Pierderi de putere în comutatoare

un întrerupător ideal este prezentat în Figura 1. Pierderea de putere generată în comutator este produsul curentului prin comutator și al tensiunii pe comutator. Când comutatorul este oprit, nu există curent prin el (deși există o tensiune VS peste el). Și, prin urmare, nu există disipare a puterii. Când comutatorul este pornit, acesta are un curent (VS / RL) prin el, dar nu există nicio cădere de tensiune peste el, deci din nou nu există pierderi de energie. De asemenea, presupunem că pentru un comutator ideal timpul de creștere și cădere al curentului este zero. Adică, comutatorul ideal se schimbă instantaneu de la starea off la starea on (și invers). Prin urmare, pierderea de putere în timpul comutării este zero.

spre deosebire de un comutator ideal, un comutator real, cum ar fi un tranzistor de joncțiune bipolar, are două surse majore de pierdere de putere: pierderea conducerii și pierderea comutării.

pierderea conducției

când tranzistorul din Figura 2(A) este oprit, acesta poartă un curent de scurgere (lLEAK). Pierderea de putere asociată cu curentul de scurgere este POFF = VS x ILEAK . Cu toate acestea, deoarece curentul de scurgere este destul de mic și nu variază semnificativ cu tensiunea, acesta este de obicei neglijat și astfel pierderea de putere a tranzistorului este în esență zero. Când tranzistorul este pornit, ca în Figura 2(b), are o mică cădere de tensiune peste el. Această tensiune se numește tensiune de saturație (VCE (SAT)). Disiparea puterii sau pierderea de conducere a tranzistorului datorită tensiunii de saturație este:

PON = VCE(SAT) X IC

unde

IC = (VS – VCE(SAT)) / RL vs / RL

ecuația 1 Dă pierderea de putere datorată conducerii dacă comutatorul rămâne pornit pe o perioadă nedeterminată. Cu toate acestea, pentru a controla puterea pentru o anumită aplicație, comutatorul este pornit și oprit în mod periodic. Prin urmare, pentru a găsi pierderea de putere de tensiune trebuie să luăm în considerare ciclul de funcționare:

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

în mod similar

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

aici, ciclul de funcționare d este definit ca procentul ciclului în care comutatorul este pornit:

d = ton / (ton x toff ) = ton / t

pierderea de comutare

în plus față de pierderea de conducere, un comutator real are pierderi de comutare, deoarece nu se poate schimba de la starea pornit la starea oprit (sau invers) instantaneu. Un comutator real necesită un timp finit tSW(ON)pentru a porni și un timp finit tSW (OFF)pentru a opri. Aceste momente nu numai că introduc disiparea puterii, ci și limitează cea mai mare frecvență de comutare posibilă. Timpii de tranziție tSW(pornit) și tSW(oprit)pentru comutatoarele reale nu sunt de obicei egali, tSW (pornit) fiind în general mai mare. Cu toate acestea, în această discuție vom presupune că tSW(ON) este egal cu tSW(OFF). Figura 3. Afișează comutare forme de undă pentru (a) tensiunea peste comutatorul și (b) curentul prin ea. Când comutatorul este oprit, tensiunea pe acesta este egală cu tensiunea sursei. În timpul pornirii, care durează un timp finit, tensiunea pe comutator scade la zero. În același timp, curentul prin comutator crește de la zero la IC. Tranzistorul are un curent prin el și o tensiune peste el în timpul comutării; prin urmare, are o pierdere de putere.

pentru a găsi puterea disipată într-un tranzistor în timpul intervalului de comutare, înmulțim valoarea instantanee a IC și valoarea corespunzătoare a VCE. curba de putere instantanee este prezentată în Figura 3(c). energia disipată în comutator este egală cu aria de sub forma de undă a puterii. Rețineți că puterea maximă este disipată atunci când atât curentul, cât și tensiunea trec prin valorile lor medii. Prin urmare, pierderea maximă de putere la trecerea de la starea off la starea on este:

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

este interesant de observat că curba de putere arată în esență ca o undă sinusoidală rectificată. Valoarea medie a acestei forme de undă este

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)

sau

PSW pornit(avg) = 1/6 vce(max) X IC(max)

pierderea de energie (putere x timp) în timpul pornirii va fi PSW pornit(avg) x tSW(pornit)

WSW pornit = 1/6 vce(max) X IC(max) X TSW(pornit) (jouli)

o analiză similară oferă pierderea de energie în timpul opririi ca

WSW oprit = 1/6 vce(max) x IC(max) x TSW(pornit) (jouli)

pierderea totală de energie într-un singur ciclu datorată comutării este dată de

WSW = WSW pornit + WSW oprit + 1/6 vce(max) x IC(max) x

disiparea medie a puterii în comutator va fi

PSW = WSW/t = WSW x f

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

unde T este perioada de comutare și f este rata de repetare a impulsurilor (frecvența comutării). Rețineți că

T = tON + tSW(pornit) + tOFF + tSW(oprit)

dacă lăsăm

tSW(pornit) = tSW(pornit) tSW(oprit) = tSW

atunci

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

pierderea totală de putere în comutator este

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

diodă

evaluări principale pentru diode

analiza circuitului diodei

tensiune caracteristică curentă a diodei

formarea stratului de epuizare în diodă

tunel Dioda