Przedstawiamy Państwu nasz kolejny eksperymentalny sterownik bramki tranzystora IGBT, który powstał tylko i wyłącznie w celu formowania wysokoprądowych impulsów elektrycznych z baterii superkondensatorów. Te przypominające puszki ze znanym napojem kondensatory już zapewne Państwo z innych naszych opracowań znacie. W poprzednim eksperymencie udało nam się skutecznie uszkodzić dość drogi tranzystor więc zaprzestaliśmy prób i nauczeni wynikami nieudanego eksperymentu wyciągnęliśmy wnioski których efektem jest ta kolejna zielona płytka.

Poprzedni tranzystor został uszkodzony, gdyż niedostatecznie szybko doprowadziliśmy do naładowania bramki tranzystora, która charakteryzuje się całkiem dużą pojemnością, ponad to stosowaliśmy zbyt małe napięcie wysterowujące bramkę, które dla tego tranzystora i tych prądów powinno wynosić +20V. Pozbyliśmy się też przewodowych połączeń z tranzystorem projektując płytkę tak, by można było ją wprost przykręcić do złączek tranzystora. W projekcie jest też pełne światłowodowe sterowanie oraz moduł izolacji zasilania, tym razem bez przetwornic DC/DC. W urządzeniu, które projektujemy i tak będzie napięcie sieciowe więc najtańszym rozwiązaniem było zastosowanie dwóch transformatorów. Jeden do zasilania logiki układu a drugi do uzyskania symetrycznego napięcia sterującego bramkę +20V i -5V.

Rys. 1 Tranzystor IGBT CM600HA-24h wraz z dołączonym układem sterującym.

Na płycie pozostał oczywiście dobrze sprawujący się w swej roli układ scalony HCPL316j, nad całą zasadą jego działania i zaimplementowanych w strukturę mechanizmach zabezpieczeń nie będę się rozpisywał, gdyż można o tym poczytać w innym naszym artykule: Tranzystor IGBT i zaawansowany sterownik. Tutaj również stan wyjścia zmieniamy poprzez wejście światłowodowe sygnałem optycznym.

Rys. 2 Tranzystor IGBT CM600HA-24h wraz z dołączonym układem sterującym.

W tym rozwiązaniu również za pomocą wejścia optycznego możemy zresetować układ, ponadto odpowiada on sygnałem optycznym o zadziałaniu jednego z trzech zabezpieczeń powodujących wyłączenie tranzystora. Tak więc cała komunikacja sterownika z systemem mikroprocesorowym, który będzie sterował całym urządzeniem odbywać się będzie wyłącznie za pośrednictwem trzech światłowodów. W projekcie zamieniliśmy także wszystkie kondensatory elektrolityczne na specjalne nisko indukcyjne oraz dodaliśmy w kluczowych miejscach kondensatory tantalowe aby po załączaniu tranzystorów wysterowujących bramkę nie zabrakło energii.

Rys. 3 Widok zbudowanej w naszym zakładzie płytki sterownika.

Oczywiście zastosowanie tych światłowodów ma miejsce nie bez konkretnej przyczyny. Już podczas pierwszych naszych testów z generacją impulsów wysoko prądowych i wysterowaniu impulsatorów mikrokontrolerem okazywało się, że zaraz po wyzwoleniu prądu mikrokontroler po prostu, w najlepszym przypadku zawieszał się. W najgorszym jego żywot dobiegał końca po jednym eksperymencie.

Rys. 4 Widok zbudowanej w naszym zakładzie płytki sterownika. Pomarańczowym przewodem doprowadzony sygnał z kolektora.

W momencie przepływu, nawet bardzo krótkiego w czasie prądu na poziomie 1kA wokół przewodu wytwarza się tak silne pole elektromagnetyczne, które dosłownie jest wyczuwalne dłonią zaciśniętą na tym przewodzie. Gdybyśmy mikrokontroler łączyli przewodami z driverem na pewno indukowały by się w nich prądy mogące powodować wtórne załączenie tranzystora i generację kolejnych, co spowodowało by zamknięcie się sprzężenia i uszkodzenie układu. Dzięki światłowodom mamy możliwość wyekranowania delikatnej części elektronicznej.

Rys. 5 Stanowisko testowe w naszym zakładzie.

Powyżej widzimy stanowisko, na którym testowaliśmy nasz układ. Na początku zaczęliśmy od skromnych prądów ładując baterię do 12V i jako obciążenie zapinając 6 szt. rezystorów mocy połączonych równolegle o wartości 1Ω każdy, co dało wypadkową rezystancję 0,166 Ω. Prąd w tym układzie powinien po załączeniu osiągnąć wartość ok. 72A nie licząc rezystancji złącza w stanie nasyconym oraz rezystancji przewodów.

Rys. 6 Przebieg wartości prądu w obwodzie z rezystorami mocy.

Sygnał, który pokazałem na oscylogramie powyżej pochodzi z szybkiego przekładnika prądowego LEM. Obrazuje przebieg prądu w obwodzie z rezystorami, w którym załączyliśmy tranzystor na 1 ms. Prąd bardzo gwałtownie osiągnął wartość 71A i jeszcze szybciej, po wyłączeniu tranzystora spadł do zera. I o ile widać, że proces włączenia ma pewną swoją delikatnie pochyloną charakterystykę, o tyle wyłączenie jest totalnie natychmiastowe. Bardzo szybkie czasy włączenia i wyłączenia są oczywiście jak najbardziej pożądane w naszym projekcie przy tak dużych prądach, ale niosą za sobą także pewne konsekwencje, które już na powyższym oscylogramie widać w postaci bardzo krótkiego prądowego piku w drugą stronę.

Rys. 7 Przebieg wartości prądu (żółty)  i napięcia w obwodzie mocy ze zwarciem zamiast rezystorów.

Na powyższym oscylogramie mamy przebieg prądu w obwodzie i napięcie na złączu tranzystora IGBT, impuls trwa 5 ms. Narastanie prądu pewien czas trwa do osiągnięcia szczytowej wartości 1,4 kA, ale jak się okazało nie jest to spowodowane niedostatecznie szybkim otwarciem tranzystora. Przy tak dużych prądach bardzo istotną rolę zaczęła odgrywać indukcyjność całego obwodu. Potwierdzeniem tej teorii jest przebieg napięcia. Na kondensatorach jest ok 13 V a widoczna szpilka podczas wyłączenia ma znacznie wyższą wartość.

Rys. 8 Przebieg wartości prądu (żółty)  i napięcia na złączu tranzystora IGBT.

Na tym oscylogramie, kiedy jeszcze nie wiedziałem, że powstają tak silne impulsy elektryczne w momencie wyłączenia tranzystora dokonałem pomiaru tego, co mogłem zobaczyć czyli oscylację napięcia, jej wartość wyniosła ponad 700V. Kolejnym etapem eksperymentu będą próby eliminacji tych szpilek poprzez zastosowanie różnych elementów gaszących jak bardzo szybkie diody zabezpieczające - transile.

Rys. 8 Stanowisko eksperymentalne w trakcie prac.

Jako, że to opracowanie robię w trakcie prac pomiarowych na tym etapie to będzie tyle bo za dużo niewiadomych a za mało eksperymentów, czekam zatem na zamówione transile a poniżej zamieszczam schemat mojego drivera:

Rys. 9 Schemat ideowy układu sterowania tranzystora.

Dla poprawy sprawności użyliśmy zarówno transila, jak i gazowego iskrownika, które przede wszystkim mają chronić złącze tranzystora IGBT przed przebiciem zbyt wysokim napięciem powstającym w momencie szybkiego wyłączenia tranzystora, poniżej jeszcze jeden oscylogram prezentujący z czym mamy do czynienia:

Rys. 10 Oscylogram obrazuje powstanie przepięcia przy impulsie o niskim prądzie nie większym niż 50A

Powyżej przebieg prądu i napięcia w układzie z obciążeniem rezystancyjnym (żarówki), na niskim napięciu na poziomie 10V. W chwili wyłączenia tego prądu powstaje impuls napięcia w tym samym kierunku, co przepływ prądu o wartości w szczycie równej 66V.

Rys. 11 Dioda zabezpieczająca typu Transil (40V) oraz gazowy iskrownik o napięciu zapłonu 70V

Nasz tranzystor IGBT ma dopuszczalne napięcie na złączu równe 1200V tak więc impulsy na poziomie kilkuset woltów nie powinny mu zaszkodzić a my na niższych napięciach mamy możliwość dokonywania prób pozbycia się szpilek. Do złącz prądowych tranzystora przykręciliśmy blaszki a do nich dolutowaliśmy gazowy iskrownik oraz naszą diodę TRANSIL.

Rys. 12 Przebiegi prądu i napięcia (niebieski) na tranzystorze z zabezpieczeniami.

Po wystrzeleniu pierwszego impulsu na zwarcie powstałe po lekkim dociśnięciu przewodów w dłoniach niestety iskry poleciały nie tylko na naszym roboczym złączu ale i tranzystorze. W pierwszej chwili pomyśleliśmy że solidnie uwaliło tranzystor ale po chwili okazało się, że problem leży gdzie indziej. Wiele o zdarzeniu mówią powyższe oscylogramy, a poniżej źródło iskier na tranzystorze.

Rys. 13 Odstrzelony Transil.

Jak widać na oscylogramach tranzystor prawidłowo się załączył i popłynął prąd 187A przez ustalony czas. Nastąpiło wyłączenie, prąd zaczął spadać, ale niestety w chwili wyłączenia na złączu pojawia się ta nieszczęsna szpila, która doprowadziła do zadziałania transila - ten zaczął przewodzić i prąd znów osiągnął poprzednią wartość. Niestety energia tego wyładowania była tak duża, że po spadku napięcia transil już nie odzyskał swej sprawności :). Odstrzeliło niezbyt solidny lut. Gdyby był lepiej podłączony zapewne doszło by do eksplozji elementu. Jako ciekawostkę dodam, że ten element potrafi chłonąć impulsy na poziomie 1,5 kW. Okazało się, że to za mało. W każdym bądź razie gazowy iskrownik błysnął i pozostał nie naruszony.

Rys. 14 Próba pochylenia charakterystyki wygaszania prądu poprzez dołożenie rdzeni ferrytowych

Jako, że kupione transile się nie sprawdziły a sam gazowy iskrownik, pomimo że dochodziło w nim do zapłonów, niewiele pomagał, postanowiliśmy powalczyć inaczej ze zjawiskiem. Prąd bardzo szybko z wartości szczytowej spada do zera więc postanowiliśmy ten proces rozłożyć w większym odcinku czasu zakładając na przewód kilka ferrytowych, toroidalnych rdzeni.

Rys. 15 Przebieg prądu i napięcia w układzie z dołożonymi ferrytowymi rdzeniami.

Jak widać na powyższym oscylogramie zamierzony efekt uzyskaliśmy, udało się opóźnić opadanie prądu. Jednak niewiele to zmieniło bo szpilka prądowa i napięciowa w chwili wyłączenia i tak pozostała. Na wysokość szpili w żaden sposób nie wpłynęliśmy. Na razie skończyły się pomysły, jednak nie mogliśmy się oprzeć przeprowadzeniu eksperymentu z impulsami ciągłymi więc zmieniliśmy tryb pracy impulsatora na seryjny, zadaliśmy czas włączenia na 2 ms i czas przerwy na 18 ms i tak w pętli cały czas.

Rys. 16 Przebiegi prądu i napięcia w trybie powtarzalnym, uchwycony jeden z impulsów.

Jako obciążenie zastosowaliśmy aluminiową puszkę i wolframową elektrodę. Po włączeniu impulsowania zbliżaliśmy elektrodę do puszki i mogliśmy wreszcie dokonać pierwszego cięcia. Metal co prawda do najgrubszych nie należał ale i zadane parametry były minimalne. Tutaj efekty trudno opowiadać dlatego nagraliśmy pierwszy, króciutki film dostępny poniżej:

Cięcie już na tej mocy odbywa się całkiem przyjemnie, na pewno wyglądało by dużo lepiej gdybyśmy podnieśli napięcie i zwiększyli czas trwania impulsu, jednak na obecną chwilę nie mogliśmy tego zrobić tym bardziej że w trakcie procesu obróbki aluminiowej puszki coś zaczęło brzydko pachnieć.

Rys 17 Przepalona podkładka przy tranzystorze w zasilaczu laboratoryjnym.

Krótkie rozpoznanie i okazało się, że na wyświetlaczu zasilacza, którym ładowaliśmy superkondensatory wyświetlane są głupoty, podstawienie nosa w pobliże dowiodło, że zapach pochodzi właśnie z niego. Natychmiastowe wyłączenie i rozbiórka urządzenia by ocenić uszkodzenia. Po zapachu szybko ustaliliśmy rejon w którym nastąpiło uszkodzenie - przepaliła się podkładka izolacyjna pod tranzystorem. Okazało się że nasze niechciane impulsy zagrażają nie tylko tranzystorowi przełączającemu, ale także całej innej elektronice dołączonej do urządzenia.

Rys. 18 Impuls napięcia na kolektorze powstający w momencie wyłączenia tranzystora.

Na powyższym oscylogramie możemy bliżej przyjrzeć się naszemu wrogowi - impulsowi wysokiego napięcia powstającemu w momencie wyłączenia tranzystora. Ta obserwowana wcześniej szpilka trwa bardzo krótko bo tylko 320 ns ale niesie za sobą dużą energię, przy prądzie głównego impulsu na poziomie 900A w szczycie ma ona amplitudę 776V. Przeniosła się po dość długich przewodach aż do zasilacza, w między czasie doprowadziła też do spalenia iskrownika, który przy niższych napięciach dawał radę. Nie gasił jej co prawda, ale błyskał i na pewno odcinał jej część.

Rys. 19 Przebieg napięcia na kolektorze (niebieski) i napięcia na bramce tranzystora IGBT (żółty).

By walczyć z wrogiem trzeba go dokładniej poznać dlatego na drugim kanale na impuls wysokiego napięcia nałożyliśmy przebieg z bramki tranzystora IGBT i jak widać powyżej nie wygląda to najlepiej. Miało to na celu ustalenie dokładnego momentu w którym powstaje impuls względem wysterowania tranzystora. Jak widać impuls zaczyna powstawać dokładnie w chwili całkowitego wyłączenia tranzystora. Ta trwająca poniżej 1 μs oscylacja na pewno nie jest pożądana ale zajmiemy się nią później. Jest źródłem oscylacji prądu, którą widać było na oscylogramach i na pewno będzie wymagała interwencji w układ drivera.

Rys. 20 Dużej mocy warystor dołączony w celu zabezpieczenia tranzystora.

Kolejna próba odcięcia szpilki poprzez dołączenie w miarę szybkiego warystora dużej mocy. Ma on napięcie zadziałania na poziomie 550 V co w przypadku jego odpowiednio szybkiego zadziałania było by już bezpiecznym dla tranzystora poziomem. Niestety nie sprawdził się, szpilka w postaci niezmienionej buszuje w systemie.

Rys. 21 Odprowadzenie ładunku z kolektora bardzo szybką diodą.

Teraz postanowiliśmy przyjrzeć się dokładnie obwodowi naszego układu - tranzystor IGBT w swej strukturze zawiera dodatkowo bardzo szybką diodę, która służy do gaszenia impulsów samoindukcji powstających w przełączanych obwodach, jednak normalnie taki impuls powstaje w drugą stronę niż przełączany prąd i bardzo szybka dioda działa skutecznie. W naszym układzie ten impuls powstaje dokładnie w tą samą stronę co przepływ prądu dlatego dioda się nie sprawdza.

Rys. 22 Poglądowy schemat obwodu mocy.

Znaleźliśmy więc tranzystor IGBT w którym dioda nie jest całkowicie połączona ze strukturą tranzystora. Połączyliśmy ją dokładnie tak, jak na powyższym schemacie z kolektora wprost do plusa kondensatorów.

Rys. 23 Przebieg impulsu wysokiego napięcia na kolektorze z bardzo szybką diodą.

Przebieg napięcia na kolektorze w szczycie ma 165 V przy napięciu na kondensatorach 12V i impulsie prądu trwającym 1 ms i wartości w szczycie 1 kA. Śmiało można stwierdzić, że chyba się udało :). Przeprowadziliśmy jeszcze kilka prób, dołożyliśmy ponownie nowy gazowy iskrownik zabezpieczający, który wcześniej się spalił w tym miejscu i okazało się, że błyska więc coś tam zawsze dogasza, dołożyliśmy także kolejny względem uziemienia i też błyskał więc pewien potencjał pojawia się jednak jest ona na całkowicie bezpiecznym poziomie.

Rys. 24 Zabezpieczony tranzystor IGBT z radiatorem.

Jako, że udało nam się wyciąć szpilki mogliśmy zacząć podkręcać moc, dołożyliśmy do tranzystora radiator by go nie przegrzać i zadaliśmy na sterownik następujące parametry: czas włączenia 2 ms, czas przerwy 16 ms, częstotliwość ok 55 Hz, napięcie na baterii 10V. Brak doładowania baterii w trakcie tak więc w trakcie pracy napięcie a co za tym idzie i moc ciągle spada.

Niestety na obecną chwilę nie nagraliśmy kolejnych filmików, gdzie eksperymentowaliśmy z innymi rodzajami elektrod i ciętych blach. Na filmie widać że proces się zacina ale to ze względu na to, że aluminium jest cienkie i bardzo się utlenia utrudniając zamykanie obwodu. Gdy cięliśmy stalową puszkę od konserw lub blachę miedzianą proces wyglądał o niebo bardziej efektownie. A już bardzo pięknie wygląda przy wyższej częstotliwości 100 Hz. Poniżej jeszcze filmik obrazujący pojawiające się na kolektorze przepięcia. Ich zakres nie przekracza 300V.

Jako ciekawostkę dodam, że obróbka pod wodą destylowaną wygląda niesamowicie, na pewno jeszcze lepsze efekty uzyskam pod naftą ale o tym wszystkim opowiem w kolejnym opracowaniu. Dziś na zakończenie pokażę jeszcze wnętrze tranzystora IGBT, który udało się skutecznie uszkodzić w pracach z poprzednim driverem. Rozebraliśmy go by przekonać się czy uszkodzenie nastąpiło przez szpilkę wysokiego napięcia czy termiczne uszkodzenie przez niedostatecznie szybkie załączenie.

Rys. 25 Wnętrze uszkodzonego tranzystora IGBT.

Jak się okazało nasz bohater zbudowany jest z ośmiu oddzielnych struktur tranzystora i kolejnych ośmiu diod zabezpieczających. Zalane są one żelem silikonowym o naprawdę dużej lepkości przez co nie da się go dobrze usunąć. Jednak od razu widać że 4 z 8 struktur mają czarne plamki powstałe w momencie przeciążenia.

Rys. 25 Widok uszkodzonych struktur.

Gdyby uszkodzenie tranzystora nastąpiło w wyniku przebicia szpilką wysokiego napięcia wydaje mi się, że nie było by widać żadnych efektów. Tutaj mamy ewidentne uszkodzenie w wyniku wypalenia struktur półprzewodnika i powstały one raczej na pewno w wyniku przegrzania spowodowanego przepłynięciem dużego prądu przez tranzystor, który jeszcze nie wszedł w stan nasycenia. Zadziałał jak rezystor, przez który popłynął bardzo duży prąd. W tym artykule to już wszystko, zapraszam do częstego odwiedzania naszej strony internetowej.