Anleitung BE1 SS1920 PDF

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Versuch BE1

TU Chemnitz Professur Leistungselektronik und EMV Prof. Dr.-Ing. J. Lutz Elektrische Eigenschaften von IGBTs

M. Sc. Xing Liu Clemens Herrmann

Versuchsgegenstand: Der IGBT gewinnt immer mehr an Bedeutung in selbstgelöschten Stromrichtern. Da diese Bauelemente hohe Schaltgeschwindigkeiten erlauben, sind eine angepasste Ansteuerung und eine niederinduktive räumliche Anordnung dieser elektronischen Schalter erforderlich, um die Bauelementbeanspruchung in den vorgegebenen Grenzen zu halten. Das bedingt fundierte Kenntnisse der statischen und dynamischen Eigenschaften von IGBTs. Im Rahmen dieses Versuches wird das Ausgangskennlinienfeld eines Mittelspannungs-IGBTs bestimmt, sowie das Schalt- und Kurzschlussverhalten gemessen. Die gewonnenen Messergebnisse werden mit den Datenblattwerten verglichen und physikalisch interpretiert. Daraus werden Schlussfolgerungen für die richtige Auswahl, die wechselseitige Beeinflussung und den optimalen Einsatz dieser Bauelemente abgeleitet. Gleichzeitig soll das Wissen über die dazu notwendige Messtechnik vertieft werden

Literatur:   

Lutz, J., Schlangenotto, H., Scheuermann, U., De Doncker, R.: Semiconductor Power Devices, Springer, 2011 Schröder, D.: Leistungselektronische Bauelemente, Springer, 2006 IKW20N60T IGBT, Datenblatt, Infineon Technologies AG

Vorbereitungsschwerpunkte:       

Wie ist der IGBT aufgebaut, welche Eigenschaften leiten sich daraus ab? Mit welchen Messschaltungen können die statischen Kennlinien ermittelt werden? Welche Vorteile bietet die Impulsmessung (Doppel-Puls-Versuch)? In welche Phasen lässt sich der Ein- und Ausschaltvorgang eines IGBTs unterteilen? (Verläufe der Spannungen und Strom) Welche halbleiterphysikalischen Vorgänge spielen sich in den einzelnen Phasen ab? Warum ist die Kurzschlussbelastung für einen Transistor kritisch? Erläutern Sie die Strom und Spannungsverläufe, die während des „Kurzschlusses I“ auftreten?

Durchführung: 1. Bestimmung der statischen Kennlinien Bestimmen Sie mittels Curve Tracer (Sony Tektronix 371B):   

Transferkennlinie IC (VGE ) und Threshold-Spannung VGE(th) des IGBTs Ausgangskennlinien IC (VCE ) des IGBT bei verschiedenen Gatespannungen Kollektor-Emitter Sättigungsspannung VCE(sat) bei Nennstrom

Für die Messungen der Ausgangskennlinien soll die Kollektor-Emitter Spannung solange erhöht werden, bis der IGBT entsättigt bzw. die Leistungsgrenze des Curve Tracer erreicht wird (3kW). Vergleichen Sie die gemessenen Werte mit den Datenblattwerten des IGBT in Tabelle 1! Stellen Sie die gemessenen Kurven in geeigneten Diagrammen graphisch dar und erläutern Sie die Verläufe! Item Collector-Emitter Voltage Gate-Emitter Peak Voltage Continuous DC Collector Current Short-Circuit Capability Gate Threshold Voltage Collector-Emitter Saturation Voltage

Symbol

Rating

Unit

VCE

600

V

VGE

± 20

V

IC

20

A

SC (VCE = 350V, VGE ≤ 15V)

5

µs

VGE(th) (IC = 10mA, VCE = VGE)

typ: 4.9

V

VCE(sat) (25°C; IC = 20A; VGE = 15V)

typ: 1.5

V

Tabelle 1 – 600V IGBT Datenblatt [3]

Messschaltung: Um eine Doppelpulsmessung durchzuführen, müssen zwei IGBTs über eine Puls-Software angesteuert werden. Der SIGBT (Schutz-IGBT) gibt die Spannung für den Testkreis frei. Während des Doppelpulses muss also der SIGBT eingeschaltet sein. Ein mögliches Pulsmuster für den Doppelpuls ist in Abbildung 2 dargestellt. Der SIGBT stellt ein komplettes Leistungsmodul dar, das im Fehlerfall die Energie durch die zu testenden Bauelemente begrenzt. Aus Sicherheitsgründen werden die Gateunits der IGBTs über Lichtwellenleiter (LWL) angesteuert. Bei allen Umbaumaßnahmen und Änderungen am Messaufbau ist der Zwischenkreiskondensator zu erden! Abkürzung: DUT: Device under Test FWD: Freilaufdiode (eng. free wheeling diode)

Abbildung 1 - Messschaltung

Abbildung 2 - Dopplepuls-Ansteuerung

2. Messung des Schaltverhaltens Bauen Sie die Schaltung auf Doppelpulskonfiguration um! Ermitteln Sie die notwendigen Pulslängen für die Gateansteuerung, sodass der IGBT von 40 A beim zweiten Puls abschaltet (Doppelpulsmessung, UDC = 350 V). Die Pulspause soll dabei 20 µs betragen und die Länge des zweiten Pulses 15µs. Welche Lastinduktivität ist einzustellen (500 µH, 1 mH, 2 mH, 3 mH, 4 mH), wenn Gesamtpulslängen größer 100 µs nicht auftreten dürfen? Oszillographieren Sie das erste Ausschaltverhalten und das darauffolgende Einschaltverhalten des IGBT (RG,on = 33 Ω, RG,off = 330 Ω). Bestimmen Sie die Ein- und Ausschaltverluste sowie die Ein- und Ausschaltzeit. Vergrößern Sie den Einschalt- und Ausschaltwiderstand (RG2,on = 150 Ω, RG2,off = 670 Ω) an der Gateunit und wiederholen Sie die Messungen. Erläutern Sie die Veränderungen im dynamischen Verhalten und ziehen Sie Rückschlüsse auf die Dimensionierung des Gatewiderstandes in der Praxis. Erhöhen Sie die Temperatur der zu untersuchenden Bauelemente auf 100°C und messen Sie erneut (mit RG2,on = 33 Ω, RG2,off = 330 Ω). Erläutern Sie die Veränderungen im dynamischen Verhalten.

3. Messung des Kurzschlussverhaltens Überlegen Sie sich ein geeignetes Pulsmuster und die dazugehörigen Änderungen an der Messschaltung in Abbildung 1, um mit dem verfügbaren Messaufbau eine Kurzschlussmessung (Kurzschluss Typ I) durchzuführen! Die maximale Zeit, die der DUTIGBT im Kurzschluss ist, darf 5 µs nicht überschreiten. Schalten Sie den SIGBT 20 µs vor dem Kurzschluss ein und schalten Sie ihn 50 µs nachdem der DUT-IGBT abgeschaltet hat wieder aus. Somit wird das DUT-Kurzschlussverhalten nicht vom SIGBT beeinflusst (siehe Messschaltung). Führen Sie die Kurzschlussmessung bei 350 V Zwischenkreisspannung durch (mit RG,on = 33 Ω, RG,off = 330 Ω, VGE = 15 V ). Lassen Sie sich die Leistungskurve P(t) vom Oszilloskop berechnen und speichern sie die Verläufe von Gate- und Kollektor-EmitterSpannung sowie Kollektorstrom und den Verlauf der Leistung ab. Ermitteln Sie die Kurzschlussenergie!

Auswertung: Interpretieren und begründen Sie die gewonnen Messergebnisse. Leiten Sie Schlussfolgerungen für die technische Anwendung ab....