Straty mocy w przełącznikach

idealny przełącznik przedstawiono na rysunku 1. Straty mocy generowane w przełączniku są iloczynem prądu przez przełącznik i napięcia przez przełącznik. Gdy wyłącznik jest wyłączony, nie ma przez niego prądu (chociaż jest przez niego napięcie). I dlatego nie ma rozpraszania mocy. Gdy przełącznik jest włączony, ma przez niego prąd (VS / RL), ale nie ma spadku napięcia, więc znowu nie ma utraty mocy. Zakładamy również, że dla idealnego przełącznika czas narastania i opadania prądu wynosi zero. Oznacza to, że idealny przełącznik natychmiast zmienia się ze stanu wyłączenia na stan włączenia (i odwrotnie). Strata mocy podczas przełączania wynosi zatem zero.

w przeciwieństwie do idealnego przełącznika, rzeczywisty przełącznik, taki jak bipolarny tranzystor złączowy, ma dwa główne źródła utraty mocy: utratę przewodzenia i utratę przełączania.

utrata przewodzenia

gdy tranzystor na rysunku 2(A) jest wyłączony, przenosi prąd upływowy (lLEAK). Utrata mocy związana z prądem upływowym to POFF = VS X ILEAK. Ponieważ jednak prąd upływu jest dość mały i nie różni się znacznie od napięcia, zwykle jest zaniedbywany, a zatem utrata mocy tranzystora jest zasadniczo zerowa. Kiedy tranzystor jest włączony, jak na rysunku 2 (b), ma niewielki spadek napięcia na nim. Napięcie to nazywa się napięciem nasycenia (VCE (SAT)). Rozpraszanie mocy tranzystora lub utrata przewodzenia spowodowana napięciem nasycenia wynosi:

Pon = VCE(SAT) x IC

gdzie

IC = (VS – VCE(SAT)) / RL≈ VS / RL

równanie 1 podaje utratę mocy spowodowaną przewodzeniem, jeśli przełącznik pozostaje włączony w nieskończoność. Aby jednak kontrolować moc dla danej aplikacji, przełącznik włącza się i wyłącza w sposób okresowy. Dlatego, aby znaleźć utratę mocy napięcia, musimy wziąć pod uwagę cykl pracy:

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

podobnie

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

tutaj cykl pracy D jest zdefiniowany jako procent cyklu, w którym włączony jest przełącznik:

d = ton / (ton x Toff ) = ton / T

utrata przełączania

oprócz utraty przewodzenia, rzeczywisty przełącznik ma straty przełączania, ponieważ nie może natychmiast zmienić się ze stanu włączenia do stanu wyłączenia (lub odwrotnie). Rzeczywisty przełącznik wymaga skończonego czasu tSW(ON), aby włączyć i skończonego czasu tSW(OFF), aby wyłączyć. Te czasy nie tylko wprowadzają rozpraszanie mocy, ale także ograniczają najwyższą możliwą Częstotliwość przełączania. Czasy przejścia tSW(ON) i tSW(OFF)dla rzeczywistych przełączników zwykle nie są równe, przy czym tSW (ON) jest na ogół większe. Jednak w tej dyskusji przyjmiemy, że tSW(ON) jest równe tSW(OFF). Rysunek 3. Pokazuje przebiegi przełączania dla (a) napięcia przez przełącznik i (b) prądu przez niego. Gdy przełącznik jest wyłączony, napięcie w jego poprzek jest równe napięciu źródła. Podczas włączania, które zajmuje skończony czas, napięcie na przełączniku zmniejsza się do zera. W tym samym czasie prąd przez przełącznik wzrasta z zera do układu scalonego. Tranzystor ma przez niego prąd i napięcie w czasie przełączania; dlatego ma utratę mocy.

aby znaleźć moc rozproszoną w tranzystorze podczas przełączenia, mnożymy chwilową wartość IC i odpowiadającą jej wartość VCE. chwilowa krzywa mocy jest pokazana na fig. 3 (c). energia rozproszona w przełączniku jest równa obszarowi pod przebiegiem mocy. Zauważ, że maksymalna moc jest rozpraszana, gdy zarówno prąd, jak i napięcie przechodzą przez wartości punktu środkowego. W związku z tym maksymalna utrata mocy przy przełączaniu ze stanu wyłączenia do stanu włączenia wynosi:

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

warto zauważyć, że krzywa mocy wygląda zasadniczo jak rektyfikowana fala sinusoidalna. Średnia wartość tego przebiegu wynosi

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)

lub

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

utrata energii (moc X czas) podczas włączania będzie PSW ON(avg) x tSW(ON)

WSW ON = 1/6 VCE(max) x IC(max) X TSW(on) (dżule)

podobna analiza podaje straty energii podczas wyłączania jako

WSW off = 1/6 VCE(max) X IC(max) X TSW(on) (dżule)

całkowita strata energii w jednym cyklu spowodowana przełączaniem jest podana przez

WSW = WSW on + WSW off + 1/6 VCE(max) max) X IC(max) x

średnie rozpraszanie mocy w przełączniku będzie wynosić

PSW = WSW/T = WSW x f

PSW = 1/6 VCE(max) x IC(max) x X F

gdzie T oznacza okres przełączania, A f częstotliwość powtarzania impulsów (Częstotliwość przełączania). Zauważ, że

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

jeśli pozwolimy

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

to

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

całkowita utrata mocy w przełączniku wynosi

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

dioda

podstawowe oceny dla diod

analiza obwodu diody

charakterystyka prądowa diody

powstawanie warstwy ubytkowej w diodzie

Dioda