Wpływ doboru elementów półprzewodnikowych na charakterystyki przetwornicy buck

Zależności napięcia wyjściowego (a), sprawności energetycznej (b), temperatury obudowy tranzystora (c) oraz temperatury obudowy diody (d) od rezystancji obciążenia:

Rys. 5. Zależności napięcia wyjściowego (a), sprawności energetycznej (b), temperatury obudowy tranzystora (c) oraz temperatury obudowy diody (d) od rezystancji obciążenia.

Na rysunkach 4 i 5 można zauważyć, że największe wartości napięcia wyjściowego i sprawności energetycznej uzyskano dla przetwornicy P1, zawierającej krzemowe elementy półprzewodnikowe. Zastosowanie tranzystora SiC-MESFET powoduje znaczące zmniejszenie wartości napięcia wyjściowego i sprawności energetycznej przetwornicy buck. Opisane relacje są obserwowane w szerokim zakresie zmian współczynnika wypełniania sygnału sterującego i rezystancji obciążenia, przy czym największe różnice między w uzyskanych wartościach napięcia wyjściowego występują przy małych wartościach rezystancji obciążenia R₀ (przekraczając nawet 50%) i przy dużych wartościach współczynnika wypełnienia d (nawet do 20%). Temperatury obudów diody i tranzystora są malejącą funkcją rezystancji obciążenia. Najwyższe wartości temperatury obudowy tranzystora polowego T_T występują dla przetwornicy P3 (dochodząc do 50^oC), a najwyższe temperatury obudowy diody T_D – dla przetwornicy P2 (przekraczając 100^oC).

Podsumowanie

W pracy przedstawiono wyniki obliczeń i pomiarów charakterystyk przetwornicy buck zawierającej elementy półprzewodnikowe wykonane z krzemu oraz z węglika krzemu. Ze względu na większe wartości rezystancji włączonego kanału w tranzystorze polowym oraz większy spadek napięcia na diodzie dla elementów wykonanych z węglika krzemu uzyskano dla przetwornic zawierających te elementy półprzewodnikowe mniej korzystne wartości parametrów eksploatacyjnych rozważanej przetwornicy. Dlatego nie widać uzasadnienia dla stosowania elementów półprzewodnikowych wykonanych z węglika krzemu w niskonapięciowych przetwornicach dc-dc pracujących przy typowych wartościach częstotliwości sygnału sterującego.

Zastosowanie w obliczeniach hybrydowych elektrotermicznych modeli diody Schottky’ego i tranzystora polowego pozwoliło uzyskać zadowalającą zgodność wyników obliczeń i pomiarów dla wszystkich rozważanych elementów półprzewodnikowych stosowanych w rozważanych przetwornicach. Świadczy to o przydatności tej postaci modeli elementów półprzewodnikowych wykonanych z krzemu i z węglika krzemu w analizach przetwornic dc-dc.

Praca badawczo-rozwojowa finansowana ze środków na naukę w latach 2008-2011 jako projekt badawczo-rozwojowy Nr NR01-0003-04/2008.

Literatura:

[1]    Rashid M. H.: Power Electronics Handbook, Elsevier, 2007.

[2]    Górecki K., Zarębski J.: Modeling Nonisothermal Characteristics of Switch-Mode Voltage Regulators. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 23, No. 4, 2008, pp. 1848 – 1858.

[3]    Zarębski J., Górecki K., Posobkiewicz K.: Wpływ zastosowania elementów półprzewodnikowych z węglika krzemu na charakterystyki przetwornicy buck. Przegląd Elektrotechniczny, R. 86, Nr 11a, 2010, s. 229-231. 

[4]    Rąbkowski J., Barlik R.: Falownik trójfazowy z tranzystorami JFET i diodami Schottky’ego z węglika krzemu. Przegląd Elektrotechniczny, R. 86, Nr 11a, 2010, s. 116-119.

[5]    Mohan N., Robbins W.P., Undeland T.M., Nilssen R., Mo O., Simulation of Power Electronic and Motion Control Systems – An Overview, Proceedings of the IEEE, Vol. 82, 1994, s. 1287-1302.

[6]    Maksimovic D., Stankovic A.M., Thottuvelil V.J., Verghese G.C., Modeling and simulation of power electronic converters, Proceedings of the IEEE, Vol. 89, No. 6, 2001, s. 898-912.

[7]    Górecki K.: Modelowanie i analiza obcowzbudnych stabilizatorów impulsowych zawierających dławikowe przetwornice dc-dc z uwzględnieniem samonagrzewania. Prace Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia, 2007. 

[8]    Zarębski J., Dąbrowski J.: Evaluation and Modelling of Properties of Commercial SiC Schottky Diodes. IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies, ICSET 2010, 6-9 December 2010, Kandy, Sri Lanka.

[9]    Bisewski D., Zarębski J., Charakterystyki statyczne tranzystora SiC-MESFET z uwzględnieniem zjawiska samonagrzewania Krajowa Konferencja Zastosowania Komputerów w Elektrotechnice, ZkwE, Poznań, 2011.

[10]  Zarębski J., Modelowanie, symulacja i pomiary przebiegów elektrotermicznych w elementach półprzewodnikowych i układach elektronicznych, Prace Naukowe Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdynia 1996.

[11]  Zamłyński K., Modelowanie termicznego sprzężenia zwrotnego w monolitycznych układach scalonych przy pomocy programu SPICE-2G, Rozprawy Elektrotechniczne, 1990, Vol. 35, Nr 3, s. 673-692.

[12]  Wilamowski B.M., Jaeger R.C., Computerized circuit Analysis Using SPICE Programs, McGraw-Hill, New York 1997. 

[13]  Zarębski J., Górecki K.: Modelling CoolMOS Transistors in SPICE. IEE Proceedings on Cicuits, Devices and Systems, Vol. 153, No. 1, 2006, pp. 46-52.