Perdite di potenza in interruttori

Un interruttore ideale è mostrato in Figura 1. La perdita di potenza generata nell’interruttore è il prodotto della corrente attraverso l’interruttore e la tensione attraverso l’interruttore. Quando l’interruttore è spento, non c’è corrente attraverso di esso (anche se c’è una tensione VS attraverso di esso). E quindi, non c’è dissipazione di potenza. Quando l’interruttore è acceso, ha una corrente (VS / RL) attraverso di esso, ma non vi è alcuna caduta di tensione su di esso, quindi di nuovo non vi è alcuna perdita di potenza. Assumiamo anche che per un interruttore ideale il tempo di salita e discesa della corrente sia zero. Cioè, l’interruttore ideale cambia dallo stato off allo stato on (e viceversa) istantaneamente. La perdita di potenza durante la commutazione è quindi zero.

A differenza di un interruttore ideale, un interruttore reale, come un transistor a giunzione bipolare, ha due principali fonti di perdita di potenza: perdita di conduzione e perdita di commutazione.

Perdita di conduzione

Quando il transistor in Figura 2(a), è spento, trasporta una corrente di dispersione (lLEAK). La perdita di potenza associata alla corrente di dispersione è POFF = VS x ILEAK . Tuttavia, poiché la corrente di dispersione è piuttosto piccola e non varia significativamente con la tensione, di solito viene trascurata e quindi la perdita di potenza del transistor è essenzialmente zero. Quando il transistor è acceso, come in Figura 2 (b), ha una piccola caduta di tensione su di esso. Questa tensione è chiamata tensione di saturazione (VCE (SAT)). La dissipazione di potenza del transistor o la perdita di conduzione dovuta alla tensione di saturazione è:

PON = VCE(SAT) x IC

Dove

IC = (VS – VCE(SAT)) / RL≈ VS / RL

L’equazione 1 fornisce la perdita di potenza dovuta alla conduzione se l’interruttore rimane acceso indefinitamente. Tuttavia, per controllare l’alimentazione per una determinata applicazione, l’interruttore viene acceso e spento in modo periodico. Pertanto, per trovare la perdita di potenza di tensione dobbiamo considerare il duty cycle:

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

Similmente

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

Qui, il duty-cycle d è definito come la percentuale del ciclo in cui l’interruttore è su:

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

Commutazione Perdita

In aggiunta alla perdita di conduzione, un vero e proprio interruttore di commutazione perdite, perché non si può cambiare dallo stato on allo stato off (o viceversa) istantaneamente. Un interruttore reale richiede un tempo finito tSW(ON)per accendere e un tempo finito tSW (OFF)per spegnere. Questi tempi non solo introducono la dissipazione di potenza, ma limitano anche la frequenza di commutazione più alta possibile. I tempi di transizione tSW (ON)e tSW(OFF) per interruttori reali di solito non sono uguali, con tSW(ON) generalmente più grande. Tuttavia, in questa discussione assumeremo che tSW(ON) sia uguale a tSW (OFF). Figura 3. Mostra le forme d’onda di commutazione per (a) la tensione attraverso l’interruttore e (b) la corrente attraverso di esso. Quando l’interruttore è spento, la tensione su di esso è uguale alla tensione della sorgente. Durante l’accensione, che richiede un tempo finito, la tensione attraverso l’interruttore diminuisce a zero. Durante lo stesso tempo, la corrente attraverso l’interruttore aumenta da zero a IC. Il transistor ha una corrente attraverso di esso e una tensione attraverso di esso durante il tempo di commutazione; pertanto, ha una perdita di potenza.

Per trovare la potenza dissipata in un transistor durante l’intervallo di commutazione, moltiplichiamo il valore istantaneo di IC e il valore corrispondente di VCE. la curva di potenza istantanea è mostrata nella Figura 3 (c). l’energia dissipata nell’interruttore è uguale all’area sotto la forma d’onda di potenza. Si noti che la potenza massima viene dissipata quando sia la corrente che la tensione passano attraverso i loro valori del punto medio. Pertanto, la perdita di potenza massima quando si passa dallo stato off allo stato on è:

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

È interessante notare che la curva di potenza sembra essenzialmente un’onda sinusoidale rettificata. Il valore medio di questa forma d’onda è

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 SU(avg) = 1/6 VCE(max) x IC(max)

La perdita di energia (potenza x tempo), nel turno sarà PSW SU(avg) x tSW(A)

W A = 1/6 VCE(max) x IC(max) x tSW(SU) (joule)

Una simile analisi dà la perdita di energia durante il bivio come

SW OFF = 1/6 VCE(max) x IC(max) x tSW(SU) (joule)

La totale perdita di energia in un ciclo di commutazione è dato da

W = W IN + SW OFF + 1/6 VCE(max) x IC(max) x

La media dissipazione di potenza l’interruttore sarà

PSW = W/T = WSW x f

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

Dove T è il periodo di commutazione e f è la frequenza di ripetizione dell’impulso (frequenza di commutazione). Nota che

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

Se lasciamo

tSW(A) = tSW(SU) tSW(OFF) = tSW

poi

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

La perdita di potenza totale in switch

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

≈ PON(avg) + PSW

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

Diodo

le Principali Valutazioni per Diodi

Diodo Circuito di Analisi

Tensione Corrente Caratteristica del Diodo

Formazione di esaurimento strato Diodo

Tunnel Diodo