Leistungsverluste in Schaltern

Ein idealer Schalter ist in Abbildung 1 dargestellt. Die im Schalter erzeugte Verlustleistung ist das Produkt aus dem Strom durch den Schalter und der Spannung am Schalter. Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, fließt kein Strom durch ihn (obwohl eine Spannung VS darüber liegt). Und deshalb gibt es keine Verlustleistung. Wenn der Schalter eingeschaltet ist, hat er einen Strom (VS / RL) durch ihn, aber es gibt keinen Spannungsabfall darüber, also gibt es wieder keinen Leistungsverlust. Wir nehmen auch an, dass für einen idealen Schalter die Anstiegs- und Abfallzeit des Stroms Null ist. Das heißt, der ideale Schalter wechselt sofort vom Aus- in den Ein-Zustand (und umgekehrt). Die Verlustleistung beim Schalten ist somit Null.

Im Gegensatz zu einem idealen Schalter weist ein tatsächlicher Schalter, z. B. ein bipolarer Sperrschichttransistor, zwei Hauptquellen für Leistungsverluste auf: Leitungsverlust und Schaltverlust.

Leitungsverlust

Wenn der Transistor in Abbildung 2(a) ausgeschaltet ist, führt er einen Leckstrom (lLEAK). Die mit dem Leckstrom verbundene Verlustleistung beträgt POFF = VS x ILEAK . Da der Leckstrom jedoch recht klein ist und sich mit der Spannung nicht wesentlich ändert, wird er üblicherweise vernachlässigt und somit ist die Transistorverlustleistung im Wesentlichen Null. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, wie in Abbildung 2(b), hat er einen kleinen Spannungsabfall. Diese Spannung wird als Sättigungsspannung (VCE(SAT)) bezeichnet. Die Verlustleistung oder der Leitungsverlust des Transistors aufgrund der Sättigungsspannung beträgt:

PON = VCE(SAT) x IC

Wobei

IC = (VS – VCE(SAT)) / RL≈ VS / RL

Gleichung 1 gibt den Leistungsverlust aufgrund der Leitung an, wenn der Schalter auf unbestimmte Zeit eingeschaltet bleibt. Um jedoch die Leistung für eine bestimmte Anwendung zu steuern, wird der Schalter periodisch ein- und ausgeschaltet. Um die Spannungsverlustleistung zu ermitteln, müssen wir daher das Tastverhältnis berücksichtigen:

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

Ähnlich

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

Hier ist das Tastverhältnis d definiert als der Prozentsatz des Zyklus, in dem der Schalter eingeschaltet ist:

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

Schaltverlust

Zusätzlich zum Leitungsverlust hat ein realer Schalter Schaltverluste, da er nicht sofort vom Ein- in den Aus-Zustand (oder umgekehrt) wechseln kann. Ein realer Schalter benötigt eine endliche Zeit tSW (EIN) zum Einschalten und eine endliche Zeit tSW (AUS) zum Ausschalten. Diese Zeiten führen nicht nur zu einer Verlustleistung, sondern begrenzen auch die höchstmögliche Schaltfrequenz. Die Übergangszeiten tSW(ON) und tSW(OFF) für echte Schalter sind in der Regel nicht gleich, wobei tSW(ON) in der Regel größer ist. In dieser Diskussion gehen wir jedoch davon aus, dass tSW (ON) gleich tSW (OFF) ist. Abbildung 3. Zeigt Schaltwellenformen für (a) die Spannung über dem Schalter und (b) den Strom durch ihn. Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, ist die Spannung an ihm gleich der Quellenspannung. Während des Einschaltens, das eine endliche Zeit in Anspruch nimmt, sinkt die Spannung am Schalter auf Null. Gleichzeitig steigt der Strom durch den Schalter von Null auf IC an. Der Transistor hat während der Schaltzeit einen Strom und eine Spannung, daher hat er eine Verlustleistung.

Um die Verlustleistung eines Transistors während des Schaltintervalls zu ermitteln, multiplizieren wir den Momentanwert von IC und den entsprechenden Wert von VCE. die Momentanleistungskurve ist in Abbildung 3 (c) dargestellt. die im Schalter abgegebene Energie entspricht der Fläche unter der Leistungswellenform. Beachten Sie, dass die maximale Leistung abgeführt wird, wenn sowohl der Strom als auch die Spannung ihre Mittelwerte durchlaufen. Daher beträgt die maximale Verlustleistung beim Umschalten vom Aus- in den Ein-Zustand:

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

Es ist interessant festzustellen, dass die Leistungskurve im Wesentlichen wie eine gleichgerichtete Sinuswelle aussieht. Der Durchschnittswert dieser Wellenform ist

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)

Oder

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

Die energie verlust (power x zeit) während drehen auf wird PSW AUF (avg) x tSW (ON)

WSW AUF = 1/6 VCE (max) x IC (max) x tSW(EIN) (Joule)

Eine ähnliche Analyse ergibt den Energieverlust beim Ausschalten als

WSW AUS = 1/6 VCE(max) x IC(max) x tSW(EIN) (Joule)

Der Gesamtenergieverlust in einem Zyklus aufgrund des Schaltens ist gegeben durch

WSW = WSW EIN + WSW AUS + 1/6 VCE max) x IC (max) x

Die durchschnittliche verlustleistung in die schalter wird

PSW = WSW/T = WSW x f

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

Wobei T die Schaltperiode und f die Impulswiederholrate (Schaltfrequenz) ist. Beachten Sie, dass

T = tON + tSW (EIN) + tOFF + tSW (AUS)

Wenn wir lassen

tSW(EIN) = tSW(EIN) tSW (AUS) = tSW

dann

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

Die insgesamt power verlust in schalter ist

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

Diode

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