Рубрики
Источники питания

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам Игорь Недолужко Павел Воронин Алексей Лебедев В статье

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам Игорь Недолужко
Павел Воронин
Алексей Лебедев

В статье описаны методики определения характеристик измененных PSpice моделей массивных МДП полевых транзисторов и биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT по экспериментальным чертам при помощи систем MATHCAD и PSpice Optimizer.

Интегрированные в PSpice модели массивных МДП полевых транзисторов (МДПТ) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) плохо моделируют свойства (в особенности динамические) этих силовых транзисторов. Потому в литературе и на веб-сайтах фирм-изготовителей появились улучшенные модели этих силовых транзисторов, которые составляются из нескольких PSpice компонент (моделей силовых транзисторов, зависимых источников тока и т. д.), они оформляются в виде подсхем. Будем именовать эти модели составными (СМ). Численные значения характеристик таких моделей, по всей видимости, соответствуют некоторым личным экземплярам силовых транзисторов, потому что если по этим моделям при помощи PSpice высчитать свойства силовых транзисторов, то они обычно значительно отличаются от типовых черт, приводимых в справочных данных. Появляется необходимость определения характеристик этих моделей. Имеющаяся в системе OrCAD программка PSpice Model Editor (PSME) создана для определения характеристик интегрированных в PSpice моделей и, в общем, не применима для определения характеристик СМ. В [1] и [2] описаны СМ силовых диодов, полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT, также методика определения их характеристик по справочным данным. При отсутствии таких данных либо по мере надобности определения характеристик каких-либо определенных силовых транзисторов можно пользоваться их экспериментальными чертами.

В истинной статье приведены свойства неких типов полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT, снятых с применением установки (с цифровым осциллографом), разработанной на кафедре промышленной электроники МЭИ [3]. Описана методика определения характеристик СМ силовых транзисторов по этим чертам при помощи блока PSpice Optimizer (PSO), входящего в систему Orcad [4].

На рис. 1 показана одна из самых обычных структур СМ полевых транзисторов МДПТ. Составные модели полевых транзисторов разных компаний отличаются, в главном, методом моделирования емкости Cgd(U) и оборотного диодика D1. Некие компании дополняют схему паразитными индуктивностями выводов (порядка 5-7 nH).

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам
Рис. 1. Измененная (составная) PSpice модель МДП полевых транзисторов

В качестве примера разглядим определение характеристик СМ полевых транзисторов типа BUZ91А (Id_max = 8 A, Uds_max = 600 V). Его СМ имеется на веб-сайте компании Siemens. В этой СМ зависимость Cgd(U) моделируется 2-мя емкостями: неизменной (при Udg 0. Переключение с одной емкости на другую осуществляется ключами с нулевым порогом переключения. Зависимость Cgd(U) выходит разрывной, что может приводить к несходимости процесса расчета. В новых версиях OrCAD появилась функция дифференцирования переменной по времени DDT, применение которой позволяет упростить моделирование Cgd(U) при помощи зависимого источника тока (рис. 1) Gcgd:

value={(if ( v(dd,gg)>Vx,CGDO/(1+v(dd,gg)/VJGD)**MGD), CGDX)*DDT (v(ddgg)))}

Тут Vx определяется из равенства Cgd(Vx) = CGDX. Обычно по дефлоту берется VJGD = 0,75, тогда Vx меньше 0,75 и приближенно можно взять Vx = 0 (как в СМ Siemens). Недочет аппроксимации с применением DDT заключается в трудности задания четких исходных критерий, что приводит к ошибкам сначала первого периода переходного процесса. Внутренний полевой транзистор МДПТ (на схеме — Q1) совместно с Ron и Rss моделирует статические свойства СМ в обычном включении. Если задать, к примеру, L = 1u и W = 2u, то Q1 описывается всего 2-мя параметрами — KP и VTO. Оборотный диодик обрисовывает ВАХ СМ в инверсном включении и нелинейную емкость сток-исток. Четкое моделирование МДПТ полевых транзисторов в инверсном включении принципиально исключительно в схемах синхронного выпрямления, потому специально характеристики модели диодика определять не будем и воспользуемся для него моделью Siemens: ISO = 0.3 n, BV = 600, RS = 0.05, CJO = 0.6n, TT = 0.5 u.

Таким макаром, для СМ данного силового транзистора необходимо найти статические характеристики KP, VTO, RON и RSS и динамические RGG, CGDX, CGSA, CGDO, MGD и VJGD. Для определения статических характеристик нужны экспериментальные статические ВАХ: стоко-затворная для активной (пологой) области и выходная для области насыщения (крутой).

Все свойства снимались в импульсном режиме для предотвращения перегрева силовых транзисторов. На рис. 2 приведены стокозатворные свойства полевого транзистора типа BUZ91А, снятые при Uds = 50 В, а на рис. 3 и 4 — осциллограммы напряжений сток-исток и затвор-исток при включении и выключении силового транзистора в схеме ключа с резистивной нагрузкой (Vdd = 105 В, Rd = 11 Ohm, Vg = 15 В, Rg = 10 Ohm, времена нарастания и спада Vg около 10 nS). Выбор схемы с рези-стивной нагрузкой обоснован ее простотой и наименьшим воздействием паразитной индуктивности (по сопоставлению, к примеру, с работой на токовую нагрузку).

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам
Рис. 2. Стоко_затворные ВАХ BUZ91А (Id_MESS — датчик тока в расчете, Id_exp — ток в опыте)

Обозначения «ex» соответствуют экспериментальным чертам, «ps» — результаты расчета на PSpice (см. дальше), «ps_INF» — результаты расчета на PSpice по модели Siemens.

При расчетах учитывались полные паразитные индуктивности (индуктивности выводов и монтажа) менее Lg = 7 nH, Ld = 60 nH, Ls = 10 nH. Видно, что экспериментальные свойства значительно отличаются от расчетных по СМ Siemens (Infineon).

Для определения статических характеристик СМ воспользуемся экспериментальной проходной ВАХ (рис. 2) и одной точкой переходной свойства (рис. 3) Uds(9 A) = 6,3 В.

Найти эти характеристики можно несколькими методами: при помощи блока PSME [4], в системе MATHCAD [1, 2], в блоке PSO системы Orcad [4].

Тут применялся 3-ий метод. Результаты представлены в таблице 1, а на рис. 2 показана расчетная черта. Больший энтузиазм представляет определение динамических характеристик при помощи PSpice Optimizer. Поначалу в системе MATHCAD аналитически рассчитываются исходные приближения. Изначальное приближение параметра RGG рассчитывается по разности напряжений плато (полочки) затворного напряжения на шагах включения и выключения RGG = 1,2 Ohm:

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам
Таблица 1. Характеристики СМ BUZ91А, определенные в PSO

Сначала включения (до полочки) напряжение на затворе наращивается экспоненциально (если не учесть индуктивность затвора):

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам

Отсюда в системе MATHCAD в блоке given-minerr с внедрением приведенной зависимости находится CGSA = 1,48n. На шаге включения после полочки напряжение на затворе наращивается также экспоненциально, но уже с другой неизменной времени.

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам

Отсюда находится CGDX = 6,3n. Исходные приближения для CGDO, MGD и VJGD можно взять из СМ Siemens: CJO = 0,458n; M = 0,579; VJ = 1,035.

Характеристики в PSO отыскиваются по нескольким точкам экспериментальных осциллограмм тока и потенциала затвора при включении и выключении таким макаром, чтоб расчетные осциллограммы совпадали с экспериментальными. Для этих целей общий массив показаний, записанных цифровым осциллографом, объемом в 10 тыщ точек прореживается хоть какими средствами до десяти-пятнадцати точек. В среде Orcad моделируется схема опыта, вызывается программка PSO и вводятся наружные спецификации с внедрением этих прореженных данных. В строке EVALUATE спецификации были заданы для напряжения на затворе функция yatx(v(gs),!), а для тока функция yatx(I(Id_mess),!), где vgs — потенциал затвора силового транзистора в расчетной схеме, Id_mess — нулевой ЭДС, выполняющий функцию датчика тока стока. Также нужно учесть, что время начала моделируемых процессов в схеме должно совпадать с временем экспериментальных процессов, записанных осциллографом, и по мере надобности ввести соответственное смещение. После старта программка PSO начнет автоматом разнообразить разыскиваемые характеристики модели, пытаясь подогнать расчетные формы напряжения и тока под данные ей во наружных спецификациях. В качестве исходных критерий для BUZ91 были взяты значения, определенные в МС: RGG = 1,022; CGSA = 4,449n; CGDX = 5,397n; VJGD = 1; CGDO = 1n; MGD = 0,5.

Значения характеристик, приобретенные при оптимизации, приведены в таблице 1, а на рис. 3 и 4 показаны свойства, рассчитанные в PSpice с этими параметрами.

В таблице 2 приведены результаты опыта и расчета для 2-ух значений тока стока (сопротивления Rd). Видно, что ошибки расчета довольно малы.

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам
Таблица 2. Результаты моделирования и опыта с силовым транзистором BUZ91А

Заметим, что при подстановке характеристик из таблицы 1 в СМ Siemens результаты расчетов по этой модели фактически стопроцентно совпадают с плодами расчетов по рассмотренной модели.

Сейчас применим описанную выше методику для определения СМ биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам на примере силового транзистора типа IRG4PC50U. СМ биполярных транзисторов IGBT и методика определения ее характеристик по справочным чертам рассмотрены в [2].

На рис. 5 показана структура СМ биполярного транзистора.

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам
Рис. 5. Структура составной модели биполярного транзистора

Структура VT1 такая же, как и рассмотренная ранее на рис. 1 (без оборотного диодика D1).

Кроме характеристик модели полевых транзисторов МДПТ, рассмотренных ранее, тут необходимо найти характеристики биполярного транзистора, который при обычном включении биполярного транзистора может находиться либо в отсечке, либо в активной обычной области работы. Для определения характеристик СМ нужно, как и для полевого транзистора МДПТ, снять статические ВАХ — проходную в активной области и выходную в области насыщения (рис. 6 и 7), также осциллограммы напряжений на коллекторе и затворе (рис. 8 и 9) в схеме ключа с резистивной нагрузкой (Vge = 15 В; Rg = 10 Ohm; Vd = 105 В; Rc = 11 Ohm). В отличие от справочного режима измерения на токовую нагрузку схема с резистивной нагрузкой была выбрана для определения характеристик в силу наименьшего воздействия паразитной индуктивности.

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам
Рис. 6. Экспериментальная и расчетная свойства насыщения IRG4PC50U при Vge = 10
Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам
Рис. 7. Экспериментальная и расчетная проходная свойства IRG4PC50U при Vd = 50

Сначала расчета необходимо найти исходные приближения для всех характеристик. Характеристики RGG, CGDX, CGSA определяются так же, как описано для полевого транзистора МДПТ. RGG = 1,022, CGSA = 4,449n, CGDX = 5,397n.

Спад тока коллектора после выключения внутреннего полевого транзистора МДПТ происходит экспоненциально с неизменной времени BF*TF и описывается формулой:

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам

Отсюда по скачку тока можно отыскать BF = 0,815, а по нескольким точкам «хвоста» осциллограммы тока вычислить TF = 302n.

На веб-сайте компании International Rectifier (www.irf.com) имеется СМ этого силового транзистора, тут можно взять характеристики оборотного диодика IS = 6,56n, RS =0,023, N = 2, XTI = 0,5, BV = 600, IBV = 0,00025, CJO = 11,6n, VJ =1,5, M = 0,64, TT = 17,5n.

Исходные приближения CGDO, VJ, MJ определяются в MATHCAD по справочной характеристике Crss(U): CGD0 = 4,16n, MGD = 1,66, VJGD = 3,03.

Статические характеристики IS, NF, RON, Beta, VTO определяются в МATHCAD в блоке given-minerr с внедрением зависимостей [2] с учетом отысканного параметра BF:

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам

Для IRG4PC50U найдены последующие исходные приближения характеристик IS = 1,756E-8, NF = 1,993, RON = 0,033, Beta = 4,669, VTO = 5,015 (при L = 1u и W = 2u, Kp = Beta).

Дальше эти характеристики уточняются в PSO по методике, описанной ранее для полевого транзистора.

Значения характеристик, приобретенные при оптимизации, приведены в таблице 3, а на рис. 8 и рис. 9 показаны свойства, рассчитанные в PSpice с этими параметрами. Как видно, расчетные осциллограммы в достаточной степени совпадают с экспериментальными.

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам
Таблица 3. Характеристики СМ IRG4PC50U, определенные в PSO

В таблице 4 приведены результаты опыта и расчета для 2-ух значений тока стока (сопротивления Rd).

Определение характеристик PSpice моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным чертам
Таблица 4. Результаты моделирования и опыта с силовыми транзистором IRG4PC50U

Таким макаром, предложенная тут методика отыскания характеристик составных моделей полевых транзисторов МДПТ и биполярных транзисторов IGBT по экспериментальным данным позволяет довольно точно моделировать процессы переключения как для данного, так и для других режимов работы. Свойства переключения транзисторов, которые использовались в опыте, приметно отличаются от черт переключения, рассчитанных по составным моделям компаний производителей.

Заметим, что как и в PSpice, встречающиеся в тексте имена характеристик моделей, к примеру CGSA либо Cgsa, равнозначны.