Pérdidas De potencia En Interruptores

En la Figura 1 se muestra un interruptor ideal. La pérdida de potencia generada en el interruptor es el producto de la corriente a través del interruptor y el voltaje a través del interruptor. Cuando el interruptor está apagado, no hay corriente a través de él (aunque hay un voltaje VS a través de él). Y por lo tanto, no hay disipación de energía. Cuando el interruptor está encendido, tiene una corriente (VS / RL) a través de él, pero no hay caída de voltaje a través de él, por lo que de nuevo no hay pérdida de energía. También asumimos que para un interruptor ideal el tiempo de subida y bajada de la corriente es cero. Es decir, el interruptor ideal cambia del estado de apagado al estado de encendido (y viceversa) instantáneamente. Por lo tanto, la pérdida de potencia durante la conmutación es cero.

A diferencia de un interruptor ideal, un interruptor real, como un transistor de unión bipolar, tiene dos fuentes principales de pérdida de potencia: pérdida de conducción y pérdida de conmutación.

Pérdida de conducción

Cuando el transistor de la Figura 2(a) está apagado, lleva una corriente de fuga (lLEAK). La pérdida de potencia asociada con la corriente de fuga es POFF = VS x ILEAK . Sin embargo, dado que la corriente de fuga es bastante pequeña y no varía significativamente con el voltaje, generalmente se descuida y, por lo tanto, la pérdida de potencia del transistor es esencialmente cero. Cuando el transistor está encendido, como en la Figura 2(b), tiene una pequeña caída de voltaje a través de él. Este voltaje se llama voltaje de saturación (VCE(SAT)). La disipación de potencia o pérdida de conducción del transistor debido al voltaje de saturación es:

PON = VCE(SAT) x IC

Donde

IC = (VS – VCE(SAT)) / RL≈ VS / RL

la Ecuación 1 da la pérdida de potencia debido a la conducción si el interruptor permanece indefinidamente. Sin embargo, para controlar la alimentación de una aplicación determinada, el interruptor se enciende y apaga de forma periódica. Por lo tanto, para encontrar la pérdida de potencia de voltaje debemos considerar el ciclo de trabajo:

PON(avg) = VCE(SAT) x Ic x (ION / T) = VCE(SAT) x IC x d

De manera similar

POFF(avg) = VS x ILEAK x tOFF / T

Aquí, el ciclo de trabajo d se define como el porcentaje del ciclo en el que el interruptor está encendido:

d = tON / (tON x tOFF ) = tON / T

Pérdida de conmutación

Además de la pérdida de conducción, un interruptor real tiene pérdidas de conmutación porque no puede cambiar del estado de encendido al estado de apagado (o viceversa) instantáneamente. Un interruptor real tarda un tiempo finito en encenderse y un tiempo finito en apagarse. Estos tiempos no solo introducen disipación de potencia, sino que también limitan la frecuencia de conmutación más alta posible. Los tiempos de transición tSW (ON)y tSW(OFF) para conmutadores reales generalmente no son iguales, y tSW(ON) generalmente es más grande. Sin embargo, en esta discusión asumiremos que tSW(ON) es igual a tSW(OFF). Gráfico 3 Muestra formas de onda de conmutación para (a) el voltaje a través del interruptor y (b) la corriente que lo atraviesa. Cuando el interruptor está apagado, el voltaje a través de él es igual al voltaje de la fuente. Durante el encendido, que toma un tiempo finito, el voltaje a través del interruptor disminuye a cero. Durante el mismo tiempo, la corriente a través del interruptor aumenta de cero a IC. El transistor tiene una corriente a través de él y un voltaje a través de él durante el tiempo de conmutación; por lo tanto, tiene una pérdida de potencia.

Para encontrar la potencia disipada en un transistor durante el intervalo de conmutación, multiplicamos el valor instantáneo de IC y el valor correspondiente de VCE. la curva de potencia instantánea se muestra en la Figura 3 (c). la energía disipada en el interruptor es igual al área bajo la forma de onda de potencia. Tenga en cuenta que la potencia máxima se disipa cuando tanto la corriente como el voltaje pasan a través de sus valores de punto medio. Por lo tanto, la pérdida de potencia máxima al cambiar del estado de apagado al estado de encendido es:

PSW ON(max) = 0.5 VCE(max) x 0.5 IC (max)

Es interesante observar que la curva de potencia se parece esencialmente a una onda sinusoidal rectificada. El valor promedio de esta forma de onda es

PSW ON (avg ) = 0.637 x PSW ON (max)

= 0.637 x 0.5 VCE (MAX) x 0.5 IC (MAX)

= 0.167 VCE(max) x IC(max)

O

PSW ON(avg) = 1/6 VCE(max) x IC(max)

La pérdida de energía (potencia x tiempo) durante el encendido será PSW ON(avg) x tSW(ON)

WSW ON = 1/6 VCE(max) x IC(max) x tSW(ON) (julios)

Un análisis similar da la pérdida de energía durante el apagado como

WSW OFF = 1/6 VCE(max) x IC(max) x tSW(ON) (julios)

La pérdida total de energía en un ciclo debido a la conmutación viene dada por

WSW = WSW ON + WSW OFF + 1/6 VCE(max) x IC(max) x

La disipación de potencia promedio en el interruptor será

PSW = WSW/T = WSW x f

PSW = 1/6 VCE(max) x IC (max) x x f

Donde T es el período de conmutación y f es la tasa de repetición de impulsos (frecuencia de conmutación). Tenga en cuenta que

T = tON + tSW(ON) + tOFF + tSW(OFF)

Si dejamos

tSW(ON) = tSW(ON) tSW(OFF) = tSW

entonces

PSW = 1/6 VCE(max) x IC(max) x (2 tSW) x f

La pérdida total de potencia en el interruptor es

PT = PON(avg) + POFF(avg) + PSW

≈ PON(avg) + PSW

= d x VCE(sat) x IC 1/3 x VCE(max) x IC(max) x tSW x f

Diodo

Clasificaciones principales para Diodos

Análisis de circuitos de Diodos

Característica de corriente de voltaje del Diodo

Formación de capa de agotamiento en Diodo

Túnel Diodo