Избор на най-доброто силово устройство за проектиране на силови електронни схеми a
Технологии и пазарни тенденции в силовата електроника.
Подобрената производителност на по-модерните захранващи устройства позволява по-компактни и по-високочестотни импулсни захранващи конструкции. Смята се, че нови устройства, които се появяват, като MOSFET или GaN FET супер-транзистор, скоро ще заменят традиционните устройства като силиконовия MOSFET или IGBT. Превключващите захранващи устройства, работещи на по-високи честоти, от няколкостотин kHz на повече от 1 MHz, са разработени и се предлагат с помощта на тези иновативни захранващи устройства.
Високочестотната работа намалява цената на силовите вериги, като намалява размера на магнитния компонент. Това от своя страна води до по-малки и по-леки проекти на вериги. Високочестотното превключване обаче увеличава загубата на захранващото устройство. Основната загуба на мощност от импулсно захранване е загубата, свързана с полупроводниковите захранващи устройства. Следователно изборът на оптималните устройства с ниска мощност е от съществено значение при проектирането на силови електронни схеми.
Необходима е оценка за избор на оптимално захранващо устройство.
Изборът на правилното захранващо устройство за силова електронна схема изисква задълбочена оценка на много параметри. Блокиращото напрежение, токът на утечка и топлинните характеристики са важни фактори от гледна точка на надеждността. Напрежението на насищане, праговото напрежение, свръхпроводимостта и пиковият ток са важни от гледна точка на производителността. Минимизирането на загубите на мощност е от съществено значение за цялостния дизайн на ефективна силова електронна схема.
Загубите на силовото устройство могат да бъдат класифицирани главно в три елемента: загуба на възбуждане, която се генерира при работа на силовото устройство; загуба при превключване, която се генерира при включване или изключване на устройството; и загуба на проводимост, която се генерира, докато устройството е включено (Фигура 1). Загубата на проводимост е доминираща при превключване на честоти под 10 kHz. Загубата на възбуждане и загубата на превключване стават доминиращи с увеличаването на честотата на превключване (Фигура 2). Всеки тип загуба на мощност може да се изчисли чрез параметри, присъщи на устройството.
Загубата на възбуждане може да се изчисли от заряда на затвора (Qg). Загубата при превключване може да се изчисли от съпротивлението на портата (Rg) и паразитните капацитети на устройството (или характеристиките на натоварването на портата), докато загубата на проводимост може да се изчисли от съпротивлението (Ron). Следователно от това следва, че за оценка на загубата на мощност е необходимо оборудване за изпитване, което може да характеризира тези параметри. Паразитните капацитети на устройството са разделени на входен капацитет (Ciss), изходен капацитет (Coss) и обратен трансферен капацитет (Crss).
Изборът на захранващо устройство, което показва добър баланс между съпротивлението на Ron и паразитните капацитети на устройството, е първата стъпка при проектирането на ефективна силова електронна схема. Зареждането на порта се определя като общия размер на зареждането, необходим за пълно активиране на захранващо устройство. Той може да се разглежда и като параметър, който представлява нелинейните характеристики на входния капацитет на устройството (Ciss = Cgs + Cgd). Както съпротивлението Ron, така и паразитните капацитети на устройството са важни при високочестотните импулсни силови устройства с малък FOM (стойност на заслугата), което се изчислява като произведение на Qg и Ron.
Какво е зареждането на вратите?
Зарядът на портата е общият размер на зареждането за включване на захранващо устройство. С други думи, това е интеграцията на времето на тока, който тече към терминала на портата, когато устройството преминава в включено състояние. След това загубата на възбуждане се изчислява като произведение от натоварването на портата, напрежението на портата и честотата.
Както е показано на фиг. 4, характеристиките на натоварването на вратата са представени като непрекъсната крива, състояща се от три сегмента с различни наклони.
Ако токът на затвора (Ig) се поддържа постоянен, зарядът на затвора е произведение на Ig и време (t). След това Qg кривата се получава чрез извършване на измерване на измерване на напрежението на затвора (Vgs). Първият сегмент на Qg кривата представлява покачването на Vgs, където Ciss_off се зарежда от Ig, докато устройството е изключено. Представя се като Vgs = (1/Ciss_off) * Qg. Тъй като Cgs обикновено е много по-голям от Crss, той може да бъде приближен като Vgs = (1/Cgs) * Qg. Порталният заряд на този сегмент се нарича Qgs. Когато Vgs се издигне над праговото напрежение (Vth), изтичащият (или колекторният) ток започва да тече. Vgs в този сегмент се увеличава, докато източният ток достигне номиналния ток в характеристиките Id-Vgs. Във втория плоско наклонен сегмент, в който устройството се променя от включено до напълно включено, Vgs не се увеличава, тъй като всички текущи Ig текат към Crss. На фигура 5 са показани капацитетните характеристики на транзистора, а на фигура 5 (d) е показана зависимостта на Crss от напрежението. Промените в Crss могат да бъдат класифицирани в две различни области:
Когато сте> Vgs, Crss се увеличава, докато намалявате. Количеството на нарастване на заряда от Qgd1 е:
Qgd1 се нарича огледално натоварване.
В състоянието Vgs> Vgd Crss се увеличава значително от канала, който се образува под портата поради включването на устройството. Увеличението на заряда на Qgd2 е: