do GDT). Dzięki niej bramka jest znacznie szybciej rozładowywana niż ładowana, co ułatwia uzyskanie koniecznego czasu martwego (zwłaszcza jeśli nasze klucze mają bardzo dużą pojemność bramki i/lub ich czasy wyłączania są znacznie większe od załączania). Dobrą praktyką jest dodanie w szeregu z tą diodą rezystora o mniejszej wartości niż główny rezystor bramkowy - zmniejsza on ryzyko powstania niepożądanych oscylacji oraz daje nam pełną kontrolę nad oboma czasami przełączania.



Zasada "idealnego prostokąta" nie jest całkiem prawdziwa i drobne odstępstwa są akceptowalne - a nawet konieczne w celu osiągnięcia opisanych powyżej efektów.

Dodam, że te informacje są poprawne nie tylko dla tranzystorów MOSFET, ale również IGBT. W przypadku tych drugich musimy jednak wziąć pod uwagę zjawisko tzw. "ogona prądowego". Polega on na tym, że IGBT po zamknięciu przewodzi jeszcze przez pewien czas niewielki prąd (typowo kilka procent nominalnego prądu kolektora). Dla zobrazowania, tak to wygląda na przebiegach (źródło: IXYS Corporation):



Czas trwania tego zjawiska potrafi być dość długi, efektywnie wydłużając całkowity czas wyłączania tranzystora nawet kilka(naście) razy i powodując duże straty wyłączania charakterystyczne dla IGBT oraz ograniczające ich maksymalną prędkość przełączania. Prowadzi to do konieczności narzucenia dość dużego czasu martwego, czasem nawet sięgającego wartości niemożliwych do efektywnego osiągnięcia przy użyciu rezystorów bramkowych i wymuszając stosowanie elektronicznych driverów (ponadto, duży czas martwy może być szkodliwy w układach takich jak SSTC ze względu na pogorszenie synchronizacji z rezonansem).
Ta sytuacja nie dotyczy jednak układów gdzie tranzystory są przełączanie "na miękko" - jak rezonansowe ZCS w cewkach typu DRSSTC. Jeżeli klucz zostanie zamknięty w chwili gdy nie przepływa przezeń prąd, zjawisko ogona prądowego nie występuje.
Kolejnym wyjątkiem są niektóre z najnowocześniejszych serii IGBT, gdzie ogon prądowy został praktycznie całkowicie wyeliminowany. Takie tranzystory są w stanie konkurować szybkością z MOSFET-ami.

bardzo dobrze grzesiu i yuri a jak odpowiecie na pytanie dlaczego załączamy dłużej a nie wyłączamy dłużej przecież jeśli to tylko czas martwy to możemy go kompensować wyłączając go dłużej. coś pominęliśmy ?

JA tylko dopisze .Czasy przełączeń rosną wraz z temperaturą !


Pozdrawiam

Ups... W międzyczasie edytowałem post wyżej (potrajając jego objętość).

Dla mnie to kwestia czystej logiki - skoro GDT próbuje jednocześnie przełączyć oba klucze (np. zamknąć dolny i otworzyć górny) logicznym jest, że należy opóźnić załączanie jednego z kluczy, aby drugi miał czas się wyłączyć. Gdybyśmy spowolnili zamykanie kluczy tylko zwiększylibyśmy prawdopodobieństwo zwarcia skrośnego.



Zależą również od prądu drenu/kolektora (i to nie w sposób liniowy). Np. tak wygląda zależność Id/czasy pewnego tranzystora:

Temat się rusza będę go kontynuował dodam brakujące oscylogramy. Pogadamy na poważnie o tym wszystkim co dodał Yuri i o efekcie Millera. Muszę to tylko rozłożyć w czasie

Yuri a szczotka chyba anodą do bramki nie..?

dobrze yuri pytanie było podchwytliwe , miałem w jednym z testów takie i jak sami widzicie wydaje się podobne ale w rzeczywistości jest inaczej.

yuri ja mam tylko zdjęcie prawidłowego strojenia dla jednej gałęzi mostka H

PS muszę kiedyś dla forum nakręcić film jak pięknie zatykają sie tranzystory przy większych częstotliwościach