Technológia és piaci trendek a teljesítményelektronikában.

elektromos

A korszerűbb tápegységek jobb teljesítménye kompaktabb és magasabb frekvenciájú kapcsoló tápegységeket tesz lehetővé. Úgy tűnik, hogy a megjelenő új eszközök, például a MOSFET vagy a GaN FET szupertranzisztor hamarosan felváltják a hagyományos eszközöket, mint például a szilikon MOSFET vagy az IGBT. Magasabb frekvenciákon működő kapcsoló tápegységeket fejlesztettek ki, amelyek néhány száz kHz-től több mint 1 MHz-ig terjednek, és ezeknek az innovatív energiaforrásoknak a segítségével elérhetők.

A nagyfrekvenciás működés csökkenti az áramkörök költségeit azáltal, hogy csökkenti a mágneses alkatrész méretét. Ez viszont kisebb és könnyebb áramköri kialakításokat eredményez. A nagyfrekvenciás kapcsolás azonban megnöveli az elektromos eszköz veszteségét. A kapcsoló tápegység fő áramvesztesége a félvezető tápegységekkel kapcsolatos veszteség. Ezért az elektromos áramkörök tervezésénél elengedhetetlen az optimális kis fogyasztású eszközök kiválasztása.

Az energiaellátó készülék optimális kiválasztásához szükséges értékelés.

A megfelelő elektromos eszköz kiválasztásához az elektromos áramkörhöz számos paraméter alapos kiértékelése szükséges. A blokkoló feszültség, a szivárgási áram és a termikus jellemzők fontos tényezők a megbízhatóság szempontjából. A telítettségi feszültség, a küszöbfeszültség, a transzvezetőképesség és a csúcsáram a teljesítmény szempontjából fontos. Az áramveszteség minimalizálása elengedhetetlen a hatékony elektromos áramkör átfogó kialakításához.

Az áramellátó eszköz veszteségei főleg három elemre oszthatók: gerjesztésveszteség, amely az erőmű működtetésekor keletkezik; kapcsolási veszteség, amely az eszköz be- vagy kikapcsolásakor keletkezik; és a vezetés elvesztése, amely a készülék bekapcsolt állapotában keletkezik (1. ábra). 10 kHz alatti kapcsolási frekvenciákon a vezetőképesség vesztesége domináns. A gerjesztés elvesztése és a kapcsolás elvesztése válik dominánssá a kapcsolási frekvencia növekedésével (2. ábra). Az energiaveszteség minden típusa kiszámítható az eszközre jellemző paraméterekkel.

A gerjesztés vesztesége kiszámítható a kapu töltéséből (Qg). A kapcsolási veszteség kiszámítható a kapu ellenállása (Rg) és a készülék parazita kapacitása (vagy a kapu terhelés jellemzői) alapján, míg a vezetési veszteség az ellenállásból (Ron) számítható. Ezért következik, hogy az energiaveszteség kiértékeléséhez olyan tesztberendezésre van szükség, amely jellemzi ezeket a paramétereket. Az eszköz parazita kapacitásait bemeneti kapacitásra (Ciss), kimeneti kapacitásra (Coss) és fordított átviteli kapacitásra (Crss) osztjuk.

Az olyan hatékony eszköz kiválasztása, amely jó egyensúlyt mutat Ron ellenállása és a készülék parazita kapacitása között, az az első lépés a hatékony elektromos áramkör tervezésében. A kaputöltést az energiaeszköz teljes aktiválásához szükséges töltés teljes összegének definiálják. Paraméternek is tekinthető, amely az eszköz bemeneti kapacitásának nemlineáris jellemzőit ábrázolja (Ciss = Cgs + Cgd). A Ron ellenállása és az eszköz parazita kapacitása egyaránt fontos a nagy FOM-os (érdemjegy) kisfrekvenciás kapcsolóberendezéseknél, amelyet Qg és Ron szorzataként számolnak.

Mi az ajtó betöltése?

A kaputöltés az elektromos eszköz bekapcsolásához szükséges teljes összeg. Más szavakkal, az áram időintegrációja áramlik a kapu terminálra, amikor az eszköz bekapcsolt állapotba kerül. A gerjesztés veszteségét ezután kiszámítják a kapu terhelésének, a kapu feszültségének és a frekvenciának a szorzataként.

Amint a 4. ábra mutatja, a kapu terhelési jellemzői folyamatos görbeként vannak ábrázolva, amely három, különböző lejtésű szegmensből áll.

Ha a kapu áramát (Ig) állandó értéken tartjuk, a kapu töltése Ig és idő (t) szorzata. Ezután a kapufeszültség (Vgs) mintavételezésének mérésével elvégezzük a Qg görbét. A Qg görbe első szegmense a Vgs növekedését jelenti, ahol a Ciss_off-ot Ig terheli, miközben az eszköz ki van kapcsolva. Vgs = (1/Ciss_off) * Qg. Mivel a Cgs általában sokkal nagyobb, mint a Crss, megközelítőleg Vgs = (1/Cgs) * Qg értékkel közelíthető. Ennek a szegmensnek a kaputöltését Qgs-nek hívják. Amikor a Vgs a küszöbfeszültség (Vth) fölé emelkedik, a lefolyó (vagy kollektor) áram elkezd áramlani. A Vgs ebben a szegmensben addig nő, amíg a lefolyó áram el nem éri az Id-Vgs jellemzők névleges áramát. A második lapos lejtésű szakaszban, amelyben az eszköz be- és bekapcsol, teljesen bekapcsol, a Vgs nem növekszik, mert az összes áram Ig Crss felé áramlik. Az 5. ábra egy tranzisztor kapacitási jellemzőit, az 5. ábra (d) pedig a Crss feszültségfüggését mutatja. A Crss változásai két különböző területre oszthatók:

Ha> Vgs, akkor a Crss növekszik, miközben csökken. A Qgd1 töltésnövekedés mértéke:

A Qgd1 tükörterhelésnek nevezzük.

A Vgs> Vgd állapotban a Crss jelentősen megnő a csatorna miatt, amely a kapu alatt képződik a készülék bekapcsolása miatt. A Qgd2 töltésének növekedése:

A Ciss_on értékét a Vgs-Ciss jellemzőkből kapjuk meg, amint azt az 5. ábra (c) mutatja. Ennek a szegmensnek a töltését Qgd-nek hívják.

A Qgd mérete a leválasztási állapotban lévő lefolyó (vagy kollektor) feszültségtől és a Crss csatlakozási állapotától függ.

A Qgd értéke korlátozza az eszköz kapcsolási teljesítményét.

Az utolsó szegmensben a készülék teljesen be van kapcsolva, és a Ciss_on töltés folytatódik. A Vgs jelentése Vgs = (1/Ciss_on) * Qg.

Tervezési pontok áramkörökhöz.

Az áramköri tervezők a kapu terhelési jellemzőit használják a kapu meghajtó áramkörök tervezéséhez és a hajtás veszteségének kiszámításához. Meghatározzák a kapu meghajtó feszültségét, figyelembe véve az eszköz teljesítményét, diszperzióját és a készülék váratlan meggyulladását, majd leolvassák a Qg görbéből a teljes töltés mennyiségét. Tegyük fel például, hogy a 6. ábrán bemutatott Qg görbét Vds = 600 V e A értékkel kapjuk meg. Ha a kapu 0 és 15 V között van, a Qg leolvasott értéke 500 nC lesz. A gerjesztés vesztesége 0,15 W, ha a kapcsolási frekvencia 20 kHz: [P (gerjesztésveszteség) = f * Qg * Vg = 20 k * 500 n * 15]. Továbbá, ha 100 ns emelkedési időre számít, akkor legalább 5 A [500 nC/100 ns] meghajtóáramra van szükség. Az elégtelen gerjesztő áram késlelteti a kapcsolási sebességet, ami megnöveli a kapcsolási veszteséget. A gerjesztési áram maximalizálása fontos paraméter a gerjesztő áramkörök tervezésénél.

Általában ajánlott egy IGBT kapufeszültségét negatív értékről hozni a váratlan aktiválás elkerülése érdekében. A helyes teljes Qg értéket a negatív és a pozitív stressz régióban lévő Qg értékek összegéből kapjuk. Például a 6. ábrán a kapu feszültsége –15 V és +15 V között van, és 400 nC-ot hozzá kell adni a Qg-hoz, ami 0,27 W teljes hajtásveszteséget eredményez: [P (gerjesztésveszteség) = 20 k * (400 n + 500 n) * 15].

A Qg görbe a készülék kimeneti feszültségjellemzőivel kombinálva lehetővé teszi a kapcsolóüzemű tápegység részletes elemzését és optimalizálását.

Kapcsolási idő és kapu terhelés kapcsolata.

A kapcsolási idő számítását gyakran használják a kapu terhelési jellemzőinek, a kapusorozat ellenállásának (Rs) és a bemeneti kapacitásának (Ciss) első rendű tranziens válaszának alapján. Rs az eszköz kapuellenállásának (Rg) és a kapuhoz csatlakoztatott külső ellenállás összege.

A Vgs kapu feszültséget egy adott t időpontban a VGS kapu meghajtó feszültségével ábrázoljuk, az alábbiak szerint:

Ezért t-t adjuk meg:

Az időállandó a következő:

Qg = Ciss * Vgs helyettesítésével az (5) egyenletben azt kapjuk:

A (7) felett a t1 és t2 közötti különbség a következő:

A Td (be), a Tr, a Tf és a Td (ki), amint azok megjelennek az eszköz adatlapján, (8) -ból származnak, a megfelelő adatok helyettesítésével: kapufeszültség, leeresztőfeszültség és leeresztő áram Qg-val szemben. Az egyes kapcsolási időparaméterek meghatározásához olvassa el a készülék gyártójának alkalmazási megjegyzését.

A (9) - (12) egyenletek a kapu feszültsége és a lefolyó feszültsége által meghatározott kapcsolási idő képletek.

Késleltetési idő, Td (Be): 10% VGS - 90% VDS

Emelési idő, Tr: 90% - 10% VDS

Kikapcsolási késleltetési idő, Td (Ki): 90% VGS - 90% VDS

Esési idő, Tf: 10% DV - 90% DV

Kapcsolat veszteség és kapu terhelés kapcsolata.

A kapcsolási terhelést (Qsw) az a teljes terhelés határozza meg, amely során a leeresztő feszültség és a leeresztő áram kereszteződik. Nagyjából megegyezik az (1) egyenletből származó tükör töltéssel (Qgd1). A DC-DC átalakítók tervezésénél kiszámítják a Qsw-ből származó kapcsolási veszteséget.

A kapuáram (ig) és a kapcsolási idő (Tsw (be) vagy Tsw (ki)) szorzata Qsw, amely lehetővé teszi a következő kapcsolási veszteség kiszámítását a készülék be- és kikapcsolására egyaránt. Tisztán ellenálló terhelés esetén az Id és a Vds a középpontban metszik egymást. Induktív terhelés esetén az áram- és feszültségfázis különbözik, és a veszteségtényező változik. Grafikus ábrázolást mutat a 8. ábra.

Az ajtó terhelésének mérésének kihívásai.

A Qg görbe mérésére szolgáló teszt áramkör gyakran megjelenik az eszköz adatlapján. A 9. (a) ábrán állandó áramforrás áramkör látható; A 9. (b) ábra egy rezisztív, míg a 9. (c) ábra induktív terhelést mutat. A 9. (b) ábra esetében nehéz megszerezni az első és a második lejtő közötti csúcsot, mivel az áram feszültségfüggő.

Bár mindhárom áramkör egyszerűnek tűnik, nehéz a Qg tesztkörnyezet megtervezése a következő két okból:

Stabil tápegység a pontos időfüggő kimeneti áram és feszültség biztosításához.

Kapuhajtó áramkör, amely pontosan képes mérni az időfüggő feszültséget és áramot.

Új és innovatív Qg tesztelési technika.

Az Agilent Technologies kifejlesztett egy új módszert a teljes Qg görbék megszerzésére (10. ábra, Qg görbe 3). Ezt az összetett görbét két különböző Qg görbéből kapjuk. Az elsőt (Qg 1 görbe) kisfeszültségű és nagyáramú mérőműszerrel, míg a másodikat (Qg 2 görbe) nagyfeszültségű és alacsony áramú mérőműszerrel mérjük.

Kisfeszültségű, nagyáramú műszer biztosítja a Qg görbét az eszköz bekapcsolása során, míg egy nagyfeszültségű, kisáramú műszer biztosítja a Qg görbét, amely megmutatja a készülék Crss függőségét. Ez a technika megszünteti egy nagy áramellátás szükségességét, amely egyébként kötelező a nagyfeszültségű és nagyáramú eszközök esetében.

Az Agilent Technologies kifejlesztett egy állandó áramú forráskapu meghajtóval rendelkező tesztrendszert. Ezt nagyáramú, de kisfeszültségű és nagyfeszültségű, de kisáramú lefolyóforrással (kollektor) együtt alkalmazzák, egyidejű feszültség- és árammintavételi képességgel. Ez az egyedülálló kombináció lehetővé teszi a teljes kapu terhelésének mérését, valamint a kapcsolási idő és az ebből adódó veszteség kiszámítását.

Az alábbi táblázat egy példát mutat be az IGBT és a MOSFET szupertranzisztor jellemzésére a Ron/Qg/Rg/Crss jellemzőinek mérésével. A MOSFET szupertranzisztornak előnyei vannak a kapcsolási veszteség tekintetében, összehasonlítva az IGBT-vel a hasonló körülmények között végzett mérések 20 kHz-nél nagyobb kapcsolási frekvenciájú frekvenciáin.

Eszközértékelés az Agilent Technologies B1506A segítségével.

A B1506A áramellátás-elemző az áramkör tervezéséhez az iparágban elsőként működő asztali műszer, amelynek Qg teszt képessége legfeljebb 1500 A/3 kV. Képes teljes Qg görbéket előállítani 1 nC és 100 µC között egy innovatív új módszer alkalmazásával, amely egy kifinomult kapu meghajtót alkalmaz, érzékeny áramszabályozással kombinálva kisfeszültségű/nagyáramú forrás/minta és alacsony áramforrás/minta képességek/nagyfeszültség kombinációjával. Az IV tulajdonságokon kívül a B1506A képes mérni az eszköz parazita paramétereit is: Rg, Ciss, Crss, Coss, Cgs és Cds. Ezért kétféle szempontból érvényesítheti a tápegységet. Ezenkívül kiszámíthatja a kapcsolási időt (td, tr, tf), a teljesítményveszteségeket (gerjesztés, kapcsolás és vezetés) a Qg görbékből és más mért paraméterekből. Végül a hőmérséklet-függőségi jellemzők –50 ºC és +250 ºC között mérhetők.

Az Agilent Technologies B1506A képes értékelni az összes szükséges áramköri tervezési paramétert a működési feltételek széles skáláján.