Динамічні характеристики транзисторів IGBT, як ми вже говорили, «закладаються» на етапі їх виготовлення Звичайно, в технічній документації є дані про величину заряду затвора транзисторів IGBT, позначається як Qgy і ця величина стане в нагоді для проектування схеми управління (драйвера), або його вибору з наявних на ринку готових варіантів Але однозначно використовувати величину заряду затвора для оцінки втрат перемикання за методикою, наведеною в оповіданні про транзисторах MOSFET, для транзисторів IGBT не можна Така ситуація складається тому, що транзистор IGBT має складну внутрішню структуру, а також складний характер вимикання з «струмовим хвостом»

Для оцінки втрат перемикання транзисторів IGBT використовується інший метод, заснований на енергетичних втратах перемикання У забезпечення цього методу з довідкових даних потрібно взяти три параметри: енергію втрат при включенні Еоп (Tum-on switching losses), енергію втрат при виключенні Eo(r (Turn-ofF switching losses), сумарну енергію втрат Eb (Total switching losses) Загальну енергію втрат можна також визначити за простою формулою

Енергія Еоп вимірюється в проміжку між 5-процентного наростання струму колектора до 5-процентного спаду напруги «колектор-емітер» від своїх початкових сталих значень Енергію спаду вимірюють на інтервалі часу 5 мкс з моменту 5-процентного наростання напруги «колектор-емітер» Зрозуміло, що по закінченні зазначеного часу «струмовий хвіст» гарантовано припиняється Для порівняння в табл 217 наведені значення енергії перемикання для згаданих вище транзисторів IGBT

Таблиця 217 Енергія перемикання різних класів транзистора IRG4PC40

—:—:———

Транзистор

IGBT

Клас

Енергія втрат | включення, мДж

Енергія втрат виключення, мДж

Загальна енергія пеI реключенія, мДж I

IRG4PC40S

standard speed

0,45

6,5

6,96

IRG4PC40F

fast speed

0,37

1,81

2,18 j

IRG4PC40U

ultra speed

0,32

0,35

0,67

IRG4PC40W

waф speed

0,11

0,23

03 |

У реальних схемах перетворювальної техніки ток затвора задається спеціальним затворним резистором R ^ Вплив його опору на величину сумарної енергії втрат відображає графік, наведений на рис 2140, який також часто наводиться в технічній документації З графіка добре видно, що у разі «повільних» IGBT, де вклад «токового хвоста» великий (рис 2140, а), величина затворного резистора мало впливає на втрати перемикання Для наведеного графіка при зміні опору Rg в пять разів (при збереженні рівня керуючого напруги) загальна енергія втрат змінюється ме-

Рис 2140 Залежність сумарної енергії перемикання від величини затворного резистора: а – для транзистора IRG4PC40S б ~ для транзистора

IRG4PC40W

неї ніж на 10% Тому при проектуванні схеми управління «повільним» транзистором IGBT рекомендується вибрати за графіком максимальне значення опору затворного резистора Цим ми гарантовано убезпечимо транзистор від випадкового замикання

У разі використання «швидких» IGBT картина змінюється докорінно: при зміні опору затворного резистора в ті ж пять разів загальна енергія втрат змінюється майже в 3 рази (рис 2140, б), тому опір резистора доведеться вибрати виходячи з мінімізації втрат, враховуючи заходи щодо зниження небезпеки замикання (занадто мала величина затворного резистора може викликати це горезвісне «Защелкивание»)

Якщо в складі IGBT передбачений зворотний защітнийдіод, динамічні характеристики якого, на відміну від паразитного оппозитного діода транзисторів MOSFET, набагато краще, то в технічній документації окремо вказується енергія втрат зворотного відновлення цього діода Якщо IGBT не має оппозитного діода, втрати обчислюються дая зовнішнього діода окремо, виходячи з його конкретних характеристик До Наприклад, для транзистора IRG4PC40F (з відсутнім зворотнім діодом) сумарна енергія втрат становить 2,18 мДж, адля транзистора IRG4PC40FD (з вбудованим зворотним діодом) сумарна енергія втрат має трохи більше значення – 2,96 мДж

Як і у випадку транзистора MOSFET, теплові втрати в транзисторі IGBT складаються із статичних втрат у відкритому стані (Рпр), Динамічних втрат перемикання (Рпер), Втрат управління (РУПр) і втрат за рахунок витоку в закритому стані (Pyj) Потужність втрат перемикання при періодичної комутації може бути визначена через енергію втрат за один період за формулою:

де T – період комутації

Uce(T) – напруга «колектор-емітер» у процесі періоду комутації

ic(T) – струм колектора в процесі періоду комутації

Статичні втрати Рпр складають частину повної потужності втрат, яка може бути розрахована за формулою (2116) При розрахунках ми повинні врахувати, що напруга «колектор-емітер» тут є величиною приблизно постійної і рівної напрузі насичення Uce(on), А значить, його можна винести за знак інтеграла:

Формулу (2117) можна привести до вигляду:

де Iavg – Середнє значення струму за період

Власне, завдання спростилася – значення напруги насичення «колектор-емітер» ми сміливо можемо брати з технічної документації на конкретний транзистор Проте, при цьому варто зробити одне невелике, але дуже важливе уточнення: щоб не завищувати розрахункову величину статичних втрат у порівнянні з реальними, необхідно вибрати значення Uce{on) виходячи з конкретної робочої величини струму (про це ми говорили вище) Поправка, звичайно, виявиться невеликий, але врахувати це значення корисно, оскільки в ряді випадків, наприклад, при експлуатації транзистора в режимі недовантаження, це дозволить зменшити розміри радіаторів

А тепер розрахуємо втрати перемикання Рпер Скористатися формулою (2116) так само, як це ми зробили при розрахунку статичних втрат, нам не вдасться, оскільки – повторимося – динаміка включення і, особливо, відключення IGBT транзистора досить складна Але, на щастя, виробники елементної бази прагнуть вимірювати ці втрати на етапі виготовлення транзисторів і приводити їх у технічній документації у вигляді параметра, званого енергією перемикання Els (Ми говорили про це трохи вище) Таким чином, при наявності довідкових даних, втрати перемикання можуть бути розраховані з дуже простої формули:

l

І все ж одна важлива особливість розрахунків за формулою (2119) є, тому її потрібно врахувати, щоб скористатися наведеною формулою «з розумом» Справа в тому, що енергія втрат перемикання IGBT транзистора – величина непостійна, проте для конкретного типу транзистора вона може бути досить жорстко визначена графічним способом (рис 2141) Тому, розраховуючи втрати перемикання, спочатку слід визначитися з величиною енергії перемикання Els за графіками, які наводяться в технічній документації

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил