Pertes de puissance Dans les commutateurs

Un commutateur idéal est illustré à la figure 1. La perte de puissance générée dans le commutateur est le produit du courant traversant le commutateur et de la tension aux bornes du commutateur. Lorsque l’interrupteur est éteint, il n’y a pas de courant à travers lui (bien qu’il y ait une tension VS à travers lui). Et par conséquent, il n’y a pas de dissipation de puissance. Lorsque l’interrupteur est allumé, il y a un courant (VS / RL) à travers lui, mais il n’y a pas de chute de tension à travers lui, donc encore une fois il n’y a pas de perte de puissance. Nous supposons également que pour un commutateur idéal, le temps de montée et de descente du courant est nul. C’est-à-dire que le commutateur idéal passe instantanément de l’état off à l’état on (et vice versa). La perte de puissance lors de la commutation est donc nulle.

Contrairement à un commutateur idéal, un commutateur réel, tel qu’un transistor à jonction bipolaire, a deux sources principales de perte de puissance: la perte de conduction et la perte de commutation.

Perte de conduction

Lorsque le transistor de la figure 2 (a), est bloqué, il transporte un courant de fuite (lLEAK). La perte de puissance associée au courant de fuite est POFF = VS x ILEAK. Cependant, comme le courant de fuite est assez faible et ne varie pas significativement avec la tension, il est généralement négligé et donc la perte de puissance du transistor est essentiellement nulle. Lorsque le transistor est passant, comme sur la figure 2(b), il présente une faible chute de tension aux bornes de celui-ci. Cette tension est appelée tension de saturation (VCE (SAT)). La dissipation de puissance ou la perte de conduction du transistor due à la tension de saturation est:

PON = VCE(SAT) x IC

Où

IC =(VS-VCE(SAT)) / RL≈ VS/ RL

L’équation 1 donne la perte de puissance due à la conduction si l’interrupteur reste allumé indéfiniment. Cependant, pour contrôler la puissance pour une application donnée, l’interrupteur est allumé et éteint de manière périodique. Par conséquent, pour trouver la perte de puissance de tension, nous devons considérer le cycle de service:

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

De même

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

Ici, le rapport cyclique d est défini comme le pourcentage du cycle dans lequel l’interrupteur est allumé:

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

Perte de commutation

En plus de la perte de conduction, un commutateur réel a des pertes de commutation car il ne peut pas passer de l’état passant à l’état bloqué (ou vice versa) instantanément. Un commutateur réel prend un temps fini tSW(ON) pour s’allumer et un temps fini tSW(OFF) pour s’éteindre. Ces temps introduisent non seulement une dissipation de puissance, mais limitent également la fréquence de commutation la plus élevée possible. Les temps de transition tSW(ON) et tSW(OFF) pour les commutateurs réels ne sont généralement pas égaux, tSW(ON) étant généralement plus grands. Cependant, dans cette discussion, nous supposerons que tSW(ON) est égal à tSW(OFF). Figure 3. Affiche les formes d’onde de commutation pour (a) la tension aux bornes du commutateur et (b) le courant qui le traverse. Lorsque l’interrupteur est éteint, la tension aux bornes est égale à la tension de la source. Pendant la mise sous tension, qui prend un temps fini, la tension aux bornes de l’interrupteur diminue à zéro. Pendant ce temps, le courant traversant le commutateur passe de zéro à IC. Le transistor a un courant qui le traverse et une tension qui le traverse pendant le temps de commutation; par conséquent, il a une perte de puissance.

Pour trouver la puissance dissipée dans un transistor pendant l’intervalle de commutation, on multiplie la valeur instantanée de IC et la valeur correspondante de VCE. la courbe de puissance instantanée est représentée à la figure 3(c). l’énergie dissipée dans le commutateur est égale à la surface sous la forme d’onde de puissance. Notez que la puissance maximale est dissipée lorsque le courant et la tension passent par leurs valeurs de point médian. Par conséquent, la perte de puissance maximale lors du passage de l’état off à l’état on est:

PSW ON (max) = 0,5 VCE (max) x 0.5 IC(max)

Il est intéressant de noter que la courbe de puissance ressemble essentiellement à une onde sinusoïdale rectifiée. La valeur moyenne de cette forme d’onde est

PSW ON (moy) = 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)

Ou

PSW ALLUMÉ (en moyenne) = 1/6 VCE (max) x IC (max)

La perte d’énergie (puissance x temps) pendant la mise sous tension sera PSW ALLUMÉ (en moyenne) x tSW (ALLUMÉ)

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

Une analyse similaire donne la perte d’énergie pendant l’arrêt comme

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

La perte d’énergie totale en un cycle due à la commutation est donnée par

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

La dissipation de puissance moyenne dans le commutateur sera

PSW = WSW / T = WSW x f

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

Où T est la période de commutation et f est le taux de répétition des impulsions (fréquence de commutation). Notez que

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

Si nous laissons

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

alors

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

La perte de puissance totale dans le commutateur est

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

≈ PON (moyenne) + PSW

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

Diode

Principales Valeurs nominales pour les Diodes

Analyse de circuit de diode

Caractéristique de courant de tension de la Diode

Formation de la couche d’appauvrissement dans la Diode

Tunnel Diode