In diesem Versuch wird das Schaltverhalten verschiedener Leistungstransistoren untersucht.
1. Bipolar Transistor
Die Frequenz für die Ansteuerung beträgt für alle Versuchsteile
f = 16,66 kHz. Es ergibt sich somit eine Periodenzeit von: T = 1/f = 1/16,66 kHz = 60 µs Bei einem
Tastverhältnis von 16,66 % ergibt sich eine Pulsdauer von: tp = 10 µs
a) ton mit positivem Basisstrom und ohne Basisstromerhöhung
b) toff mit positivem Basisstrom und ohne Basisstromerhöhung
Wird bei einem übersteuerten Transistor der Kollektorstrom erhöht, verringert sich sein Übersteuerungsfaktor. Der Transistor übersteuert somit nicht mehr und die Ausschaltzeit verkürzt sich.
Bei Betrachtung der Oszillogramme ist ersichtlich, daß sich die Ein- und Ausschaltzeiten durch die Art der Ansteuerung beeinflussen lassen.
1) Wann ist der Basistrom optimal?
Der Basisstrom ist optimal, wenn Einschaltzeit und Ausschaltzeit ihr Minimum erreichen.
2) Wie setzen sich ton und toff zusammen?
Die Einschaltzeit ton setzt sich aus der Verzögerungszeit td (delay time) und der Anstiegszeit tr (rise time) zusammen.
ton = td + tr
Die Ausschaltzeit toff setzt sich aus der Speicherzeit ts (storage time) und der Abfallzeit tf (fall time) zusammen.
toff = ts + tf
Die fogenden Oszillogramme zeigen den Kollektorstrom und die Kollektor-Emitterspannung bei induktiver Last. Die Ansteuerung erfolgt bei maximaler, negativer Basisstromamplitude ohne Basisstomerhöhung.
Es werden zwei verschiedene Belastungsfälle untersucht.
Verhalten eines Sperrwandlers
a) Sekundärkreis mit Last R = 67 W
b) Sekundärkreis mit Last R = 200 W
Verhalten eines Wandlers
a) Sekundärkreis mit Last R = 67 W
b) Sekundärkreis mit Last R = 200 W und ohne Diode
Bild 13
Aus Bild 13 wird der Induktivitätswert der Last bestimmt.
Es gilt: uL = L · di/dt
mit:
di = Di = 630 mA
L = (uL · Dt) /D i = 0,47 mH
Sekundärkreis ohne Diode/Wandler
Sekundärkreis mit Diode/Sperrwandler
3.1 Meßschaltung
Die folgenden Oszillogramme zeigen die Gatespannung und die Kollektorspannung bei verschiedenen Gatewiderständen und einer ohmschen Last von 57 W.
Die Einschaltzeit des IGBT ist definiert zwischen dem Punkt, an dem die Gatespannung UG 10 % ihres Maximalwertes erreicht hat, und dem Punkt, an dem die Kollektorspannung UC auf 10 % ihres Maximalwertes abgefallen ist.
a) Einschaltzeit ton mit RG = 50 W
b) Einschaltzeit ton mit RG = 250 W
Die Ausschaltzeit des IGBT ist definiert zwischen dem Punkt, an dem die Gatespannung UG auf 90 % ihres Maximalwertes abgefallen ist, und dem Punkt, an dem die Kollektorspannung UC 90 % ihres Endwertes erreicht hat.
a) Ausschaltzeit ton mit RG = 50 W
b) Ausschaltzeit ton mit RG = 250 W
Bei Ansteuerung des n-Kanal IGBT stellt der Gate-Emitter-Übergang eine Kapazität dar. Diese Kapazität bewirkt, daß die Gatespannung keinen idealen Rechteckverlauf aufweist. Die Umladevorgänge beeinflussen den Kurvenverlauf. Die Spannung kann sich nicht schlagartig ändern. Für den Gatestromverlauf gilt:
iG = CGE · duGE/dt
Es fließt nur während der Änderung der Spannung uGS ein Gatestrom. Wird der Gatewiderstand erhöht, wirkt sich diese Erhöhung auf das Schaltverhalten des IGBT aus. Die Ein- und Ausschaltzeiten werden größer.
1) Wieso läßt sich mit der Messung der Kollektorspannung ton und toff bestimmen?
Bei ohmscher Belastung ergibt sich eine Proportionalität von Spannung und Strom. Es gilt das ohmsche Gesetz U = R · I
2) Um welchen Typ handelt es sich bei dem verwendeten IGBT?
Es handelt sich um einen n-Kanal IGBT.
3) Wie lassen sich beim IGBT die Schaltflanken beeinflussen?
Durch Variation eines Gatewiderstandes. Dieser Widerstand und die Gatekapazität ergeben ein RC-Glied, deren Zeitkonstante t = R · C ist.
4) Welch Risiken bergen zu steile / zu langsame Schaltflanken?
Zu steile Schaltflanken führen bei induktiver Belastung zu hohen Spannungsspitzen, die den Transistor zerstören könnten.
4.1 Meßschaltung
Die folgenden Oszillogramme zeigen die Gate- und Drainspannung bei verschiedenen Gatewiderständen und einer ohmschen Last von 57 W.
Die Einschaltzeit des selbstsperrenden n-Kanal MOSFET ist definiert zwischen dem Punkt, an dem die Gatespannung UG 10 % ihres Maximalwertes erreicht hat, und dem Punkt, an dem die Drain-Source-Spannung UDS auf 10 % ihres Maximalwertes abgefallen ist.
a) Einschaltzeit ton mit RG = 50 W
b) Einschaltzeit ton mit RG = 250 W
Die Ausschaltzeit des selbstsperrenden n-Kanal MOSFET ist definiert zwischen dem Punkt, an dem die Gatespannung UG auf 90 % ihres Maximalwertes abgefallen ist, und dem Punkt, an dem die Drain-Source-Spannung UDS 90 % ihres Endwertes erreicht hat.
a) Ausschaltzeit toff mit RG = 50 W
b) Ausschaltzeit toff mit RG = 250 W
2. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
3. MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)
2.3.3 Ermittlung der Schaltzeiten unter Einfluß der Antisättigungsdioden
2.3.4 Einfluß von Kollektorstrom auf das Schaltverhalten
2.4 Auswertung für ohmsche Last
Bei Basisstromerhöhung ergibt sich eine Verkürzung der Einschaltzeiten. Die Ausschaltzeiten nehmen jedoch mit dem Grad der Übersteuerung zu. Um die Ausschaltzeit zu reduzieren, kann die Basis mit einem negativen Basisstrom angesteuert werden. Durch den negativen Basisstrom wird der Aufbau der Sperrschicht beschleunigt.
Eine sehr effektive Methode zur Verkürzung der Ausschaltzeit eines bipolar Transistors ist der Einsatz von Antisättigungsdioden (siehe Versuchsaufbau). Die Diode D1 verhindert eine Übersteuerung des Transistors. Der überschüssige Basisstrom kann über die Diode abfließen. Durch die Diode D2 fließt der Ausräumstrom und die Diode D3 wird als Hubdiode bezeichnet. D3 hebt das Anodenpotential der Diode D2 an, so daß die Diode rechtzeitig durchschalten kann.
2.5 Kontrollfragen
2.6 Messung für ohmsch-induktive Last
2.6.1 Schaltverhalten mit Diode im Sekundärkreis
2.6.2 Schaltverhalten ohne Diode im Sekundärkreis
2.7 Bestimmung der Induktivität L
dt = Dt = 11,8 µs
U0 = 25 V
UCE = 1 V
uL = 25 V - 1 V = 24 V
2.8 Auswertung für ohmsch-induktive Last
Nach Einschalten des Transistors fließt ein Strom durch die Primärwicklung der Induktivität. Es wird an der Sekundärwicklung eine Spannung induziert, die einen Stromfluß zur Folge hat. Der Stromfluß an der Sekundärseite belastet die Induktivität an der Primärseite. Der dabei entstehende Stromsprung ist antiproportional zur Last, d. h. der Stromsprung bei 67 W ist größer als bei 200 W.
Da sich beim Ausschalten des Transistors die Spannung der Induktivität mit der Betriebsspannung addiert, ist die Gefahr gegeben, daß durch die hohe Spannung am Kollektor der Transistor zerstört wird. Die Größe der Selbstinduktionsspannung ist abhängig von der ohmschen Last im Sekundärkreis.
Nach Einschalten des Transistors fließt ein Strom durch die Primärwicklung der Induktivität. Dadurch wird in der Induktivität Energie gespeichert. An der Sekundärseite fließt kein Strom, da die Diode in Sperrichtung geschaltet ist. Wird der Transistor geöffnet, kehrt sich die Polarität der Spannung an der Induktivität um. Dies hat zur Folge, daß die Diode im Sekundärkreis nun in Durchlaßrichtung geschaltet ist. Es kann ein Strom im Sekundärkreis fließen.
Nachteil ist, wie beim Wandler, die große Sperrspannung, die beim Ausschalten an der Kollektor-Emitter-Strecke entsteht.
3 Schaltverhalten des IGBT
3.2 Ermittlung der Einschaltzeit ton und der Ausschaltzeit toff
3.2.1 Ermittlung der Einschaltzeit ton
3.2.2 Ermittlung der Ausschaltzeit toff
3.3 Auswertung zum IGBT
3.4 Kontrollfragen
Zu langsame Schaltflanken erhöhen die Verlustleistung am Transistor, wobei eine zu geringe Wärmeabfuhr eine thermische Zerstörung des Transistors herbeiführen kann.
4 Schaltverhalten des MOSFET
4.2 Ermittlung der Einschaltzeit ton und der Ausschaltzeit toff
4.2.1 Ermittlung der Einschaltzeit ton
4.2.2 Ermittlung der Ausschaltzeit toff
Oszilloskop Gould 400 L.D.NDS.2346.7/2/13
Meßshunt R = 237 mW Eigenbau
Schaltungsaufbau Eigenbau LEK-Labor P2
potentialfreier Tastkopf L.D.NDS.2346.7/3/7
Tastkopf
Netzgerät L.D.NDS.2346.8/1/2
PC
Gesamtaufbau