2

MODELAREA IN SPICE A DISPOZITIVELOR SEMICONDUCTOARE DE PUTERE. PARAMETRI SI

CARACTERISTICI DE COMUTATIE. 1. OBIECTUL APLICAŢIEI Aplicaţia are ca scop prezentarea principalelor dispozitive semiconductoare de putere si analiza caracteristicilor importante pentru regimul de comutatie. Sunt prezentate diferentele dintre dispozitivele de uz general si cele de putere pentru o mai buna intelegere a parametrilor modelelor folosite si impactul acestora asupra rezultatelor simularii. 2. INTRODUCERE Principalele metode de modelare utilizate în simulatoarele actuale sunt urmatoarele: • modelarea de tip comutator, care se bazeaza pe faptul ca dispozitivele semiconductoare de putere functioneaza în regim de comutatie, deci ideal pot fi privite ca întrerupatoare cu doua pozitii: - pozitia ON de comutator închis, ce modeleaza dispozitivul aflat în stare de conductie; - pozitia OFF de comutator deschis, ce modeleaza dispozitivul aflat în stare de blocare. Comutatoarele se clasifica în comutatoare necomandate si comutatoare comandate. Variantele de comutatoare comandate sunt cele utilizate în modelarea dispozitivelor semiconductoare de putere, anume: - comutatoarele comandate în tensiune (notate S), ce modeleaza tranzistorul MOS, IGBT si tiristorul MCT; - comutatoarele comandate în curent (notate W), ce modeleaza tranzistorul bipolar de putere, tiristorul conventional si cel GTO. Modelarea de tip întrerupator este cea mai simpla dar si cu performantele cele mai reduse, fiind utilizata atunci când se doreste descrierea fenomenelor din circuit doar la nivel principial precum si în cazul schemelor complicate ce cu un alt tip de modelare ar conduce la o crestere mare a timpul destinat simularii lor; • utilizarea modelelor interne (intrinseci) existente ca modele interne sau ca denumiri comerciale aflate în bibliotecile pachetului de simulare ales. Daca

L2 2

respectivul dispozitiv exista în biblioteca, el este deosebit de simplu de utilizat; în caz contrar, se poate apela la programul de extractie a parametrilor de model ce permite determinarea în mod automat a valorilor tuturor parametrilor de model ai dispozitivelor intrinseci, pornind de la caracteristicile date de catalog, fara ca utilizatorul sa fie obligat sa cunoasca în detaliu numerosii parametrii de model. Dezavantajul acestei metode consta în principal în faptul ca respectivele modele intrinseci au fost dezvoltate initial pentru dispozitivele de mica putere si conduc la erori de simulare importante la niveluri ridicare de tensiune si curent cu care lucreaza dispozitivele de putere. În prezent, dezvoltatorii de simulatoare au în vedere includerea din ce în ce mai mult si a modelelor de putere, atât pentru dispozitivele de putere ce au analoage de mica putere (de exemplu, dioda de putere, tranzistorul bipolar de putere si tranzistorul MOS de putere) cât si pentru cele specifice electronicii de putere pentru care nu exista dispozitive de mica putere analoage similare (de exemplu, tranzistorul bipolar cu poarta izolata IGBT). • macromodelarea este dedicata acelor dipozitive semiconductoare de putere ce nu pot fi modelate prin metoda anterioara, din aceasta categorie facând parte diacul, tiristorul conventional, triacul, tiristorul cu blocare pe poarta GTO si tiristorul MCT, pentru care fie exista în biblioteci fie trebuie construite macromodele. 3. DESFASURAREA APLICATIEI In continuare vor fi analizate vor fi analizate dioda semiconductoare de putere, tranzistorul TEC-MOS de putere si tranzistorul IGBT din punct de vedere al caracteristicilor importante pentru regimul de comutatie. 4.1 Comutatia diodei pe sarcina rezistiva - Dioda modelata liniar cu intrerupator de tensiune In Fig. 2.1 este prezentata schema circuitului pentru trasarea caracteristicilor de comutatie a diodei modelate cu ajutorul intrerupatorului Sbreak si sursa de tensiune Vd. 4.1.1 Creati un proiect nou in OrCAD Capture de tip Analog or Mixed-Signal Circuit Wizzard in directorul C:\AACEP\L2\dioda\ cu numele “dioda”. Implementati circuitul din Fig. 2.1 tinand cont ca masa se plaseaza din meniul Place -> Ground, rezistenta se plaseaza cu Place -> Part, din libraria ANALOG, sursele V1 si Vd se gasesc in libraria SOURCE iar S1 in libraria BREAKOUT care se adauga in proiect din meniul Place->Part->Add Library... , din directorul ...\CAPTURE\LIBRARY\PSPICE. Pentru a modifica parametrii componentelor acestea trebuie selectate iar apoi din meniul Edit-> Properties completati cu valorile din Fig. 2.1. Din meniul Place-> Net Alias se ataseaza firului ce uneste R1 cu S1 numele Vsw.

L2 3

0

Vsw

+-

+

-SbreakS1

ROFF = 1e5VON = 1mRON = 1.0VOFF = 0.0

Vd0.7V

R1

5

V1

PER = 200nPW = 100nTF = 1pV1 = -100V2 = 10TD = 10nTR = 1p

Fig. 2.1 Dioda modelata liniar cu intrerupator de tensiune

Din meniul Pspice->New Simulation Profile creati un profil nou de simulare nu numele “tran”. Selectati analiza de tip Time Domain(Transient) cu parametrii: Run to time 200ns si Maximum step size 100p. Se efectueaza simularea si in Probe se vizualizeaza, pe 2 ecrane, curentul prin R1 si tensiunea Vsw. Masurati tensiunea Vsw atunci cand dioda conduce. - Dioda de putere modelata cu modelul intrinsec In Fig. 2.2 este prezentata schema circuitului de test precum si modelul intrinsec din PSpice. Parametrii modelului se pot modifica selectand componenta apoi din meniul Edit->PSpice Model. Dioda rapida de putere mare MUR860 are parametrii de catalog: IF(average)=8A si VR(max)=600V.

0 0

.

.

Vf red2

V3

PER = 200nPW = 100nTF = 1pV1 = -100V2 = 10TD = 10nTR = 1p

R2

10

D1

MUR860

Rs

I1

Cr

a) b) Fig. 2.2 a) Circuit de test pentru studiul comutatiei diodei pe sarcina rezistiva;

b) modelul intrinsec al diodei 4.1.2 Implementati circuitul din Fig. 2.2 a) pe aceeasi pagina cu cel din Fig. 2.1. Dioda D1 se gaseste in libraria DIODE. Curentul direct prin diodă este dat de relaţia:

2

2

RUV

I FF

−= (1)

unde UF este căderea de tensiune pe dioda D1 aflată în conducţie. În intervalul (110ns,ts) are loc evacuarea sarcinii stocate în joncţiune. Curentul invers este constant:

s

sRR t

QRU

I ==1

(2)

L2 4

unde UR este tensiunea de polarizare inversă a diodei D1. În intervalul (ts,trr) se produce încărcarea capacităţii C r a joncţiunii, timp în care tensiunea pe joncţiune creşte până la valoarea tensiunii sursei de polarizare inversă, iar curentul tinde către valoarea staţionară IR (curentul in blocare). Sarcina electrică totală este: dtiQQ

rr

s

t

tRsrr ∫+= (3)

Se efectueaza simularea cu aceeasi parametri ca la punctul anterior si in Probe se vizualizeaza, pe 2 ecrane, curentul prin D1 si tensiunea Vfred2. 4.1.3 Masurati tensiunea Vfred2 atunci cand dioda conduce si curentii IR si IF. Identificati si masurati timpii ts si trr pe graficul curentului prin dioda. Estimati Qs si Qrr cu ajutorul formulelor (2) si (3). Adaugati curentul prin R1 si tensiunea Vsw in ecranele corespunzatoare. Observati diferenta. De ce în specificaţiile de regim tranzitoriu a fost indicat <pas maxim> de timp de 100ps? Din profilul de simulare “tran” se şterge valoarea 100p. Pasul de timp nu este în acest fel limitat. Se reia simularea de la punctul anterior. Se vizualizează formele de undă Vfred , I(D1). Ce deosebiri se constată? 4.1.4 Refaceti circuitul din Fig. 2.2 a) pentru urmatoarele diode din libraria DIODE: D1N4148 – dioda rapida de putere mica, IF(average)=200mA si VR(max)=100V; D1n4002 – dioda redresoare, IF(average)=1A si VR(max)=100V. Parametrul V1 al sursei VPULSE va avea valuarea -99V in acest caz. D1N5819 - dioda Schottky cu IF(average)=1A si VR(max)=40V. Observati ca desi se depasesc parametrii maximi dati in catalog, VR(max) pentru dioda D1N5819 si IF(average)=200mA pentru D1N4148, nu se genereaza un mesaj de avertisment. Vizualizati intr-un ecran curentii prin diode iar in alt ecran tensiunile. Care este cea mai lenta dioda? 4.1.5 Definiti un parametru Vparam (cu secventa de instructiuni Place->Part->SPECIAL->PARAM, selectati PARAM apoi din meniul Edit Properties->New introduceti numele Vparam iar ca valuare in casuta nou creata 10V. In Fig. 2.2 a) inlocuiti in sursa V3 valuarea lui V2 cu {Vparam} . Din meniul PSpice->edit simulation settings pentru analiza Time Domain selectati optiunea Parametric Sweep. Selectati Global Parameter si introduceti numele Vparam. Selectati Value List si introduceti valorile 1,5,10,15,20. Determinati marimile cerute la punctul 4.1.3 pentru fiecare valoare a parametrului Vparam. Trasati caracteristica trr(IF).

L2 5

4.2 Caracteristicile TEC-MOS de putere In Fig. 2.3 este prezentata schema circuitului pentru trasarea caracteristicilor de comutatie a tranzistorului TEC-MOS de putere.

00

VgsVin

Vds

R1

100

V2100

DbreakD1

V1

PER = 50uPW = 2.5uTF = 10nTR = 10nTD = 10nV2 = 20V1 = -20

M1

IRF540

I150

Fig. 2.3 Circuit de test pentru studiul regimului de comutatie al

tranzistorului TEC-MOS de putere 4.2.1 a) Creati un proiect nou in OrCAD Capture de tip Analog or Mixed-Signal Circuit Wizzard in directorul C:\AACEP\L2\mos\ cu numele “mos”. Implementati circuitul din Fig. 2.1. Tranzistorul IRF540 se afla in libraria PWRMOS. Caracteristicile principale ale tranzistorului MOS de putere cu canal N IRF540 sunt: Vdss=100V; Id=23A @ Vgs=10V; Rds(on) <70mohm; Qg=65nC;Qgs=10nC; Qgd=29nC; Creati un profil de simulare Time Domain cu durata de simulare de 10us. Se efectueaza analiza de regim tranzitoriu. În continuare se vor vizualiza formele de undă folosind Probe. Se adaugă încă un grafic cu Plot->Add plot. Pe graficul de sus se vizualizează v(Vds) -tensiunea vDS şi iD(M1) -curentul de drenă. Pe graficul de jos se vizualizează v(Vin) -tensiunea de comandă şi v(Vgs) -tensiunea vGS. În Fig. 2.4 sunt prezentate formele de undă respective. Tot în Fig. 2.4 sunt prezentate şi definiţiile pentru timpii de comutaţie ONt şi OFFt . Explicaţi formele de undă prezentate în Fig. 2.4. Se determină timpii de comutaţie în conducţie - ONt şi în blocare - OFFt pentru

această situaţie. Se vizualizează puterea instantanee disipată pe tranzistor - )3()1( vMiD ⋅ . Estimaţi puterea disipată pe tranzistor ţinând cont că frecvenţa de comutaţie este de 20kHz şi că ( )OFFOND WWfP += .

L2 6

Fig. 2.4 Procesul de comutaţie al tranzistorului MOS de putere.

b) Se repetă punctul a) pentru V2=20V, V1=0V (tensiune de comandă unipolară). Cum se modifică timpii de comutaţie? Dar puterea disipată pe tranzistor? c) Se repetă punctul a) pentru V2=10V, V1= -10V (tensiune de comandă bipolară de amplitudine mai mică). Cum se modifică timpii de comutaţie şi puterea disipată pe tranzistor? d) Se repetă punctul a) pentru V2=10V, V1=0V (tensiune de comandă unipolară de amplitudine mai mică). Cum se modifică timpii de comutaţie şi puterea disipată pe tranzistor? e) Analizaţi rezultatele obţinute la punctele a)÷d) şi formulaţi concluzii referitor la tipul şi parametrii tensiunii de comandă asupra timpilor de comutaţie şi puterii disipate pe tranzistor. f) Se repetă punctul a) pentru V2=20V, V1=-20V, GR =10Ω, respectiv GR =1kΩ Cum se modifică timpii de comutaţie? Dar puterea disipată pe tranzistor? 4.2.2 Se implementeaza circuitul din Fig. 2.3 pe aceeasi pagina in Capture dar in loc de IRF540 se alege BSS123 din libraria PHIL_FET. Modificati numele firelor sa nu fie la fel. Se modifica tensiunea de alimentare de la 100 la 50V, rezistenta din grila 50ohm, curentul in sarcina 2A.

L2 7

Caracteristicile principale ale tranzistorului MOS de putere mica cu canal N BSS123 sunt: Vdss=100V; Id=0.15A @ Vgs=10V;Rds(on)=3.5ohm; Ciss=23pF;Coss=6pF; Crss=4pF. Se realizeaza analiza in regim tranzitoriu. Se adaugă încă un grafic cu Plot->Add plot. Pe graficul de sus se vizualizează v(Vds) -tensiunea vDS şi curentul de drenă pentru ambele tranzistoare. Pentru BSS123 curentul de drena este ID(X_M2.M1) deoarece are la baza un subcircuit. Acest curent trebuie inmultit cu o constanta, de exemplu 30, pentru a fi vizibil. Pe graficul de jos se vizualizează v(Vin) -tensiunea de comandă şi v(Vgs) -tensiunea vGS pentru cele doua tranzistoare. Analizati comparativ formele de unda pentru cele 2 tranzistoare. Stergeti variabilele corespunzatoare tranzsitorului IRF540 si determinati timpii de comutaţie în conducţie - ONt şi în blocare - OFFt pentru BSS123.

Se vizualizează puterea instantanee disipată pe tranzistor - ID(X_M2.M1)*

V(M2:d). De ce puterea disipata in conductie este atat de mare comparativ cu cea disipata de IRF540? 4.3 Caracteristica tranzistorului IGBT Implementati circuitul din Fig. 2.3 folosind tranzistorul IRGBC20S din libraria IGBT. Modificati sursa de curent la 15A. Parametrii tranzistorului sunt: Vces=600V; Ic=19A @ 25gr.C; Vce(on)=2.4V @19A; Cies=360pF; Coes=36pF; Cres=5.3pF. Repetati punctul 4.2.2. Ce concluzii trageti?