Технологии и пазарни тенденции в силовата електроника.

силово

Подобрената производителност на по-модерните захранващи устройства позволява по-компактни и по-високочестотни импулсни захранващи конструкции. Смята се, че нови устройства, които се появяват, като MOSFET или GaN FET супер-транзистор, скоро ще заменят традиционните устройства като силиконовия MOSFET или IGBT. Превключващите захранващи устройства, работещи на по-високи честоти, от няколкостотин kHz на повече от 1 MHz, са разработени и се предлагат с помощта на тези иновативни захранващи устройства.

Високочестотната работа намалява цената на силовите вериги, като намалява размера на магнитния компонент. Това от своя страна води до по-малки и по-леки проекти на вериги. Високочестотното превключване обаче увеличава загубата на захранващото устройство. Основната загуба на мощност от импулсно захранване е загубата, свързана с полупроводниковите захранващи устройства. Следователно изборът на оптималните устройства с ниска мощност е от съществено значение при проектирането на силови електронни схеми.

Необходима е оценка за избор на оптимално захранващо устройство.

Изборът на правилното захранващо устройство за силова електронна схема изисква задълбочена оценка на много параметри. Блокиращото напрежение, токът на утечка и топлинните характеристики са важни фактори от гледна точка на надеждността. Напрежението на насищане, праговото напрежение, свръхпроводимостта и пиковият ток са важни от гледна точка на производителността. Минимизирането на загубите на мощност е от съществено значение за цялостния дизайн на ефективна силова електронна схема.

Загубите на силовото устройство могат да бъдат класифицирани главно в три елемента: загуба на възбуждане, която се генерира при работа на силовото устройство; загуба при превключване, която се генерира при включване или изключване на устройството; и загуба на проводимост, която се генерира, докато устройството е включено (Фигура 1). Загубата на проводимост е доминираща при превключване на честоти под 10 kHz. Загубата на възбуждане и загубата на превключване стават доминиращи с увеличаването на честотата на превключване (Фигура 2). Всеки тип загуба на мощност може да се изчисли чрез параметри, присъщи на устройството.

Загубата на възбуждане може да се изчисли от заряда на затвора (Qg). Загубата при превключване може да се изчисли от съпротивлението на портата (Rg) и паразитните капацитети на устройството (или характеристиките на натоварването на портата), докато загубата на проводимост може да се изчисли от съпротивлението (Ron). Следователно от това следва, че за оценка на загубата на мощност е необходимо оборудване за изпитване, което може да характеризира тези параметри. Паразитните капацитети на устройството са разделени на входен капацитет (Ciss), изходен капацитет (Coss) и обратен трансферен капацитет (Crss).

Изборът на захранващо устройство, което показва добър баланс между съпротивлението на Ron и паразитните капацитети на устройството, е първата стъпка при проектирането на ефективна силова електронна схема. Зареждането на порта се определя като общия размер на зареждането, необходим за пълно активиране на захранващо устройство. Той може да се разглежда и като параметър, който представлява нелинейните характеристики на входния капацитет на устройството (Ciss = Cgs + Cgd). Както съпротивлението Ron, така и паразитните капацитети на устройството са важни при високочестотните импулсни силови устройства с малък FOM (стойност на заслугата), което се изчислява като произведение на Qg и Ron.

Какво е зареждането на вратите?

Зарядът на портата е общият размер на зареждането за включване на захранващо устройство. С други думи, това е интеграцията на времето на тока, който тече към терминала на портата, когато устройството преминава в включено състояние. След това загубата на възбуждане се изчислява като произведение от натоварването на портата, напрежението на портата и честотата.

Както е показано на фиг. 4, характеристиките на натоварването на вратата са представени като непрекъсната крива, състояща се от три сегмента с различни наклони.

Ако токът на затвора (Ig) се поддържа постоянен, зарядът на затвора е произведение на Ig и време (t). След това Qg кривата се получава чрез извършване на измерване на измерване на напрежението на затвора (Vgs). Първият сегмент на Qg кривата представлява покачването на Vgs, където Ciss_off се зарежда от Ig, докато устройството е изключено. Представя се като Vgs = (1/Ciss_off) * Qg. Тъй като Cgs обикновено е много по-голям от Crss, той може да бъде приближен като Vgs = (1/Cgs) * Qg. Порталният заряд на този сегмент се нарича Qgs. Когато Vgs се издигне над праговото напрежение (Vth), изтичащият (или колекторният) ток започва да тече. Vgs в този сегмент се увеличава, докато източният ток достигне номиналния ток в характеристиките Id-Vgs. Във втория плоско наклонен сегмент, в който устройството се променя от включено до напълно включено, Vgs не се увеличава, тъй като всички текущи Ig текат към Crss. На фигура 5 са ​​показани капацитетните характеристики на транзистора, а на фигура 5 (d) е показана зависимостта на Crss от напрежението. Промените в Crss могат да бъдат класифицирани в две различни области:

Когато сте> Vgs, Crss се увеличава, докато намалявате. Количеството на нарастване на заряда от Qgd1 е:

Qgd1 се нарича огледално натоварване.

В състоянието Vgs> Vgd Crss се увеличава значително от канала, който се образува под портата поради включването на устройството. Увеличението на заряда на Qgd2 е:

Стойността на Ciss_on се получава от характеристиките на Vgs-Ciss, както е показано на фиг. 5 (c). Зарядът на този сегмент се нарича Qgd.

Размерът на Qgd зависи от изтичащото (или колекторното) напрежение в състояние на изключване и състоянието на свързване на Crss.

Стойността на Qgd ограничава ефективността на превключване на устройството.

В последния сегмент устройството е напълно захранвано и зареждането на Ciss_on се възобновява. Vgs се представя като Vgs = (1/Ciss_on) * Qg.

Проектни точки за задвижващи вериги.

Дизайнерите на вериги използват характеристики на натоварването на затвора, за да проектират задвижващи вериги на затвора и да изчисляват загубата на задвижване. Те определят напрежението на задвижване на портата, като вземат предвид производителността на устройството, неговата дисперсия и неочакваното запалване на устройството и след това отчитат общото количество заряд от Qg кривата. Да предположим например, че кривата Qg, показана на фиг. 6, е получена с Vds = 600 V e A. Ако портата преминава от 0 до 15 V, стойността на Qg отчетеното ще бъде 500 nC. Загубата на възбуждане е 0,15 W, ако честотата на превключване е 20 kHz: [P (загуба на възбуждане) = f * Qg * Vg = 20 k * 500 n * 15]. Също така, ако очаквате време на нарастване от 100 ns, тогава са необходими поне 5 A [500 nC/100 ns] задвижващ ток. Недостатъчният възбудителен ток забавя скоростта на превключване, което води до повишена загуба на превключване. Максимизирането на възбудителния ток е важен параметър при проектирането на възбудителни вериги.

По принцип се препоръчва да се преведе напрежението на порта на IGBT от отрицателна стойност, за да се избегне неочаквано активиране. Точната обща стойност на Qg се получава от сумата от стойностите на Qg както в отрицателния, така и в положителния регион на напрежение. Например, на фиг. 6 напрежението на затвора варира от –15 V до +15 V и 400 nC трябва да се добавят към Qg, което води до обща загуба на задвижване от 0,27 W: [P (загуба на възбуждане) = 20 k * (400 n + 500 n) * 15].

Кривата Qg в комбинация с характеристиките на изходното напрежение на устройството позволява подробен анализ и оптимизация на захранващо устройство в режим на превключване.

Връзка между времето за превключване и натоварването на портата.

Изчисляването на времето за превключване често се използва въз основа на преходен отговор от първи ред на характеристиките на натоварването на портата, съпротивлението на серията на портата (Rs) и входния капацитет (Ciss). Rs е сумата от съпротивлението на портата (Rg) на устройството и външен резистор, свързан към портата.

Напрежението на портата Vgs, в даден момент t, се представя, като се използва напрежението VGS на задвижването на вратата, както следва:

Следователно, t се дава като:

Константата на времето се дава като:

Със заместването на Qg = Ciss * Vgs в уравнение (5) получаваме:

Използването на (7) над разликата между t1 и t2 е както следва:

Td (включено), Tr, Tf и Td (изключено), както се появяват в техническия лист на дадено устройство, се изчисляват от (8) чрез заместване на съответните данни за: напрежение на затвора, напрежение на източване и ток на източване спрямо Qg. Консултирайте се с бележката на производителя на устройството за дефиницията на всеки параметър за време на превключване.

Уравнения (9) до (12) са формули за време на превключване, дефинирани от напрежението на затвора и напрежението на източване.

Време на закъснение, Td (Включено): 10% VGS до 90% VDS

Време на нарастване, Tr: 90% VDS до 10% VDS

Време за забавяне при изключване, Td (изключено): 90% VGS до 90% VDS

Време на падане, Tf: 10% DV до 90% DV

Връзка между загубата на превключване и натоварването на портата.

Превключващото натоварване (Qsw) се дефинира като общото натоварване в периода, през който се пресичат напрежението на източване и тока на източване. Той е приблизително еквивалентен на огледалния заряд (Qgd1) от уравнение (1). При проектирането на DC-DC преобразуватели има изчисление на комутационните загуби, получени от Qsw.

Продуктът на тока на затвора (ig) и времето за превключване (Tsw (включено) или Tsw (изключено)) е Qsw, което позволява следното изчисляване на загубата при превключване както за включване, така и за изключване на устройството. В случай на чисто съпротивителен товар Id и Vds се пресичат в средната точка. В случай на индуктивно натоварване фазата на тока и напрежението е различна и факторът на загубата се променя. Графично представяне е показано на фиг. 8.

Предизвикателства при измерването на натоварването на вратите.

Тестова схема за измерване на Qg крива често се показва на информационния лист на устройството. На фиг. 9 (а) е показана верига с постоянен ток; Фиг. 9 (b) показва такъв с резистивен товар, докато Фиг. 9 (c) показва такъв с индуктивен товар. В случая на фиг. 9 (б) е трудно да се получи върхът между първия и втория наклон, тъй като токът има зависимост от напрежението.

Въпреки че и трите вериги изглеждат прости, е трудно да се проектира Qg среда за тестване поради следните две причини:

Стабилно захранване за осигуряване на точен зависим от времето изходен ток и напрежение.

Задвижваща верига на портата, която може точно да измерва напрежението и тока, зависими от времето.

Нова иновативна техника за тестване на Qg.

Agilent Technologies разработи нов метод за получаване на пълни Qg криви (Фиг. 10, Qg крива 3). Тази съставна крива се получава от две различни Qg криви. Първият (крива Qg 1) се измерва с инструмент за изпитване с ниско напрежение и силен ток, докато вторият (крива Qg 2) се измерва с инструмент за изпитване с високо напрежение и слаб ток.

Инструментът с ниско напрежение и силен ток осигурява Qg крива по време на включване на устройството, докато инструментът с високо напрежение и слаб ток осигурява Qg крива, показваща Crss зависимостта на устройството. Тази техника прекратява необходимостта от голямо захранване, което иначе е задължително за устройства с високо напрежение и силен ток.

Agilent Technologies разработи тестова система с постоянен токов драйвер за източник на ток. Това се използва в комбинация с източник на източване (колектор) с висок ток, но с ниско напрежение и с високо напрежение, но с нисък ток с възможност за едновременно вземане на проби от напрежение и ток. Тази уникална комбинация позволява измерване на пълното натоварване на портата и изчисляване на времето за превключване и произтичащата от това загуба.

Примерна характеристика на IGBT и MOSFET супер-транзистори е показана в следващата таблица чрез измерване на характеристиките на Ron/Qg/Rg/Crss. Супер-транзисторът MOSFET има предимства по отношение на загубата на превключване в сравнение с IGBT за честоти над 20 kHz на честота на превключване за измервания, проведени при подобни условия.

Оценка на устройството с помощта на Agilent Technologies B1506A.

Анализаторът на захранващо устройство B1506A за верижна конструкция е първият в индустрията настолен инструмент, който има способност за Qg тест до 1500 A/3 kV. Може да генерира пълни Qg криви от 1 nC до 100 µC, използвайки иновативен нов метод, използващ сложен драйвер за порта с чувствителен контрол на тока в комбинация с ниско напрежение/източник на силен ток/проба и възможности на източник на слаб ток/проба/високо напрежение. В допълнение към IV характеристики B1506A може да измерва и паразитни параметри на устройството: Rg, Ciss, Crss, Coss, Cgs и Cds. Следователно можете да проверите захранващото устройство от две различни гледни точки. В допълнение, той може също да изчисли времето за превключване (td, tr, tf), загубите на мощност (възбуждане, превключване и проводимост) от Qg криви и други измерени параметри. И накрая, характеристиките на температурната зависимост могат да бъдат измерени от –50 ºC до +250 ºC.

Agilent Technologies B1506A може да оцени всички необходими конструктивни параметри на веригата при широк диапазон от работни условия.