Cum aflu frecventa de lucru maxima a unui IGBT/MOSFET ?

[Cilibiu]

Salut tuturor. 

De cateva zile tot caut pe gogu formule de calcul pentru aflarea freventei de lucru maxime a IGBT-urilor sau a MOS-urilor.

Sunt multe IGBT-uri care nu au grafic Frecventa vs Curent sau alt grafic in care sa deduci frecventa de lucru a tranzistorului.

Sa luam ca exemplu HGTG20N50C1D. In foaia de catalog nu gasesc niciun grafic legat de frecventa si nici nu specifica frecventa maxima sau domeniu de frecventa utilizat.

Vreau sa aflu formula de calcul al frecventei in functie de parametri din foaia de catalog.

Alta intrebare ar mai fi :

Cum calculer Rg la IGBT si la MOS.

Gasisem o formula pentru IGBT dar rezultatul nu a fost OK, am incercat sa o aplic la MOS si rezultatul a fost acelasi.

Formula este: Rg=Ugs/(100*Qgs*f) unde f este frecventa la care vrem sa il folosim.

In foaia de catalog la IGBT de mai sus zice asa:

Vges=+/-20V (in formula avem Ugs)

Qg=33nC (in formula avem Qgs)

f= 65kHz

Daca folosim acest parametri rezultatele sunt urmatoarele:

Rg=20/(100*33*65000) =0.000000009 (nu mi se pare un rezultat ok)

Rg=20/(100*0.000000033*65000)=93.24 ( sa fie acesta rezultatul corect? 93 Ohm?)

Sa luam ca exemplu MOSFET IRFP460 si sa aplicam formula.

Vgs= +/-20V ( in formula avem Ugs)

Qgs=18nC (aici avem parametrul specificat in formula)

f=65kHz

Rg=20/(100*18*65000)=0.0000001 (nu mi se pare un rezultat ok)

Rg=20/(100*0.000000018*65000)=85.47 (reiese o rezistenta de 85 ohm, ciudat fapt ca in foarte multe aplicati am vazut ca sa folosit 4.7 ohm)

Deci unde gresesc si ce nu am facut corect, sau care este formula corecta pentru a calcula rezistenta din Grila IGBT/MOS ?

Care este formula de calcul pentru a afla frecventa de lucru a IGBT/MOS in functie de parametri din foaia de catalog in cazul in care nu se specifica frecventa sau nu sunt graficele respective?

Respect tuturor

Editat Februarie 27, 2018 de Cilibiu

[UDAR]

Nu se pot da răspunsuri simple și scurte la întrebările tale dar o să încerc să punctez câteva idei , poate colegii vor mai completa .

1. Frecvența maximă . Niciun catalog nu specifică explicit așa ceva . Teoretic , cea mai mare frecvență la care poate lucra un tranzistor este dată de 1/suma timpilor de comutație , în cazul MOSFET ar fi 1/(td(on) + tr + td(off) + tf) . Practic însă, pentru a folosi dispozitiovul în mod eficient într-o sursă în comutație ( căci bănuiesc că despre asta vorbim ) trebui să lucrăm la o frecvență mult mai mică - de cîteva zeci poate cîte sute de ori . De ce ? Pentru că pe perioada comutării din on în off sau invers pe dispozitiv se disipă puteri mari . Pentru ca media puterii să fie redusă trebuie ca suma timpilor de comutație trebuie să fie mult mai mică decât perioada semnalului util. Fac aici mențiunea că teoretic doar pe tr și tf se disipă dar asta nu schimbă datele problemei. 

La unele IGBT - inclusiv la cel menționat (HGTG20N50C1D) catalogul indică energia pierdută în timpul blocării - este cea mai mare componentă a pierderilor unui IGBT . Înmulțind această energie cu frecvența obținem puterea disipată în comutație ( de fapt în blocare dar cea de trecere în conducție este mult mai mică ) . Concret , avem o pierdere de 1070µJ la fiecare blocare a tranzistorului .  La o ferecvență de 20kHz rezultă pierderi în comutație ( blocare ) de circa 20W . Dacă mai ținem cont și de pierderile în conducție care pot fi și ele de 10-20W în funcție de curent și de factorul de umplere rezultă că aceasta este cam limita superioară a frecvenței . 

Observație importantă ! Cifrele menționate mai sus : timpi de comutație, energie de pierderi în blocare , etc sunt valabile în condițiile strict menționate în catalog , nu sunt niște cifre bătute în cuie pentru tranzistorul dat , în orice condiții . Eu am arătat doar cum trebuie interpretați acești parametri. 

2. Rg . Nu știu de unde ai luat formula aia dar eu o interpretez în felul următor : curentul mediu absorbit în comanda porții unui MOSFET ( sau IGBT ) este dat de f*Qg unde f este frecvența iar Qg este sarcina pe poartă totală . Pentru a obține o comutare rapidă autorul formulei și-a propus un curent de 100 de ori mai mare de unde Rg = Ug / ..... ce are el acolo, unde Ug nu este cea luată din catalog ci tensiunea de alimentare a driverului .

Formula nu este cea mai potrivită , există mai multe metode de a calcula mai corect Rg . Cea mai simplă este să iei valorile din catalog dacă îți convin timpii de comutație de acolo. Dacă vrei să-i mărești sau să-i micșorezi , micșorezi sau mărești valoarea rezistenței aproximativ proporțional pentru variații nu prea mari față de catalog. E foarte mult de scris aici așa că mă opresc deocamdată. 

[Cilibiu]

Multumesc foarte mult de raspuns.

La fel cum lipseste graficul frecventa vs curent la uni tranzistori, as lipseste si rezistenta RG. De accea am cerut formule de calcul in aceste doua situati.

O sa studiez in amanunt ce ai scris si o sa fac si calcule sa vad cad de aproape de adevar sunt.

Formula am gasit-o pe alt site, ca sa nu fac reclama , scrie formula pe googu si gasesti un singur forum in care se discuta despre ea.

Mersi inca o data.

Astept si alte sugesti, sfaturi, pareri.

[UDAR]

Nu am găsit discuția dar nici n-are importanță . Am spus, formula nu este propriu zis greșită , pentru unele cazuri poate da chiar rezultate bune . Doar că suferă de boala generalizării . 

Revenind acum la dimensionarea Rg . De obicei se consideră ”cu cât mai repede, cu atât mai bine” când vine vorba de comutarea MOSFET-ului . Plecând de la asta se recomandă/se folosește de multe ori cea mai mică valoare pe care o acceptă driver-ul . De exemplu circuitele din famila UC384x au un curent maxim recomandat de 1A și o tensiune de alimentare a driverului de circa 12-15V . Pentru că mai sunt și alte căderi o să vedeți aici valori de 10-15-22Ω cel mult indiferent de MOSFET .  Un curent mai ”green” spune însă că o comutație mai lentă a MOSFET-ului, cu prețul unor pierderi ceva mai mari, este mai puțin nocivă din p.d.v. EMI.  

Apoi, uneori se preferă viteze diferite de comutare în ON și OFF . Chiar și MOSFET-urile au , după catalog , la aceeași rezistență timpi diferiți de comutare . La flyback-uri care lucrează în modul discontinuu nu este nicio stringență să comutăm repede din blocare în conducție . Invers însă da . De aceea o să vezi de multe ori rezistența de poartă șuntată parțial sau total de o diodă care conduce în sensul evacuării sarcinii din poartă spre driver. 

În concluzie, dimensionarea optimă a Rg este o problemă complexă care trebuie să țină cont de multe aspecte . În niciun caz nu se poate rezolva printr-o singură formulă. 

Pe de altă parte în practică supradimenionarea uzuală în schemele industriale permite o abatere destul de mare față de valoarea optimă . 

Editat Februarie 27, 2018 de UDAR

[Cilibiu]

Mersi inca o data pentru lectie.

Chiar mia deschis ochi ceea ce ai explicat.

Ok. Am inteles treaba cu formula simplificata, daca cea complexa exista, as vrea sa o stiu ca sa o pun in practica.

Respect.

[UDAR]

Poate nu ai fost suficient de atent sau eu nu am fost suficient de clar .

Acum 33 minute, UDAR a spus:

În concluzie, dimensionarea optimă a Rg este o problemă complexă care trebuie să țină cont de multe aspecte . În niciun caz nu se poate rezolva printr-o singură formulă. 

 

[orgasmo]

HGTG20N50C1D, in foaia de catalog http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/37/77400_DS.pdf exista grafic cu Capacitate vs Tensiunea CE la f=0,1Mhz.

La IXXH30N60B3 http://www.szapl.com/manage/images/2014101492044936.pdf f=1Mhz si recomandat pentru 5-30Khz.

Frecventa depinde de driver-ul cu care comanzi tranzistorul IGBT http://www.pwrdriver.com/en/product/ka841.php

 

[Cilibiu]

Acum 11 ore, UDAR a spus:

Poate nu ai fost suficient de atent sau eu nu am fost suficient de clar .

 

Am fost foarte atent, insa mam exprimat eu gresit.

Am inteles ca este o treaba complexa si ca nu se afla printr-o formula simpla, sunt interesat si de formulele complexe.

Acum 7 ore, orgasmo a spus:

HGTG20N50C1D, in foaia de catalog http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/37/77400_DS.pdf exista grafic cu Capacitate vs Tensiunea CE la f=0,1Mhz.

La IXXH30N60B3 http://www.szapl.com/manage/images/2014101492044936.pdf f=1Mhz si recomandat pentru 5-30Khz.

Frecventa depinde de driver-ul cu care comanzi tranzistorul IGBT http://www.pwrdriver.com/en/product/ka841.php

 

Am driver care ataca o pereche de IGBT-uri la 65kHz, deci in privinta asta numi fac probleme, eu vreau sa pun alti IGBT-uri si vreau sa stiu daca rezistentele actuale care sunt de 10 ohm sunt sau nu ok pentru noi tranziatori.

Multumesc de raspuns.

[UDAR]

Pentru a primi răspuns mai detaliat ar trebui să pui întrebări mai detaliate . Am înțeles că vrei să înlocuiești niște IGBT ( ce tip ? ) cu altele ( presupun HGTG20N50C1D ) . Ce driver folosești, la ce parametri lucrează la ora actuală : tensiuni, curenți, frecvență. După ce ne spui cel puțin astea , mai vorbim . 

[orgasmo]

http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND9052-D.PDF

[Cilibiu]

Eu vreau sa invat, nu sa mi se ofere echivalente pe tava.

Deci vreau sa inlocuiesc un modul IGBT dintr-un aparat de sudura Esab arc151i.

Date tehnice nu am despre modulul IGBT. Ce stiu este frecventa de lucru de 65khz.

Acum stiti ce stiu si eu.

[Vizitator]

Modulul acela e o uzina daca este cel din documentatia: 

http://www.esabna.com/eu/literature/old/arc equipment/power supplies/cc - constant current - stick-tig/caddy tig 2200i ac-dc_0740 800 179_serv_man.pdf

Am gresit, mai repede asta e documentul:     http://www.esabna.com/eu/literature/old/arc equipment/0460 446 187 us.pdf

Editat Februarie 28, 2018 de Vizitator

[UDAR]

1 oră în urmă, Cilibiu a spus:

Eu vreau sa invat, nu sa mi se ofere echivalente pe tava.

Foarte bine ! 

În cazul ăsta poți ignora cererea mea de detalii concrete . ( Oricum documentațiile postate prin amabilitatea lui @miticamy nu sunt relevante în contextul discuției noastre ) .

Cum aș putea să te ajut în cazul ăsta ? Dacă ai preciza domeniul pe care vrei să-l aprofundezi aș putea să-și indic câteva materiale disponibile online sau să-ți trimit eventual pe mail . Dar dacă insiști că vrei să înveți cum să calculezi Rg , îmi pare rău, nu știu să te ajut . Pur și simplu nu știu de unde să încep . 

[Cilibiu]

Am atasat documentatia completa a invertorului.

Orice link ma va ajuta cu siguranta, nu imi place sa lucrez la ceva fara sa il inteleg cum functioneaza si de ce.

 

 

esab_caddy_arc-151i_a31_803-xxx (1).pdf

[UDAR]

Am mai spus, documentația dată, deși destul de extinsă, nu ajută la discuția noastră . Nu știm tipul, numărul de IGBT. Nu știm tensiuni, curenți . Despre frecvență am găsit o referire că ar fi 65kHz dar nu am verificat dacă chiar asta e frecvența de lucru a IGBT sau e altceva. Iar timp să sap după informațiile respective nu am . 

De citit poți începe de aici :

https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-9016.pdf

Nivelul nu e foarte înalt dar nici scăzut nu e .

PS E relativ puțină literatură disponibilă despre comutația IGBT pentru că se consideră că este ( și chiar e ) foarte asemănătoare cu cea a MOSFET-urilor . Despre aceasta din urmă se găsesc foarte multe articole pe net. 

 

 

Editat Februarie 28, 2018 de UDAR
Completare