Elektrische Antriebe und Anlagen

Transkript

1 Elektrische Antriebe und Anlagen Kapitel 5: Kühlung & Ansteuerung von Leistungshalbleitern 5.Jhrg KOHE KOHE 1

2 Verlustarten Einführung: Ansteuerverluste (vernachlässigbar - außer bei Bipolartransistoren) Durchlassverluste vorwiegend! Schaltverluste bei hohen Schaltfrequenzen! Sperrverluste (vernachlässigbar) Die entstehende Verlustwärme muss vom Halbleiter ausgehend an die Umgebung abgeführt werden! Folgende Fälle werden näher betrachtet: Durchlassverluste bei Thyristoren, IGBTs & Dioden Durchlassverluste bei MOSFET Schaltverluste bei MOSFET & IGBT KOHE 2

3 zu hohe Belastung: KOHE 3

4 zu hohe Belastung: KOHE 4

5 zu hohe Belastung: KOHE 5

6 zu hohe Belastung: KOHE 6

7 zu hohe Belastung: KOHE 7

8 Durchlassverluste Durchlassverluste bei Thyristoren, IGBTs & Dioden: (PN-Übergänge im Leistungskreis Flußspannung) Arithmetischer Mittelwert der Verlustleistung: t PF = pf () t dt uf () t id() t dt T = T t t ( ( ) () ) 1 () ( 2 P ( ) () () ) F = U i 0 D t r FT D id t dt U i FT0 D t id t rd dt T + = + T t 1 1 t2 t F = ( 0) FT D() D() D FT ( 0) DAV DRMS D T + T = + t t 1 1 t t u = u = U + i r P U i t dt i t r dt U I I r KOHE 8 t ( 0) F D FT D D Die Durchlassverluste von Diode und Thyristor sind sowohl vom Mittel- als auch vom Effektivwert des Durchlassstromes abhängig! t

9 Durchlassverluste Bsp.5.1: Ermittle die Verlustleistung an einem Thyristor, der einen Gleichstrom von 10A führt! U ( 0) = 1.2V, rt = 15mΩ TT Bsp.5.2: Berechne die Verlustleistung an oben gegebenen Thyristor, wenn dieser nun von folgendem Strom durchflossen wird! KOHE 9

10 Durchlassverluste Bsp.5.3: Berechne die Verlustleistung an dem Thyristor, wenn dieser nun von einem Sinushalbwellenstrom durchflossen wird! U ( 0) = 1.2V, rt = 15mΩ TT Durchlassverluste bei MOSFET: - unipolares Bauelement nur eine Ladungsträgerart am Strom beteiligt - kein PN-Übergang keine Flußspannung - einzige Verlustquelle ist der Bahnwiderstand P = I r 2 V TRMS DS( on) KOHE 10

11 Schaltverluste Schaltverluste: Schaltverluste treten auf, da während des Schaltvorganges gleichzeitig hohe Werte von Strom und Spannung auftreten. Verlustenergie! MOSFET & IGBT: ( ) P = W + W f VSS Son Soff S Diode: aus Datenblatt P = f Qrr U 2 VSD S d beim Abschaltvorgang an der Diode auftretende Sperrspannung KOHE 11

12 Verluste Bsp.5.4: Gegeben ist ein IGBT in einer Gleichstromstellerschaltung mit folgenden Daten: U ( ) = 1V, r 0 sdiff = 200mΩ ST Der IGBT arbeitet mit einem Tastgrad D=1/3 und schaltet den Strom wie nebenstehend angegeben. Aus welchen Teilen setzt sich die Verlustleistung einer Periode zusammen, wenn die Einschaltverluste als null angenommen werden, die Ausschaltenergie 2mJ und die Schaltfrequenz 1kHz beträgt? Schaltverluste: Durchlassverluste: KOHE 12

13 Kühlkörperdimensionierung Wärmetransport: Wärmestrom [P]=W (Leistung)... el. Strom Temperaturunterschied [Δδ]=K... el. Spannung Wärmewiderstand [R th ]=K/W... el. Widerstand Wärmekapazität [C th ]=Ws/K... el. Kapazität therm. Zeitkonstanten therm. ohmsches Gesetz: P V = Δϑ R th 2ms 2s 2-20min KOHE 13

14 Kühlkörperdimensionierung Berechnung: Auslegung des Kühlkörpers für den schlechtesten Fall (worst case) maximale Sperrschichttemperatur des HL aus Datenblatt ermitteln ( ) Δ ϑ = ϑ ϑ = P R = P R + R + R J U V th, ges V thjg thgk thku Auswahl des passenden Kühlkörpers nach R thku -z.b.: K 0.05 mit Wärmeleitpaste W KOHE 14

15 Kühlkörperdimensionierung Bsp.5.5: Bei einer Verlustleistung von 26W soll die Sperrschichttemperatur eines Transistors nicht wärmer als 125 C werden. Der Wärmewiderstand R thjg beträgt laut Herstellerangabe 0.9K/W. Zwischen Kühlkörper und Transistorgehäuse wird ein el. Isolator (0.4K/W) eingebaut. Berechne den erforderlichen Wärmewiderstand des Kühlkörpers, wenn die maximal auftretende Umgebungstemperatur 55 C beträgt? KOHE 15

16 Kühlkörperdimensionierung Bsp.5.6a: Ein IGBT erzeugt eine Gesamtverlustleistung von 12W und ist mit einer Diode, deren Verlustleistung 20W beträgt, auf einem gemeinsamen Kühlkörper montiert. Für beide Bauelemente gilt jeweils: R thjg =1K/W und mit Isolierfolie (R thiso =0.5K/W) vom Kühlkörper galvanisch getrennt. Ges.: geeignetes el. Ersatzschaltbild; Welcher Kühlkörper muss gewählt werden, wenn die Sperrschichttemperaturen 110 C nicht übersteigen dürfen (bei einer Umgebungstemperatur von 40 C)? KOHE 16

17 Kühlkörperdimensionierung Bsp.5.6b: ( ) Δ ϑ = P R + R JK, IGBT VIGBT thjg thiso K K Δ ϑjk, IGBT = 12W = 18K W W ( ) Δ ϑ = P R + R JK, Diode VDiode thjg thiso K K Δ ϑjk, Diode = 20W = 30K W W ϑk = ϑj Δ ϑjk, Diode = 110 C 30K = 80 C Δ ϑku = ϑk ϑu = 80 C 40 C = 40K ( ) KU Δ ϑ = P R = P + P R R = KU V thku VDiode VIGBT thku thku 40K K R thku = = W + 12W W VDiode VIGBT KOHE 17 P Δϑ + P

18 MOSFET - Ansteuerung Anforderungen: im Gegensatz zum Bipolartransistor kein Steuerstrom notwendig Steuerspannung (U GS ) bestimmt den Innenwiderstand des MOSFET Schaltverluste oft höher als Durchlassverluste so schnell wie möglich Schalten (10-40ns) Gate... Kondensator Ein- / Ausschalten Laden / Entladen eines Kondensators Bsp.5.7: Ein MOSFET weist im eingeschalteten Zustand eine Gate-Ladung von 50nC auf. Wie groß wird der Gatestrom, wenn der Schaltvorgang 20ns dauern soll? KOHE 18

19 MOSFET - Ansteuerung Ansteuerstufe (Treiberschaltung) am Bsp. eines Hochsetzstellers: Schnittstelle zwischen PWM-Signal und Leistungsschalter Am Eingang: hochohmige Quelle (Komparator) LM339 mit open collector Ausgang Treiberstufe stellt mittels niederohmigen Ausgang hohen i c zur Verfügung KOHE 19

20 MOSFET - Ansteuerung CMOS-Gatter: Parallelschaltung zur Erhöhung des Ausgangsstromes 4000er Gatter für U GS = 8V TTL & HCMOS Bausteine U GS = 5V (IRL1004, IRL3705N,...) KOHE 20

21 MOSFET - Ansteuerung Gegentaktstufe (R 3 um Schwingungen zu Dämpfen): Beschleunigtes Abschalten (D 2 für Überspannungsschutz des Gate): KOHE 21

22 MOSFET - Ansteuerung Treiber-IC: bisherige Schaltungen nur für konstantes Potential an Source gültig Funktionieren nicht, wenn sich nach dem Einschalten das Source-Potenzial ändert (z.b. Tiefsetzsteller & Halbbrücke) unterer Transistor T A- immer unproblematisch (immer auf N) oberer Transistor T A+ (S A+ ) ändert sich. leitet T A- dann gilt S A+ = N ändert sich schlagartig, wenn T A+ eingeschaltet wird (S A+ = U d ); damit U GS >0 gültig bleibt muss das Gate um den selben Spannungsbetrag angehoben werden! High-Side-Treiber KOHE 22

23 MOSFET - Ansteuerung High-Side-Treiber: HS-Floating-Supply (Ladungspumpe). Bezugspotential dieser Versorgung hängt über C 1 vom Source Potenzial S A+ ab. Sperrspannung an D 1 = U d KOHE 23

24 MOSFET - Ansteuerung Potenzialfreie Ansteuerung mit Impulsübertrager: potenzialfreie Ansteuerung Anstelle von integrierten HS-Treibern Entkopplung zwischen Elektronikmasse und S A+ durch Trafo Kondensator C GS vergrößert eine event. zu kleine Gate-Source-Kap. R GS zum sicheren Abschalten bei Ausfall der Betriebsspannung R 1 dämpft Schwingungen des L-C-Schwingkreises KOHE 24

25 MOSFET - Ansteuerung Potenzialfreie Ansteuerung mit Impulsübertrager: Tastverhältnis von 0-100% möglich Differenzier- & Multiplex Logik (D/M-Logik) an den Flanken des PWM kurze Rechteckimpulse steigende Flanken U TP1, fallende Flanken U TP2 KOHE 25

26 MOSFET - Ansteuerung Einschaltvorgang postitiver Spannungspuls U TS D 2 als Zenerdiode legt den Wert von U GS fest (meist auf U TS /2) U = U + U Ausschaltvorgang TS Z GS negativer Spannungspuls U TS D 1 als Zenerdiode U = U + U TS Z GS U U = U + U = 2 TS KOHE GS TS Z 26

27 MOSFET - Ansteuerung Potenzialfreie Ansteuerung mit Impulsübertrager: Bsp. einer Vollbrücke: KOHE 27

28 MOSFET - Ansteuerung Bsp.5.8: Die Abbildung zeigt einen Tiefsetzsteller. Aus welchen Bauelementen besteht der Leistungskreis? Erläutere Aufgabe und Funktionsweise aller Bauelemente in der Schaltung. KOHE 28

29 Thyristor - Ansteuerung Potenzialfreie Ansteuerung mit Impulsübertrager: u E...Steuerspannung U b v Steuerimpuls so kurz / Übertragerkern so groß, dass dieser nicht in die Sättigung gerät Zündstrombedarf ist von Sperrschichttemperatur abhängig KOHE 29

30 TRIAC - Ansteuerung TRIAC-Ansteuerung: Phasenanschnitt mittels DIAC Phasenverschiebung des Gate-Steuerimpulses mittels R 2 und C 3 R R = 3.3kΩ, R = 250kΩ = 15kΩ, R = 47Ω C = C = C = C 0.1μF = 22nF, L= 200μH KOHE 30

31 TRIAC - Ansteuerung TRIAC-Ansteuerung (Simulation Û 1 =400V): DIAC U b0 =20V ΔU=10V I b0 = 15uA KOHE 31

32 TRIAC - Ansteuerung TRIAC-Ansteuerung (Simulation Û 1 =400V): KOHE 32

33 TRIAC - Ansteuerung TRIAC-Ansteuerung (Simulation Û 2 =80V): DIAC U b0 =20V ΔU=10V I b0 = 15uA KOHE 33

34 TRIAC - Ansteuerung TRIAC-Ansteuerung (Simulation Û 2 =80V): KOHE 34