Versuchsdurchführung

1 Einleitung

In diesem Versuch wird das Schaltverhalten verschiedener Leistungstransistoren untersucht.

1. Bipolar Transistor
2. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
3. MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect 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


2 Bipolar Transistor

2.1 Meßschaltung


2.2 Messung für ohmsche Last

Bild 1 zeigt den Basisstrom und die Kollektor-Basisspannung bei einer ohmschen Last von 57 W. Die Antisättigungsdioden sind nicht zugeschaltet.

Bild 1A


2.3 Ermittlung der Einschaltzeit ton und der Ausschaltzeit toff

Die folgenden Oszillogramme zeigen Basis- und Kollektorstrom. Die Basisstromamplitude beträgt 83 mA. Die Last beträgt R = 57 W.

Bild 1B


2.3.1 Ermittlung der Einschaltzeit ton

Die Einschaltzeit ton wird von Beginn des Basisstroms, bis 90 % des îC -Wertes gemessen.

a) ton ohne Basisstromerhöhung

Bild 2

b) ton mit Basisstromerhöhung

Bild 3


2.3.2 Ermittlung der Ausschaltzeit toff

Die Ausschaltzeit toff wird vom Ausschaltzeitpunkt (iB = 0), bis 10 % des îC -Wertes gemessen.

a) toff mit Basisstromerhöhung

Bild 4

b) toff ohne Basisstromerhöhung

Bild 5

c) toff mit negativem Basistrom

Bild 6


2.3.3 Ermittlung der Schaltzeiten unter Einfluß der Antisättigungsdioden

a) ton mit positivem Basisstrom und ohne Basisstromerhöhung

Bild 7

b) toff mit positivem Basisstrom und ohne Basisstromerhöhung

Bild 8


2.3.4 Einfluß von Kollektorstrom auf das Schaltverhalten

Wird bei einem übersteuerten Transistor der Kollektorstrom erhöht, verringert sich sein Übersteuerungsfaktor. Der Transistor übersteuert somit nicht mehr und die Ausschaltzeit verkürzt sich.


2.4 Auswertung für ohmsche Last

Bei Betrachtung der Oszillogramme ist ersichtlich, daß sich die Ein- und Ausschaltzeiten durch die Art der Ansteuerung beeinflussen lassen.
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

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


2.6 Messung für ohmsch-induktive Last

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.


2.6.1 Schaltverhalten mit Diode im Sekundärkreis

Verhalten eines Sperrwandlers

a) Sekundärkreis mit Last R = 67 W

Bild 9

b) Sekundärkreis mit Last R = 200 W

Bild 10


2.6.2 Schaltverhalten ohne Diode im Sekundärkreis

Verhalten eines Wandlers

a) Sekundärkreis mit Last R = 67 W

Bild 11

b) Sekundärkreis mit Last R = 200 W und ohne Diode

Bild 12


2.7 Bestimmung der Induktivität L

Bild 13

Aus Bild 13 wird der Induktivitätswert der Last bestimmt.

Es gilt: uL = L · di/dt

mit:

di = Di = 630 mA
dt = Dt = 11,8 µs
U0 = 25 V
UCE = 1 V
uL = 25 V - 1 V = 24 V

L = (uL · Dt) /D i = 0,47 mH


2.8 Auswertung für ohmsch-induktive Last

Sekundärkreis ohne Diode/Wandler
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.

Sekundärkreis mit Diode/Sperrwandler
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

3.1 Meßschaltung


3.2 Ermittlung der Einschaltzeit ton und der Ausschaltzeit toff

Die folgenden Oszillogramme zeigen die Gatespannung und die Kollektorspannung bei verschiedenen Gatewiderständen und einer ohmschen Last von 57 W.


3.2.1 Ermittlung der Einschaltzeit ton

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

Bild 14

b) Einschaltzeit ton mit RG = 250 W

Bild 15


3.2.2 Ermittlung der Ausschaltzeit toff

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

Bild 16

b) Ausschaltzeit ton mit RG = 250 W

Bild 17


3.3 Auswertung zum IGBT

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.


3.4 Kontrollfragen

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.
Zu langsame Schaltflanken erhöhen die Verlustleistung am Transistor, wobei eine zu geringe Wärmeabfuhr eine thermische Zerstörung des Transistors herbeiführen kann.


4 Schaltverhalten des MOSFET

4.1 Meßschaltung


4.2 Ermittlung der Einschaltzeit ton und der Ausschaltzeit toff

Die folgenden Oszillogramme zeigen die Gate- und Drainspannung bei verschiedenen Gatewiderständen und einer ohmschen Last von 57 W.


4.2.1 Ermittlung der Einschaltzeit ton

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

Bild 18

b) Einschaltzeit ton mit RG = 250 W

Bild 19


4.2.2 Ermittlung der Ausschaltzeit toff

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

Bild 20

b) Ausschaltzeit toff mit RG = 250 W

Bild 21


4.3 Auswertung für MOSFET

Für den Kurvenverlauf des MOSFET n-Kanal selbstsperrend bewirkt die Kapazität der Gate-Source-Strecke, daß die Gatespannung keinen idealen Rechteckverlauf aufweist. Die Lade- bzw. Umladevorgänge beeinflussen, wie auch beim IGBT, den Kurvenverlauf.
Für den Gatestromverlauf gilt:

iG = CGS · duGS/dt

Es fließt daher nur während der Änderung der Spannung uGS ein hoher Gatestrom. Wird der Gatewiderstand erhöht, wirkt sich diese Erhöhung auf das Schaltverhalten des MOSFET aus. Die Ein- und Ausschaltzeiten werden größer.
Gut einsetzbar ist der Transistor als schneller Schalter bei Spannungen bis 1200 V und mit Strömen bis 10 A.


5 Verwendete Geräte

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


6 Literatur

Erwin BöhmerElemente der angewandten ElektronikVieweg Verlag
Rainer FelderhoffLeistungselektronikHanser Verlag
M. MeyerLeistungselektronikSpringer Verlag
A. Burgholte/U. SchürmannPSPICE-TrainingFranzis-Verlag
Prof. A. BurgholteSkript LeistungselektronikWS 96/97
Prof. J. TimmerbergSkript Bauelemente der ElektrotechnikSS 94
Stephan LamprechtHTML 3.2, Das Einsteigerseminarbhv Verlags GmbH
Stefan MünzDeutsche HTML-Referenz von S. Münzhttp://www.uni-lueneburg.de


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