Потери коммутации: влияние на полупроводники
Мы рассматриваем коммутационные потери, связанные с зарядом заряда диода, транзисторным переключением с зажатой индуктивной нагрузкой, емкостью устройства и утечкой, упаковкой и паразитными индуктивностями, а также кривой зависимости эффективности от частоты переключения.
Рекомендуемый уровень
начинающий
Перезарядка диода
Переключающие характеристики диода во время выключения показаны на рисунке 1.
Рисунок 1. Характеристики выключения силового диода: а) изменение тока i f; б) вариация падения напряжения v f; c) Изменение потери мощности
Если мы применяем обратное напряжение на диоде, ток через диод достигает нулевого значения, а диод продолжает действовать в противоположном направлении из-за наличия хранимых зарядов в слое истощения и слое p или n. Ток диода течет для обратного времени восстановления t rr. Это время между тем, когда мгновенный ток прямого диода становится равным нулю, а мгновенный обратный ток восстановления уменьшается до 25% от его обратного максимального значения.
Время T a: Заряды, хранящиеся в слое истощения, удалены.
Время T b: Заряды от полупроводникового слоя удаляются.
Общее время восстановления:
$$ T_ {RR} = Т_ {а} + Т_ {Ь} $$
Пиковый обратный ток:
$$ I_ {RM} = T_ {a} frac {di} {dt} $$ (Уравнение 1)
Reverse-recovery charge, Q RRC, представляет собой величину заряда, которая протекает через диод, когда диод меняет свое состояние из режима прямой проводимости, чтобы перевести режим блокировки. Это задается областью, заключенной под осью x по пути тока.
Таким образом, $$ Q_ {РНЦ} ≅ \ гидроразрыва {1} {2} I_ {РМ} , х \, T_ {RR} $$
$$ \ Rightarrow I_ {RM} = \ frac {2Q_ {RRC}} {T_ {RR}} $$ (уравнение 2)
Из уравнений 1 и 2 получаем, $$ T_ {RR} T_ {a} = \ frac {2Q_ {RRC}} { frac {di} {dt}} $$ (уравнение 3)
Как правило, $$ T_ {b} << T_ {a}. $$
Таким образом, $$ T_ {RR} ≈T_ {a} $$ (уравнение 4)
Из уравнений 3 и 4 получаем, $$ T_ {RR} ≅ \ sqrt {( frac {2Q_ {RRC}} { frac {di} {dt}}}} $$ (уравнение 5)
Из уравнений 5 и 2 получаем, $$ I_ {RM} = \ sqrt {(2Q_ {RRC} frac {di} {dt})} $$ (уравнение 6)
С практической точки зрения, человек больше озабочен T RR и I RM, которые явно зависят от сохраненного заряда Q RRC и обратного применения $$ \ frac {di} {dt} $$ из уравнений 5 и 6.
Транзисторное переключение с зажатой индуктивной нагрузкой
Мощность BJT
Задержка во время включения или выключения связана с временем, которое занимает меньшая несущая для достижения подходящей точки плотности. Его характеристики переключения указаны в отношении схемы внешней нагрузки и формы сигнала для базового тока. Зафиксированная индуктивная схема переключения с плоским базовым приводом показана на рис.2.
Рисунок 2. Схема переключения мощности BJT
Ключевым моментом для мощности BJT является время хранения и потери на коммутацию. Переключение потерь происходит во время включения и выключения, и они доминируют для операций быстрой коммутации. Форма сигналов, показывающая изменение напряжения и тока при переходе на резистивную и индуктивную нагрузку, показана на рисунке 3.
Рисунок 3. Переход напряжения и тока во время выключения для (a) Индуктивная нагрузка (b) Резистивная нагрузка
Полные характеристики переключения индуктивной нагрузки для мощности BJT показаны на рисунке 3
Базовый ток должен быть достаточно высоким, чтобы гарантировать быстрое включение BJT для операций быстрой коммутации. Его следует поддерживать на определенном уровне после включения, чтобы сохранить его в состоянии насыщения, чтобы минимизировать потери проводимости. Как и в случае силового диода, время обратного восстановления зависит от сохраненного заряда и наклона тока.
Время включения питания BJT может быть уменьшено за счет увеличения скорости нарастания базового тока.
Рисунок 4. Характеристики переключения мощности BJT для индуктивной нагрузки
МОП - транзистор
Если ток нагрузки постоянный в течение интервала переключения малой продолжительности, а также из-за индуктивной нагрузки; его можно рассматривать как источник с постоянным током.
Схема переключения с зажатой индуктивной схемой в случае силового MOSFET показана на рисунке 5. Затвор управляется идеальным источником напряжения. Кроме того, диод считается идеальным и, таким образом, не показывает никаких характеристик обратного восстановления.
Рисунок 5. Цепь переключения для MOSFET с зажатой индуктивной нагрузкой
При приложении напряжения затвора он начинает расти в направлении V GG с постоянной времени = R G (C GS + C GD)
Рисунок 6. Изменение C GS и V GD с V DS
Емкость источника затвора МОП-транзистора является наибольшей из всех внутренних емкостей МОП-транзистора. Транспортировочная емкость затвора для MOSFET имеет большое значение в омической области и затем уменьшается до небольшого значения в активной области. На приведенном выше графике ясно показано изменение этой емкости с V DS. Характеристики переключения для силового МОП-транзистора во время включения и выключения показаны соответственно на фиг.7 и фиг.8.
Рисунок 7. Характеристики включения для Power MOSFET
Рисунок 8. Характеристики выключения для Power MOSFET
IGBT
Схема переключения для IGBT с зажатой индуктивной нагрузкой показана на рис.9.
Характеристики включения и выключения для зажимаемой индуктивной нагрузки показаны на рис. 10 и рис.11. IGBT проходит через активную область во время включения и выключения. Пусть постоянная времени индуктивной нагрузки, т. Е. $$ T = \ frac {L} {R} $$, достаточно велика, чтобы ток нагрузки принимался постоянным в стационарном состоянии.
Рисунок 9. Цепь переключения для IGBT с зажатой индуктивной нагрузкой
Рисунок 10. Характеристики переключения IGBT во время включения
Во время включения IGBT скорость падения его напряжения замедляется к концу, поскольку выход транзистора pnp следует за его активной областью медленнее по сравнению с МОП-транзистором.
Рисунок 11. Характеристики переключения IGBT во время выключения
Во время выключения IGBT текущий хвост может быть создан из-за накопленных избыточных зарядов. Когда IGBT выключен, напряжение затвор-эмиттер поддерживается отрицательным значением, чтобы избежать запирания.
Емкость устройства: это внутренняя емкость, которая поставляется параллельно с переключателем, таким как IGBT и MOSFET, как показано на рисунке 5 и на рисунке 9, когда переключатель входит в состояние включения. Сохраненная энергия исчезает во время перехода на переход. Общая энергия, накопленная в конденсаторе, определяется, $$ Е- {C} = \ sum_ {г = 0} ^ {N} гидроразрыва {1} {2} C_ {я} {V_ {я}} ^ {2} $$
Блуждающие индуктивности: это индуктивности, которые появляются последовательно последовательно с переключателем, когда он начинает разомкнуться. Эта запасенная энергия исчезает во время перехода выключения.
$$ Е- {L} = \ sum_ {г = 0} ^ {N} гидроразрыва {1} {2} L_ {я} {I_ {я}} ^ {2} $$
Помимо этих потерь при включении и выключении переходов, могут возникать потери переключения из-за хранения диода, паразитных емкостей, паразитных индуктивностей и звонка.
Эффективность и частота переключения
Мощность пропорциональна накопленной энергии, умноженной на частоту. Эффективность преобразователя уменьшается с увеличением частоты переключения. Но существует определенное критическое значение частоты, эффективность которой резко уменьшается.
Рисунок 12. Эффективность по сравнению с кривой частоты переключения