1

Curs nr.3 E.P.

TEHNICI DE COMANDĂ ŞI CIRCUITE DE PROTECŢIE A TBP

Tranzistoarele bipolare de putere (TBP) trebuie sa fie lucreze in AFS (Aria deFunctionare Sigura) asftel incat sa fie protejate contra distrugerii prin depasire a valorilormaxime admisibile si a curbelor date in catalog pentru ICM admisibil, VCEM admisibil, PdM admisibil sifenomenul de strapungere secundara.

In acest curs veti vedea ca TBJ mai trebuie, in plus, protejat si contra depasirii vitezeide variatie maxime a curentului de colector (numit „efect di/dt”), a vitezei de variatiemaxime a tensiunii colector-emitor (numit „efect du/dt”) etc.

In plus, energia medie disipata pe TBP pe durata unei perioade de comutatie Ttrebuie micsorata, fapt realizat prin micsorarea timpilor de comutatie directa tON=td+tr,respectiv inversa tOFF=ts+tf, numiti „parametri de impuls ai TBP” si definiti in cursul anterior.

Toate aceste deziderate sunt realizate folosind tehnicile de comanda si circuitele deprotectie numite „snubbere”, care din punct de vedere practic reprezinta grupuri decomponente pasive (rezistente, condensatoare si bobine) si/sau diode introduse suplimentarin circuitele de comutatie pe sarcina rezistiva R, respectiv sarcina RL puternic inductiva(ωL>>R) prezentate tot in cursul anterior.

Principalele circuite de comanda si protectie ale TBP sunt prezentate in fig.1 si vor fianalizate in continuare. Mentionam ca nu este studiat efectul tuturor circuitelor de comandasi protectie functionand simultan, ci doar cate unul sau maxim doua functionand in acelasitimp.

tuB

BR

bR

bCasD

1D

2D

TBP

SR

SL

fD

ONL

CE

OND

ONR

OFFD

OFFC

OFFR

Fig.1. Circuite de comandă şi protecţie a TBP

1. Tehnică de comandă pentru controlul comutării în conducţie a TBPPentru creşterea vitezei de comutare în conducţie a TBP, prin micşorarea timpului tr de

crestere a curentului de colector la comutatia ON (din blocare in saturatie) a TBP, deciimplicit si a timpului de comutaţie directă tON=td+tr≈tr, se introduce în baza tranzistorului grupul

bb RC . Condensatorul bC se încarcă rapid la valoarea BMI , iar apoi se descarcă mai lent

2

(exponenţial), permiţând scăderea lui ONt , pentru a suporta curentul Ci din regim

cvasistaţionar. Formele de unda fara, respectiv cu grupul bb RC sunt prezentate in fig.2.

Bi

Ci

BR

BEu

tuB

tuB

BMU

t

Ci

Bi

CsatI

BMI

BmI

t

bb RCfaraONt

a. Circuit şi forme de undă fără bb RC

Bi

Ci

BR

BEu tuB

bR

BCCi

Bi

CsatI

BMI

BmI

t

bbbb RCfaraON

RCcuON tt

b. circuit şi forme de undă pentru bi şi Ci cu bb RC

Fig.2. Tehnică de comandă in conductie a TBP pentru micşorarea timpului tON

Dimensionarea (calculul) condensatorului bC (pe fig. 2.b.)

Curentul de bază minim BmI se află folosind teorema Kirchhoff II, cu Cb în gol (regimde c.c.):

bB

BEBMBm RR

UUI

Curentul de bază maxim BMI se află folosind teorema Kirchhoff II cu Cb în scurtcircuit(regim de c.a.):

B

BEBMBM R

UUI

.

Condensatorul se încarcă la tensiunea:

bB

bBEBMC RR

RUUu

,

având constanta de timp bBb CRR 1 . Pentru dimensionarea condensatorului bC se

egalează sarcina electrică cu care Cs este încărcat între momentele comutaţiei

bbbCb CIRQ cu sarcina electrică ce trebuie injectată sau extrasă din bază )(efBBb IQ ,

unde )(efB este timpul de viaţă a purtătorilor de sarcină majoritari în bază de la intrarea lor

3

prin contactul bazei până la dispariţia lor recombinare sau injecţie în emitor. Rezultă

b

efBb R

C )( .

Obs: Relaţia anterioară permite determinarea experimentală a timpului de viaţă efectiv alpurtătorilor de sarcină majoritari, )(efB . Pentru aceasta, se modifică valoarea

condensatorului bC până când tensiunea CEu are fronturi de comutaţie minime, atunci cândla intrarea circuitului se aplică impulsuri dreptunghiulare

2. Tehnici de comandă pentru controlul antisaturaţie al TBP la comutaţia OFFDacă TBP este puternic saturat, la comutarea OFF (din saturaţie în blocare) a acestuia

creşte mult timpul de evacuare ts a sarcinii stocate în bază, fapt ce conduce la micşorareafrecvenţei de comutaţie a TBP, indezirabilă în aplicaţiile la frecvenţe ridicate. Diodele D1, D2şi Das pot fi introduse pe rând sau două sau toate, în funcţie de cât de puţin/mult e saturatTBP, micsorand timpul ts de evacuare a sarcinii stocate din baza TBP, deci implicit si a timpuluide comutaţie inversa tOFF=ts+tf . Astfel:

- dacă saturaţia este mică, se introduce doar D1 pe care cade tensiunea uAK1 dedeschidere a acesteia; pentru reducerea si mai mult a saturatiei TBP, se pot introduce n=2, 3,... astfel de diode in serie pe care va cadea tensiunea uAk=n·uAK1;

- dacă saturaţia e medie, se introduce şi D2 (pe lângă D1)pentru a crea o cale decurent inversă prin care să se elimine sarcina stocată în bază, curentul prin D2 fiind invers faţăde sensul curentului Bi din bază;

- dacă saturaţia e profundă, se introduce şi dioda de antisaturatie notata Das (pelângă D1 şi D2), care este conectată între B şi C ale TBP, deci permite ramificarea curentului

Bi şi prin ea, astfel încât nu tot curentul emis de )(tuB ajunge ca Bi în baza TBP.

asD

1D

2D

TBP

BiBi

asDi

LI S

Ci

BEu

Fig.3. Tehnici de comandă pentru controlul antisaturaţie al TBP la comutaţia OFF

Obs: 1) Pe schema din fig.3, sarcina (grupul format din Rs si Ls) este considerată puternicinductivă (ωLs>>Rs), iar Ls→∞ devine o sursă de curent constant SI in timp ce Rs esteneglijabila (se aproximeaza cu zero) si de aceea nu se mai figureaza pe circuit.

Demonstratie:

S

not

SS

SSSSS Iconsti

L

u

dt

di

dt

diLu

.0 , deci se inlocuieste bobina ideala cu o

sursa de curent constant Is=constant, ca in figura de mai jos:

SL .constI S

2) În plus, pe schema din fig.3 se pot scrie unele ecuaţii, folosind teoremele lui Kirchhoff:

a) CeBEDDasBECEBC

BCDBCDDas uuuuuuudaruuuuu

121 0:

4

b) SCBBCSCBBCDasS

DasBB IiiiiIiiiiiIiii

'''

, unde β este

factorul de amplificare al TBP, la saturaţie.

3. Comutarea TBP cu diodă de nul Df în paralel cu sarcina (Ls, Rs)Obs: In fig.4 specifica comutarii TBP cu diodă de nul Df în paralel cu sarcina(Ls, Rs), sarcina (Ls,Rs) puternic inductivă s-a înlocuit cu sursă de curent constant Is, aşa cum s-a demonstrat la

punctul 2 anterior, atât la analiza circuitului la comutaţia ON

ON

not

S tRs

Ls cât şi la

comutaţia OFF

OFF

not

S tRs

Ls , unde rrdOn tttt şi fSOFF ttt , rezistenta Rs

fiind neglijabila comparativ cu bobina Ls. Practic, rezistenta Rs reprezinta rezistenta de pierderia bobinei Ls de valoare mare.

Bi

Ci

SI

SR

SL

fD

CEu

CE

Dfi

Fig.4. Comutarea TBP cu diodă de nul Df în paralel cu sarcina(Ls, Rs)

Rolul diodei de nul Df in functiorea circuitului:Când TBP conduce, polaritatea tensiunii pe bobina Ls este cu semnul + in sus şi cu

semnul – jos (vezi fig.4, semnele fara paranteze), deci Df va fi polarizată invers şi este blocatăsi astfel nu intervine in functionarea circuitului. Când TBP comută OFF (în blocare), curentul iCprin Ls scade, apare fenomenul de autoinductie propriu bobinei datorita scaderii curentuluiprin ea, deci bobina va reactiona la aceasta scadere prin aparitia tensiunii de autoinducţiepe bobina Ls ce are drept efect inversarea polaritatii pe bobina, cu (-) in sus şi cu (+) in jos(vezi fig.4, semnele din paranteze), iar dioda Df va fi acum polarizată direct, va conduce,scurtcircuitând astfel sarcina (Ls, Rs). Astfel, dioda Df în comutaţie inversă împiedică creştereatensiunii admisibilCEMLsCCE UuEu , dat în cataloage, limitand-o la valoarea CCE Eu prin

scurtcircuitarea sarcinii (Ls, Rs).In concluzie, rolul diodei de nul Df este de protectie a TBP contra depasirii tensiunii

colector-emitor maxime admisibile UCEM admisibil data in catalog, participand astfel lamentinerea punctului de functionare al TBP in AFS. Calculul puterii medii disipate pe TBP la comutaţia ON cu diodă de nul Df :

Formele de undă sunt cele din fig.5, în care curenţii Dfi şi Ci sunt complementari

deoarece CDfS iiI , in urma aplicarii teoremei Kirchhoff I pe schema din fig.4. Tensiunea

CCE Eu cât timp Df conduce. Aproximând Ci cu un segment de dreaptă pe intervalul de

comutaţie ON, anume pe rON tt , puterea medie disipată pe TBP în comutaţie ON este :

T2

tIET

AriadtEttI

T1dttuti

T1P rSC

Ct

0 rS

t

0CEC

rr

ONTBP

Calculul puterii medii disipate pe TBP la comutaţia OFF a TBP cu diodă de nul Df :

5

Formele de undă sunt cele din fig.6, în care curenţii Dfi şi Ci sunt tot complementari

deoarece CDfS iiI , in urma aplicarii teoremei Kirchhoff I pe schema din fig.4. Plecând de

la observaţia că atunci când Df începe să conducă, avem CCE Eu . Inseamnă că CEu a

început să comute de la 0 (TBP saturat) la CE (TBP blocat) înainte de intervalul ft de

comutaţie OFF a TBP. Presupunând că durata comutării lui CEu este ftt , (pentru uşurinţa

calculelor), puterea medie disipată pe intervalul ffff ttttt 2 este :

T

tIE

T

tIE

T

Ariadttuti

TP fSCfSC

tt

CECTBPOFF

f

221

0

CEu

CE

blTBP rt

ONcomutăTBP

satTBP

SI Dfi Ci

t

t

real

ideal

TBPp

t

CECideal uip

CS EIP max

satTBP ft

OFFcomutăTBP

blTBP

SIDfiCi

t

CEu

CE

t

TBPp

CS EIP max

tft

ftt

Fig.5. Comutaţia ON a TBP cu Df Fig.6 Comutaţia OFF a TBP cu diodă de nul Df

Calculul puterii medii disipate pe TBP pe o perioada de comutatie cu diodă de nul Df :Sintetizând rezultatele obtinute la comutatiile ON si OFF de mai sus, obţinem puterea

medie disipata pe TBP pe durata unei periade de comutatie T, cu dioda de nul D f, avandexpresia:

frSC

blOFFsatON

T

CECTBP ttT

IEPPPPdttuti

TP 2

21

0

Obs: Se poate calcula si energia media disipata pe TBP pe o perioada de comutatie T curelatia : WTBP=T·PTBP

4. Circuit de protecţie a TBP cu Df şi snubber ON (grupul LON, DON, RON)Rolul snubberului ON (LON, DON, RON) :Intotdeauna o bobina (in fig.7a, este bobina LON) are ca efect prelungirea duratei

curentului ce circula prin ea (in fig.7a, curentul iC ce circula prin LON). Pentru simplificareacalculului, se va presupune o bobina LON de o asemenea valoare incat prelungeşte duratacomutatiei ON a TBP(deci conducţia curentului Ci ) de la durata rt la o durata dubla,

notata rrr tt 2 . Acest fapt are ca efect scaderea pantei (vitezei de variatie a curentului iC aTBP), notata diC/dt sub valoarea (di/dt)maxim admisibila dată în catalog şi numită “efect di/dt”.Acest fenomen conduce implicit si la micsorarea puterii medii disipate pe TBP in comutatieON de 6 ori, asa cum se a demonstra in continuare.

La comutaţia OFF, datorită fenomenului de autoinducţie pe LON apărut datorităscăderii curentului Ci de la valoarea maximă SI la valoarea 0, polaritatea pe LS se modificăcu semnul (-) sus şi semnul (+) jos (invers decât în conducţie când polaritatea fara paranteze

6

+ e sus şi - e jos – vezi in fig.7a) şi face ca DON să fie polarizată invers şi să fie blocată. AcumDON se deschide fiind polarizată direct şi energia acumulată pe bobina LON în comutaţia ONse disipă prin efect Joule (căldură) pe rezistenţa RON aleasa practic in acest scop. Deasemenea snubberul ON şi dioda Df limitează CCE Eu în comutaţia OFF, Df şi DON

conducând.

BiCi

SI

ONR

ONL

fD

CE

OND

TBP

8maxSC

TBP

IEP

t

CECONTBP uiP

blTBP

rt

CCE iu ,

CECEu Ci

trrr tt 2SI satTBP

Bi

t

a. Circuit de protecţie a TBPcu Df şi snubber ON contra

„efectului di/dt”

b. Forme de undă ale curentului ic, tensiunii uCE si puteriiinstantanee pTBP-ON pe TBP la comutatia ON cu Df şi snubber ON

Fig.7. Circuit de protecţie a TBP cu Df şi snubber ON contra „efectului di/dt”

Puterea medie disipată pe TBP la comutaţie ON devine:

rSC

r

3r

2r

rSC

t0t

r

3t

0t

2

rSC

t

0

t

0 rrSC

rC

rrSTBPON

tT12IE

t3t

2t

t2TIE

t3t

2t

t2TIEdt

tt1t

t2TIEdt

tt1E

ttI

T1P rr

r r

Deci rSC

TBPON tT

IEP

12, adică de 6(şase) ori mai mică decât la comutaţia ON a TBP

cu diodă de nul Df, dar fără snubber ON.

Obs: 1) Energia medie disipată în comutaţia ON a TBP este:

rSC

TBP

t

CECTBP tIE

PTdttutiWON

r

ON

120

2) Puterea instantanee maximă disipată pe TBP în comutaţia ON se obţine anulândderivata puterii instantanee în raport cu timpul t:

2tt

tt21

tIE0

dtdp

tt1E

ttItutip r

rrrSCTBP

rC

rrSCECTBP

ONON

,

7

unde apare maximul de putere8

212

22max

SC

r

r

Cr

r

Sr

TBPTBP

IE

t

t

Et

t

It

tppONON

.

5. Circuit de protecţie a TBP cu Df şi snubber OFF (grupul DOFF, COFF, ROFF)Rolul snubberului OFF:Intotdeauna un condensator (in fig. 8a este condensatorul CON) are ca efect

prelungirea duratei tensiunii la bornele sale (in fig.8a la bornele lui CON este tensiunea notatauC). Pentru simplificarea calculului, se va presupune un condensatorul CON de o asemeneavaloare care prelungeşte durata comutatiei OFF (deci a tensiunii uCE a TBP) de la tf la odurata dubla, notata fff tt 2 . Acest fapt are ca efect scaderea pantei (vitezei de variatie atensiunii uCE a TBP), notata du/dt sub valoarea dui/dt)maxim admisibila dată în catalog şi numită“efect du/dt”. Acest fenomen conduce implicit si la micsorarea puterii medii disipate pe TBPin comutatie OFF de 12 ori, asa cum se a demonstra in continuare.

Condensatorul COFF se încarcă prin DOFF polarizată direct în comutaţia OFF când,datorită fenomenului de autoinducţie pe bobina de sarcină SL , echivalentă cu sursade curent constant IS, polaritatea pe IS este cu semnul (-) sus şi semnul (+) jos (vezi fig.7a).Astfel, tensiunea CEu îşi prelungeşte durata la fff tt 2 datorită condensatorului OFFC .

Rezultă că viteza de variaţie duCE/dt scade sub valoarea admisibilă maximă (du/dt)max

admisibila dată în catalog. În concluzie, snubberul OFF protejează TBP contra “efectului du/dt”,cum este numită această viteză de variaţie a lui CEu . La comutaţia ON, polaritatea pe SI

devine cu semnul + sus şi semnul – jos (vezi fig.7.a), ceea ce face ca dioda OFFD să se

blocheze fiind polarizată invers iar energia acumulată pe OFFC pe durata comutaţiei OFF se

disipă prin efect Joule (căldură) pe OFFR .

BiCi

SI

OFFR

fD

CE

OFFC

OFFDTBP

CCi

OFFTBPp

maxOFFTBPP

t

ft

CCE iu ,

CE

CEuCi

tfff tt 2SI

real

ideal

Bi

t

a. Circuit de protecţie a TBP cu Df şisnubber OFF contra „efectului

du/dt”

b. Forme de undă ale curentului ic, tensiunii uCE siputerii instantanee pTBP-ON pe TBP la comutatia OFF cu

Df şi snubber OFFFig.8. Circuit de protecţie a TBP cu Df şi snubber FF contra „efectului du/dt”

Puterea medie disipată pe TBP în comutaţie OFF este:

fSC

t

ffC

fSTBP t

T

IEdt

t

tE

t

tI

TP

f

OFF

12

11

0

, unde fff tt 2 ,

adică de 12 (douasprezece) ori mai mică decât la comutaţia OFF a TBP cu diodă de nul Df,dar fără snubber OFF

8

Obs: 1) Puterea instantanee maximă disipată pe TBP în comutaţie OFF, notatăOFFTBPp se

determină similar ca la punctul 4, obţinându-se:

82SCf

TBPTBP

IEttpp

OFFMaxOFF

;

Dacă se consideră că CEu nu variază liniar (ideal) ci după parabola:

f

St

fS

t

Cs

t

CCCCE Ct

tIdt

t

tI

CdtiI

Cdtti

CUu

2111 2

000

şi notăm

C

tI

Ct

tiUtu fS

f

fCf

not

fCE 22

2

, atunci expresia lui 2

2

2

2

2 ff

f

fSCE t

tU

t

t

C

tItu

, deci este o

parabolă. Rezultă din sffOFFTBPOFFTBPCE IUttpp

dt

du

274

320 max .

2) Energia medie disipată pe TBP în comutaţie OFF este:

fSC

OFFTBPOFFTBP tIE

TPW

12

, similar cu punctul 4.

Notă: Comutarea TBP a fost analizată separat cu snubber ON şi OFF, dar când cele douătipuri de snubbere sunt puse împreună în circuitul cu TBP ele se influienţează reciproc înfuncţionare. De aceea, componentele celor două snubbere trebuie redimensionate şiajustate astfel încât interdependenţele între componentele din circuitul complet din fig.1 săfie minime.

SINTEZA CURSULUI:

1) grupul bb RC are rol de micşorare a timpului tr, deci implicit a timpului ONt ;

Completare: Grupul bb RC se adaugă pentru ca Bi să prezinte front abrupt şi supracreştere,

saturând TBP încă de la început la curentul Ci mai mare decât ulterior, în conducţie. Astfel,

Ci creşte rapid, deci scade rt , deci implicit scade rrdON tttt .

2) grupul asDDD 21 are rolul de a micşora timpul st , deci implicit a timpului fsOFF ttt ;

3) dioda fD protejează sarcina ss LR contra depăşirii CEMU la comutaţia OFF a TBP;Funcţionare: La comutaţia ON, în saturaţie şi în blocare Df e blocată; La comutaţia OFF,curentul prin Ls scade, tensiunea de autoinducţie pe Ls devine cu „-” sus şi cu „+” josşi Df sedeschide scurtcircuitând sarcina Rs-Ls. Astfel TBP e protejat prin .max admCELsCCE UUEu .

4) grupul snubber ON format din LONII(DON serie RON) protejează TBP contra efectului di/dt.Bobina ONL în comutaţie ON prelungeşte curentul Ci , deci micşorează panta

admCC

dt

di

dt

dimax, .

Obs: La comutaţia OFF, prin apariţia tensiunii de autoinducţie pe ONL , se deschide OND şi

energia acumulată pe ONL în comutaţia ON e disipată prin efect Joule pe ONR .

5) grupul snubber OFF format din DOFFII(ROFF serie COFF) protejează TBP contra efectului du/dt.Condensatorul OFFC în comutaţie OFF prelungeşte tensiunea CEu , deci micşorează panta

admCECE

dt

du

dt

du.max .

Obs: La comutaţia ON, condensatorul OFFC , care s-a încărcat prin OFFD în timpul comutaţiei

ON, îşi descarcă energia prin efect Joule pe OFFR .