Selectarea celui mai bun dispozitiv de putere pentru proiectarea circuitelor electronice de putere a
Tehnologie și tendințe de piață în electronica de putere.
Performanța îmbunătățită a dispozitivelor de alimentare mai moderne permite proiecte de alimentare cu comutare cu frecvență mai compactă și mai mare. Se pare că noile dispozitive care apar, cum ar fi super-tranzistorul MOSFET sau GaN FET, vor înlocui în curând dispozitivele tradiționale precum MOSFET din silicon sau IGBT. S-au dezvoltat surse de comutare care funcționează la frecvențe mai mari, de la câteva sute de kHz la peste 1 MHz și sunt disponibile folosind aceste dispozitive de alimentare inovatoare.
Funcționarea de înaltă frecvență reduce costul circuitelor de alimentare prin reducerea dimensiunii componentei magnetice. Acest lucru, la rândul său, are ca rezultat proiecte de circuite mai mici și mai ușoare. Cu toate acestea, comutarea de înaltă frecvență crește pierderea dispozitivului de alimentare. Principala pierdere de energie de la o sursă de alimentare de comutare este pierderea asociată cu dispozitivele de alimentare cu semiconductor. Prin urmare, selectarea dispozitivelor optime de consum redus este esențială la proiectarea circuitelor electronice de putere.
Evaluare necesară pentru selectarea optimă a dispozitivului.
Selectarea dispozitivului de alimentare corect pentru un circuit electronic de putere necesită o evaluare aprofundată a mai multor parametri. Tensiunea de blocare, curentul de scurgere și caracteristicile termice sunt factori importanți din punct de vedere al fiabilității. Tensiunea de saturație, tensiunea de prag, transconductanța și curentul de vârf sunt importante din punct de vedere al performanței. Minimizarea pierderilor de energie este esențială pentru proiectarea cuprinzătoare a unui circuit electronic de putere eficient.
Pierderile dispozitivului de alimentare pot fi clasificate în principal în trei elemente: pierderea excitației, care este generată la acționarea dispozitivului de alimentare; pierderea de comutare, care este generată atunci când dispozitivul este pornit sau oprit; și pierderea conducției, care este generată în timp ce dispozitivul este pornit (Figura 1). Pierderea de conducere este dominantă la frecvențe de comutare sub 10 kHz. Pierderea excitației și pierderea de comutare devin dominante pe măsură ce frecvența de comutare crește (Figura 2). Fiecare tip de pierdere de energie poate fi calculat prin intermediul parametrilor inerenti dispozitivului.
Pierderea excitației poate fi calculată din taxa de poartă (Qg). Pierderea de comutare poate fi calculată din rezistența porții (Rg) și capacitățile parazite ale dispozitivului (sau caracteristicile sarcinii porții), în timp ce pierderea de conducere poate fi calculată din rezistența (Ron). Prin urmare, rezultă că pentru evaluarea pierderii de putere este necesar un echipament de testare care poate caracteriza acești parametri. Capacitățile parazite ale dispozitivului sunt împărțite în capacitate de intrare (Ciss), capacitate de ieșire (Coss) și capacitate de transfer invers (Crss).
Selectarea unui dispozitiv de putere care prezintă un echilibru bun între rezistența Ron și capacitățile parazitare ale dispozitivului este primul pas în proiectarea unui circuit electronic de putere eficient. Încărcarea la poartă este definită ca suma totală de încărcare necesară pentru activarea completă a unui dispozitiv de alimentare. Poate fi văzut și ca un parametru care reprezintă caracteristicile neliniare ale capacității de intrare a dispozitivului, (Ciss = Cgs + Cgd). Atât rezistența Ron, cât și capacitățile parazitare ale dispozitivului sunt importante în dispozitivele de putere de comutare de înaltă frecvență cu FOM mic (cifră de merit), care se calculează ca produs al lui Qg și Ron.
Ce este încărcarea ușii?
Taxa de poartă este suma totală de încărcare pentru a porni un dispozitiv de alimentare. Cu alte cuvinte, este integrarea în timp a curentului care curge către terminalul porții atunci când dispozitivul intră în starea pornită. Pierderea de excitație este apoi calculată ca produs al sarcinii porții, tensiunii porții și frecvenței.
Așa cum se arată în Fig. 4, caracteristicile sarcinii ușii sunt reprezentate ca o curbă continuă formată din trei segmente cu pante diferite.
Dacă curentul porții (Ig) este menținut constant, încărcătura porții este un produs al Ig și al timpului (t). Apoi, curba Qg se obține prin efectuarea măsurării eșantionării pe tensiunea porții (Vgs). Primul segment al curbei Qg reprezintă creșterea Vgs unde Ciss_off este încărcat de Ig în timp ce dispozitivul este oprit. Este reprezentat ca Vgs = (1/Ciss_off) * Qg. Deoarece Cgs este în general mult mai mare decât Crss, poate fi aproximat ca Vgs = (1/Cgs) * Qg. Încărcarea porții acestui segment se numește Qgs. Când Vgs crește peste tensiunea de prag (Vth) curentul de scurgere (sau colector) începe să curgă. Vgs în acest segment crește până când curentul de scurgere atinge curentul nominal în caracteristicile Id-Vgs. În cel de-al doilea segment cu înclinare plană, în care dispozitivul se schimbă de la pornit la complet pornit, Vgs nu crește deoarece toate curentele Ig curg către Crss. În Figura 5 sunt prezentate caracteristicile de capacitate ale unui tranzistor și în Figura 5 (d) este prezentată dependența de tensiune a lui Crss. Modificările în Crss pot fi clasificate în două domenii diferite:
Când> Vgs, Crss crește pe măsură ce scadeți. Cantitatea de încărcare a Qgd1 este:
Qgd1 se numește încărcare în oglindă.
În starea Vgs> Vgd, Crss este crescut semnificativ de canalul care se formează sub poartă datorită pornirii dispozitivului. Creșterea taxei pentru Qgd2 este: