Wpływ doboru elementów półprzewodnikowych na charakterystyki przetwornicy buck

Wyniki badań

W rozważanym układzie wykorzystano dławik L o indukcyjności 140 μH i rezystancji szeregowej 0,2 Ω, kondensator C o pojemności 10 μF oraz trzy pary półprzewodnikowych elementów kluczujących. W pierwszej przetwornicy, nazywanej dalej przetwornicą P1, zastosowano krzemowy tranzystor MOSFET typu IRF540 oraz krzemową diodę Schottky’ego typu 1N5822. Druga przetwornica, nazywana dalej przetwornicą P2, zawiera krzemowy tranzystor MOSFET typu IRF540 oraz diodę Schottky’ego z węglika krzemu typu SDP04S60.

Z kolei, trzecia przetwornica, nazywana dalej przetwornicą P3, zawiera tranzystor MESFET z węglika krzemu typu CRF24010 oraz diodę Schottky’ego z węglika krzemu typu SDP04S60. Sygnał sterujący, reprezentowany na rys. 1 przez źródło napięciowe Uster jest wytwarzany przez monolityczny sterownik PWM typu UC3842. Sterownik ten bezpośrednio steruje tranzystorem MOSFET, zaś do sterowania tranzystorem MESFET wykorzystuje się dodatkowo układ przesuwający poziom napięcia sterującego, opisany w pracy [3].

Stosując elektrotermiczne modele rozważanych elementów, których schematy zastępcze pokazano na rys. 2 i 3 przeprowadzono analizę stanów przejściowych rozważanej przetwornicy i obliczono jej charakterystyki w stanie ustalonym.

Charakterystyki takie zostały również zmierzone. Rozważane są zależności: napięcia wyjściowego i sprawności energetycznej przetwornicy oraz temperatury obudowy tranzystorów i diod od napięcia wejściowego, rezystancji obciążenia oraz współczynnika wypełnienia sygnału sterującego. Temperatury obudów elementów półprzewodnikowych zmierzono przy wykorzystaniu pirometru Optex PT-3S. Obliczone wartości tych temperatur uzyskano z symulacji komputerowych w oparciu o obliczone wartości temperatur wnętrza tych elementów oraz zależność analityczną zaczerpniętą z pracy [13]. Badania przeprowadzono przy częstotliwości sygnału sterującego równej 100 kHz.

W obliczeniach wykorzystano następujące wartości parametrów modeli elementów półprzewodnikowych wbudowanych w programie SPICE oraz modeli hybrydowych:

a) krzemowego tranzystora MOSFET typu IRF540: Level = 3, Gamma = 0, Delta = 0, Eta = 0, Theta = 0, Kappa = 0, Vmax = 0, Xj = 0, Tox = 100 nm, Uo = 600 cm2/V/s, Phi = 0,6 V, Rs = 16 mΩ, Kp = 17μA/V2, W = 0,94 m, L = 2 μm, Vto = 3,136 V, Rd = 59 mΩ, Rds = 444,4 kΩ, Cbd = 2,408 nF, Pb = 0,8V, Mj = 0,5, Fc = 0,5, Cgso = 1,153 nF/m, Cgdo = 445,7 pF/m, Rg = 5,557 Ω, Is = 2,859 pA, N = 1, Tt = 142 ns, RON = 75 mΩ, αRD = 0,012K-1, Rth = 25 K/W.

b) krzemowej diody Schottky’ego typu 1N5822: Is = 100 nA, Rs = 34,63 mΩ, Ik f= 2,37 A, N = 1, Xti = 0, Eg = 1,11 V, Cjo = 1,032 nF, M = 0,6736, Vj = 0,75 V, Fc = 0,5, Isr = 9,599 μA, Nr = 2, αU = -2 mV/K, αRS = 0,003 K-1, Rth = 60 K/W.

c) diody Schottky’ego z węglika krzemu typu SDP04S60: IS = 2,7 × 10-16A, N = 1,099, EG = 1,319 V, XTI = 2,2, RS = 190 mΩ, IKF = 0, BV = 670 V, IBV = 0,2 A, ISR = 1,9 pA, NBV = 1500, NR = 2,36, VJ = 0,75 V, M = 1, TRS1 = 0,004 K-1, TRS2 = 30 × 10-6 K-2, αRS = 0,004 K-1, αU = -1,5 mV/K, Rth = 50 K/W.

d) tranzystora MESFET z węglika krzemu typu CRF24010: Level = 2, B = 26,6 V-1, ALPHA = 0,135 V-1, LAMBDA = 0,0085 V-1, VTO = -13,84 V, BETA = 20 mA/V2, VTOT C = -0,002 V/K, RD = 0,17 Ω, RS = 0,1 Ω, RG = 10 Ω, IS = 70 fA, N = 1,25, CGS = 6,7 pF, CGD = 0,3 pF, CDS = 1,3 pF, VBI = 1,8V, VMAX = 0,1 V, VDELTA = 3 V, RON = 0,37 Ω, αRD = 0,006K-1, Rth = 8 K/W.

Na rysunkach 4 i 5 pokazano wybrane wyniki badań. Na rysunkach tych liniami oznaczono wyniki obliczeń, a punkty oznaczają wyniki pomiarów. Jak można zauważyć, uzyskane charakterystyki mają podobne kształty dla wszystkich rozważanych przetwornic – obserwowane są jedynie różnice ilościowe między nimi.

Dla wszystkich rozważanych przetwornic uzyskano zadowalającą zgodność wyników obliczeń i pomiarów, co świadczy o poprawności zastosowanych modeli elementów półprzewodnikowych.

Rys. 4. Zależności napięcia wyjściowego (a), sprawności energetycznej (b), temperatury obudowy tranzystora (c) oraz temperatury obudowy diody (d) od współczynnika wypełnienia sygnału sterującego.