izpis_h1_title_alt

NAPREDNO KRMILJENJE VRAT MOČNOSTNIH TRANZISTORJEV
ID VRTOVEC, ROK (Avtor), ID Trontelj, Janez (Mentor) Več o mentorju... Povezava se odpre v novem oknu

.pdfPDF - Predstavitvena datoteka, prenos (35,43 MB)
MD5: 967E455CCE4FDA5380D6BC1CA96F8E92
PID: 20.500.12556/rul/88f0d09a-da90-4d17-9292-2cea995caaf0

Izvleček
V tej disertaciji je predstavljen razvoj metode za napredno krmiljenje vrat močnostnih tranzistorjev, izvedba pripadajočega vezja ter ovrednotenje njene učinkovitosti. Uporaba metode ponuja boljše izhodišče pri iskanju kompromisa med preklopnimi izgubami in elektromagnetnimi emisijami, s katerim se srečamo pri načrtovanju močnostnih pretvornikov. Kompromis med preklopnimi izgubami in elektromagnetnimi emisijami je posledica posebnih lastnosti preklopne sekvence močnostnega tranzistorja, ki krmili induktivno breme. Preklop toka se zgodi pri polni napetosti na tranzistorju, preklop napetosti pa pri polnem toku skozenj, kar se odraža v visoki trošeni moči – preklopnih izgubah. Te lahko zmanjšamo s pohitritvijo preklopov, a na račun povečanja elektromagnetnih emisij, ki so prav tako odvisne od hitrosti preklopa oz. strmine naklonov toka in napetosti. Da dosežemo optimalni kompromis je tako potrebno nastaviti kar se da strme naklone, ki pa še ne povzročajo prekomernih elektromagnetnih emisij. Pri konvencionalni krmilni metodi za krmiljenje tranzistorjev z izoliranimi vrati hitrost preklopa določamo s spreminjanjem serijskega upora v veji vrat. Pomanjkljivost metode je njena lastnost, da omogoča zgolj hkratno prilagajanje trajanja celotne preklopne sekvence. S tem omejuje manevrski prostor pri iskanju predstavljenega kompromisa. Kadar moramo omejiti strmino naklona, ki je odgovoren za prekomerne emisije, tako povečamo trajanje celotne sekvence. S tem po nepotrebnem povečamo preklopne izgube ter tudi trajanje zakasnitev ter trajanje končnega polnjenja in praznjenja vrat, kar seveda negativno vpliva na učinkovitost pretvornikov. V literaturi najdemo opise različnih krmilnih metod, ki izboljšujejo delovanje konvencionalne. Večinoma se osredotočajo zgolj na blaženje določenih kritičnih pojavov med trajanjem preklopne sekvence, npr. blaženje pojava vzpostavitve zapornega stanja ob vklopu ali napetostne konice ob izklopu. Nekatere metode izkoriščajo za zaznavo delovne točke krmiljenega tranzistorja načine, ki bistveno posegajo v zasnovo aplikacij ali pa omejujejo rabo metode na zgolj določeno napetostno ali tokovno območje. Navedene pomanjkljivosti konvencionalne metode ter drugih iz zbrane literature lahko obidemo z uporabo nove napredne metode za krmiljenje vrat, ki je predstavljena v tej disertaciji. Vezje, ki realizira delovanje metode, je sestavljeno iz dveh osnovnih enot; iz enote s kontrolnim vezjem ter enote s tokovnimi viri. Prva skrbi za zaznavo delovne točke krmiljenega tranzistorja, detekcijo posameznih intervalov preklopne sekvence ter za zagotavljanje ustreznih signalov enoti s tokovnimi viri, ki polni oz. prazni vrata močnostnega tranzistorja. Metoda temelji na principu oblikovanja toka, ki teče v vrata močnostnega tranzistorja. V vsakem intervalu preklopne sekvence lahko posebej nastavimo njegovo amplitudo, kar pomeni, da lahko nadzorujemo potek vsakega posameznega prehoda med preklopno sekvenco. Tako lahko omilimo zgolj kritičen naklon toka ali napetosti, brez nepotrebnega povečevanja preklopnih izgub, zakasnitev ali trajanja končnega polnjenja oz. praznjenja vrat. Vezje je zasnovano za vgradnjo v širok spekter naprav, ne glede na njihovo tokovno ali napetostno območje ter z minimalnim posegom v njihovo zasnovo. Za zaznavo delovne točke krmiljenega močnostnega tranzistorja mora zgolj spremljati napetosti med vrati in izvorom ter med ponorom in izvorom, krmilni del močnostnega pretvornika pa mu mora prek logičnega krmilnega signala sporočiti stanje odprtega ali zaprtega tranzistorja. Metoda je izvedena v obliki integriranega vezja. Tak način omogoča doseganje kratkih zakasnitev, ki so nujne za učinkovito izvedbo ter tudi omogoča učinkovito realizacijo tokovnih virov, s katerimi polnimo oz. praznimo vrata močnostnega tranzistorja. Učinkovitost predstavljene metode je ovrednotena v primerjavi s konvencionalno krmilno metodo. Na testnem vezju z močnostnim MOSFET tranzistorjem primerjamo stopnjo preklopnih izgub, trajanja zakasnitev ter trajanja končnega polnjenja oz. praznjenja vrat v odvisnosti od naklonov toka ali napetosti, ki odražata stopnjo elektromagnetnih emisij. Ugotovimo, da je učinkovitost preklopov občutno večja pri uporabi metode za napredno krmiljenje vrat. Pri enakih stopnjah emisij imamo manj preklopnih izgub, dosežemo pa tudi krajše zakasnitve ter krajše trajanje končnega polnjenja in praznjenja vrat.

Jezik:Slovenski jezik
Ključne besede:Preklopni pojavi močnostnega MOSFET tranzistorja, napredno krmiljenje vrat močnostnih tranzistorjev, oblikovanje toka v vrata, zmanjševanje preklopnih izgub, EMC v močnostni elektroniki, kompromis med preklopnimi izgubami in elektromagnetnimi emisijami
Vrsta gradiva:Doktorsko delo/naloga
Organizacija:FE - Fakulteta za elektrotehniko
Leto izida:2017
PID:20.500.12556/RUL-92587 Povezava se odpre v novem oknu
COBISS.SI-ID:11765332 Povezava se odpre v novem oknu
Datum objave v RUL:16.06.2017
Število ogledov:2501
Število prenosov:981
Metapodatki:XML DC-XML DC-RDF
:
Kopiraj citat
Objavi na:Bookmark and Share

Sekundarni jezik

Jezik:Angleški jezik
Naslov:ADVANCED GATE CONTROL OF POWER TRANSISTORS
Izvleček:
This dissertation presents the development of the advanced gate control method for power transistors, the design of the corresponding circuit and the evaluation of its efficiency. The method increases the potential for finding the optimal trade-off between switching losses and electromagnetic emissions during a power converter design process. The trade-off between switching losses and electromagnetic emissions originates in the specific switching sequence of the power transistor that drives an inductive load. Particularly, the current transition occurs at the full voltage on the transistor, and similarly, the voltage transition occurs at the full current through the transistor which results in high power dissipation i.e. switching losses. Losses could be reduced by setting fast current and voltage transitions, but at the expense of the increased electromagnetic emissions rate as the latter is also dependent on the voltage and current transition slopes. In order to find the optimal trade-off it is necessary to set the fastest transitions that still not cause excessive electromagnetic emissions. Employing the conventional gate control method for power transistors, the transition slopes are adjusted by changing the series gate resistor value. However, such approach limits the potential for finding the optimal trade-off since changing the resistance influences all intervals of the switching sequence simultaneously. Mitigating the critical slope that causes excessive emissions therefore extends the duration of all intervals. This results in increased switching losses, extended delays and extended final gate charging and discharging durations. Thus, the overall application efficiency is affected. Several papers report improvements of the conventional gate control method. Mostly, these methods are only focusing on improving a specific critical behavior during the switching sequence, e.g. mitigating the severity of the reverse recovery during turn-on or the voltage overshoot during turn-off. In order to sense the power transistor operating point, some methods utilize circuits that highly affect the application design or limit the usability of the method to a certain current or voltage range. To improve presented drawbacks of the conventional and other gate control methods, a novel advanced gate control method and corresponding circuit were developed and are presented in this dissertation. The circuit is composed of two main units, namely the control circuit unit and the current sources unit. The control circuit senses the power transistor operating point, detects switching sequence intervals and prepares control signals required by the current sources unit. The latter charges and discharges the power transistor gate capacitance. The system utilizes the gate current shaping principle and allows to set the gate current amplitude in each interval of the switching sequence separately. In this way the control over each transition in each interval of the switching sequence is enabled, allowing to mitigate only the critical current or voltage slope without excessively increasing switching losses, extending delays or extending final gate charging and discharging durations. The design of the circuit allows its implementation in a broad spectrum of applications regardless of the current or voltage rating and with a minimal impact on the application design. To sense the operating point of the controlled power transistor it is only required to monitor the gate-source voltage and the drain-source voltage, while the power converter controller is only required to forward the power transistor turn-on/ turn-off logic signal. The method is implemented as an integrated circuit. The integration enables short propagation delays that are crucial for the adequate operation and also offers an efficient way for the current sources implementation. The efficiency of the presented method is evaluated through a comparison with the conventional control method. Using a test circuit with a power MOSFET transistor, the rate of switching losses, delays and final gate charging and discharging durations is compared in respect to the current or voltage slopes which reflect the electromagnetic emissions rate. It is discovered that the switching efficiency is notably higher if the presented method is used. At the same rate of electromagnetic emissions there are less switching losses dissipated. Moreover, shorter delays and shorter final charging and discharging durations are achieved.

Ključne besede:Power MOSFET switching behavior, advanced gate control of power transistors, gate current shaping, switching losses reduction, EMC in power electronics, trade-off between switching losses and electromagnetic emissions

Podobna dela

Podobna dela v RUL:
Podobna dela v drugih slovenskih zbirkah:

Nazaj