Analiza wysokoczęstotliwościowych drajwerów tranzystorów MOSFET mocy stosowanych w falownikach rezonansowych

Tytuł:

Analiza wysokoczęstotliwościowych drajwerów tranzystorów MOSFET mocy stosowanych w falownikach rezonansowych

Doktorant:

Piotr Legutko

Promotor:

dr hab. inż. Marcin Kasprzak, prof. Pol. Śl.

Promotor pomocniczy:

dr inż. Mariusz Stępień

Recenzenci:

dr hab. inż. Zbigniew Fedyczak, prof. UZ - Uniwersytet Zielonogórski - recenzja 

dr hab. inż. Jacek Rąbkowski - Politechnika Warszawska - recenzja 

Dziedzina nauk technicznych. Dyscyplina naukowa:

elektrotechnika

Data obrony rozprawy:

5 września 2017 r.

Data nadania stopnia:

5 września 2017 r.

Streszczenie:

W ramach rozprawy doktorskiej przeprowadzono kompleksową analizę wysokoczęstotliwościowych sterowników bramkowych – drajwerów, dedykowanych do zastosowań z tranzystorami MOSFET mocy. Analiza drajwerów prowadzona była w zakresie: właściwości oraz parametrów statycznych i dynamicznych, modeli komputerowych drajwerów i ich weryfikacji oraz w zakresie szczegółowych badań laboratoryjnych. W ramach pracy przebadano łącznie trzynaście drajwerów różnego typu: cztery drajwery scalone – dostępne obecnie w sprzedaży, sześć drajwerów dyskretnych twardo-przełączalnych, dwa drajwery dyskretne miękko-przełączalne i jeden drajwer hybrydowy. Wszystkie rozwiązania drajwerów (dyskretne i hybrydowe) są konstrukcji własnej autora rozprawy. Drajwery zostały wykonane w postaci obwodu PCB z materiału termoprzewodzącego IMS w technologii ang. Thermal Clad. Badania laboratoryjne nad wysokoczęstotliwościowymi drajwerami tranzystorów MOSFET były prowadzone w zakresie: • wyznaczenia charakterystyk mocy zasilania poszczególnych układów dla częstotliwości pracy od 10 MHz do 30 MHz, • pomiarów parametrów dynamicznych: czasów przełączeń i propagacji dla maksymalnej częstotliwości pracy układów (30 MHz), • rejestracji i jakościowej analizy przebiegów czasowych napięć wyjściowych (bramkowych) drajwerów dla trzech trybów pracy, oraz • wyznaczenia podstawowych parametrów pasożytniczych. Na podstawie przeprowadzonych badań laboratoryjnych został opracowany drajwer hybrydowy charakteryzujący się zoptymalizowaną, mniejszą powierzchnią obwodu PCB, minimalizacją połączeń między elementami składowymi układu dzięki zastosowaniu cienkich połączeń drutowych (ang. Wire-Bonding) oraz efektywnym sterowaniem bramki tranzystora MOSFET (czasy przełączeń ok. 2 ns, pobór mocy ok. 20 W dla częstotliwości 30 MHz). Dodatkowo, dla drajwera hybrydowego wykonano model symulacyjny obwodu drajwer-tranzystor w programie SIMPLORER, który posłużył do weryfikacji jakościowej i ilościowej przebiegów czasowych i charakterystyk mocy pobieranej przez układ drajwer-tranzystor. W pracy został wykonany również geometryczny model komputerowy drajwera dyskretnego w programie ANSYS, który umożliwiał porównanie wyników symulacji termicznej przeprowadzonej w stanie ustalonym (ang. Steady-State Thermal) układu z wynikami pomiarów temperatury przeprowadzonymi przy użyciu kamery termowizyjnej. Ponadto, w ramach rozprawy doktorskiej przeprowadzono badania laboratoryjne falownika klasy E, w którym tranzystor MOSFET sterowany był za pomocą opracowanego drajwera hybrydowego. Falownik klasy E pracował z częstotliwością 30 MHz i był dostrojony do pracy optymalnej. Sprawność drenowa falownika wyniosła 84,9%., moc zasilania drajwera hybrydowego – 18,4 W przy częstotliwości 30 MHz. Uwzględniając moc strat w drajwerze oraz moce wejściowe i wyjściowe falownika wyznaczono sprawność całkowitą falownika, która wyniosła 79,9%.