Технології та тенденції ринку енергетичної електроніки.

пристрою

Покращена продуктивність сучасних силових пристроїв забезпечує більш компактні та високочастотні імпульсні конструкції джерел живлення. Вважається, що нові пристрої, що з'являються, такі як супертранзистор MOSFET або GaN FET, незабаром замінять традиційні пристрої, такі як силіконовий MOSFET або IGBT. Розроблено імпульсні джерела живлення, що працюють на більш високих частотах, від декількох сотень кГц до більше 1 МГц, і доступні за допомогою цих інноваційних силових пристроїв.

Високочастотна робота зменшує вартість силових ланцюгів за рахунок зменшення розміру магнітної складової. Це, в свою чергу, призводить до менших і легших конструкцій схем. Однак високочастотна комутація збільшує втрати силового пристрою. Основними втратами потужності від імпульсного джерела живлення є втрати, пов'язані з напівпровідниковими силовими пристроями. Тому вибір оптимальних малопотужних пристроїв є важливим при проектуванні силових електронних схем.

Оцінка необхідна для оптимального вибору пристрою живлення.

Вибір правильного силового пристрою для силової електронної схеми вимагає ретельної оцінки багатьох параметрів. Напруга блокування, струм витоку та теплові характеристики є важливими факторами з точки зору надійності. Напруга насичення, порогова напруга, провідність і піковий струм важливі з точки зору продуктивності. Мінімізація втрат потужності є важливою для комплексної розробки ефективної силової електронної схеми.

Втрати силового пристрою можна класифікувати в основному за трьома елементами: втрата збудження, що генерується при роботі силового пристрою; втрати від перемикання, які генеруються при увімкненні або вимкненні пристрою; і втрата провідності, яка генерується, коли пристрій увімкнено (рис. 1). Втрати провідності є домінуючими на частотах перемикання нижче 10 кГц. Втрата збудження та втрата комутації стають домінуючими із збільшенням частоти комутації (рис. 2). Кожен тип втрат потужності можна обчислити за параметрами, властивими пристрою.

Втрати збудження можна розрахувати з заряду затвора (Qg). Втрати на перемикання можна розрахувати з опору затвора (Rg) та паразитних ємностей пристрою (або характеристик навантаження затвора), тоді як втрати провідності можна розрахувати з опору (Ron). Отже, з цього випливає, що для оцінки втрат потужності необхідне випробувальне обладнання, яке може характеризувати ці параметри. Паразитні ємності пристрою поділяються на вхідну ємність (Ciss), вихідну ємність (Coss) та зворотну ємність передачі (Crss).

Вибір силового пристрою, який демонструє хороший баланс між опором Ron та паразитними ємностями пристрою, є першим кроком у розробці ефективної силової електронної схеми. Заряд затвора визначається як загальний обсяг заряду, необхідний для повної активації пристрою живлення. Це також можна розглядати як параметр, який представляє нелінійні характеристики вхідної ємності пристрою (Ciss = Cgs + Cgd). І опір Ron, і паразитні ємності пристрою важливі у високочастотних комутаційних силових пристроях з малим FOM (показник якості), який розраховується як добуток Qg і Ron.

Що таке завантаження дверей?

Заряд затвора - це загальна сума заряду для ввімкнення силового пристрою. Іншими словами, це інтеграція часу струму, який надходить до затвора затвора, коли пристрій переходить в увімкнений стан. Потім втрати збудження розраховуються як добуток навантаження затвора, напруги затвора та частоти.

Як показано на рис. 4, характеристики навантаження дверей представлені у вигляді суцільної кривої, що складається з трьох сегментів з різними нахилами.

Якщо струм затвора (Ig) підтримується постійним, заряд затвора є добутком Ig і часу (t). Потім крива Qg отримується шляхом вимірювання вибірки напруги затвора (Vgs). Перший сегмент кривої Qg представляє зростання Vgs, де Ciss_off завантажується Ig, коли пристрій вимкнено. Він представляється як Vgs = (1/Ciss_off) * Qg. Оскільки Cgs, як правило, набагато більший за Crss, його можна наблизити як Vgs = (1/Cgs) * Qg. Зарядний заряд цього сегмента називається Qgs. Коли Vgs піднімається вище порогової напруги (Vth), сток (або колектор) починає текти. Vgs в цьому сегменті збільшується, поки струм стоку не досягне номінального струму в характеристиках Id-Vgs. У другому плоскосхилому сегменті, в якому пристрій змінюється від включеного до повністю включеного, Vgs не збільшується, оскільки весь струм Ig надходить до Crss. На рисунку 5 показані ємнісні характеристики транзистора, а на рисунку 5 (d) - залежність Crss від напруги. Зміни Crss можна класифікувати за двома різними напрямками:

Коли ви> Vgs, Crss зростає із зменшенням. Величина збільшення заряду Qgd1 становить:

Qgd1 називається дзеркальним навантаженням.

У стані Vgs> Vgd Crss значно збільшується за рахунок каналу, який утворюється під затвором через ввімкнення пристрою. Збільшення заряду Qgd2 становить:

Значення Ciss_on отримують з характеристик Vgs-Ciss, як показано на рис. 5 (c). Заряд цього відрізка називається Qgd.

Розмір Qgd залежить від напруги стоку (або колектора) у стані відключення та стану з'єднання Crss.

Значення Qgd обмежує продуктивність комутації пристрою.

В останньому сегменті пристрій повністю ввімкнено, і зарядка Ciss_on відновлюється. Vgs представляється як Vgs = (1/Ciss_on) * Qg.

Точки проектування ланцюгів приводу.

Конструктори схем використовують характеристики навантаження затвора для проектування ланцюгів приводів воріт і обчислення втрат приводу. Вони визначають напругу на затворі з урахуванням продуктивності пристрою, його дисперсії та несподіваного займання пристрою, а потім зчитують загальну кількість заряду з кривої Qg. Наприклад, припустимо, що крива Qg, показана на рис. 6, отримана з Vds = 600 V e A. Якщо затвор переходить від 0 до 15 В, значення Qg зчитування становитиме 500 нК. Втрата збудження становить 0,15 Вт, якщо частота комутації становить 20 кГц: [P (втрата збудження) = f * Qg * Vg = 20 k * 500 н * 15]. Крім того, якщо ви очікуєте часу наростання 100 нс, тоді потрібно принаймні 5 А [500 нК/100 нс] струму приводу. Недостатній струм збудження затримує швидкість перемикання, що призводить до збільшення втрат при перемиканні. Максимізація струму збудження є важливим параметром при проектуванні схем збудження.

Загалом, рекомендується виводити напругу затвора IGBT з від’ємного значення, щоб уникнути несподіваної активації. Правильне загальне значення Qg отримується із суми значень Qg як в негативному, так і в позитивному регіоні напруги. Наприклад, на рис. 6 напруга на затворі коливається від –15 В до +15 В, а 400 nC потрібно додати до Qg, що призводить до загальних втрат приводу 0,27 Вт: [P (втрата збудження) = 20 k * (400 н + 500 н) * 15].

Крива Qg у поєднанні з характеристиками вихідної напруги пристрою дозволяє детально аналізувати та оптимізувати пристрій живлення в режимі перемикання.

Зв'язок між часом перемикання та навантаженням затвора.

Часто використовується розрахунок часу перемикання на основі перехідної реакції першого порядку характеристик навантаження затвора, опору серії затворів (Rs) та вхідної ємності (Ciss). Rs - це сума опору затвора (Rg) пристрою та зовнішнього резистора, підключеного до затвора.

Напруга Vgs затвора в даний момент часу t представляється за допомогою напруги VGS приводу затвора, як показано нижче:

Тому t дається як:

Постійна часу дається як:

Підставивши Qg = Ciss * Vgs у рівняння (5), отримаємо:

Використовуючи (7) вище, різниця між t1 і t2 така:

Td (увімкнено), Tr, Tf та Td (вимкнено), як вони з’являються в паспорті пристрою, обчислюються з (8), підставляючи відповідні дані: напруга затвора, напруга стоку та струм стоку проти Qg. Зверніться до примітки виробника пристрою щодо визначення кожного параметра часу перемикання.

Рівняння (9) - (12) - це формули часу перемикання, що визначаються напругою затвора та напругою стоку.

Під час затримки, Td (увімкнено): від 10% VGS до 90% VDS

Час зростання, Tr: від 90% VDS до 10% VDS

Час затримки вимкнення, Td (вимк.): 90% VGS до 90% VDS

Час падіння, Tf: від 10% DV до 90% DV

Зв'язок між перемиканням втрат і навантаженням затвора.

Комутаційне навантаження (Qsw) визначається як загальне навантаження в періоді, протягом якого перетинаються напруга стоку і струм стоку. Це приблизно еквівалентно дзеркальному заряду (Qgd1) із рівняння (1). У конструкції перетворювачів постійного струму встановлено розрахунок втрат від перемикання, отриманих з Qsw.

Добуток струму затвора (ig) і часу перемикання (Tsw (увімкнено) або Tsw (вимкнено)) є Qsw, що дозволяє наступний розрахунок втрат від перемикання як для вмикання, так і відключення пристрою. У разі чисто резистивного навантаження Id та Vds перетинаються в середній точці. У разі індуктивного навантаження фаза струму та напруги відрізняється, і коефіцієнт втрат змінюється. Графічне зображення показано на рис. 8.

Проблеми вимірювання навантаження на двері.

Тестова схема для вимірювання кривої Qg часто відображається на паспорті пристрою. На рис. 9 (а) показано схему джерела постійного струму; На рис. 9 (b) зображено пристрій з резистивним навантаженням, тоді як на рис. 9 (b) показано індуктивне навантаження. У випадку з рис. 9 (b) важко отримати вершину між першим і другим нахилами, оскільки струм має залежність напруги.

Незважаючи на те, що всі три схеми здаються простими, важко розробити середовище тестування Qg з наступних двох причин:

Стабільне джерело живлення для забезпечення точних вихідних струмів та напруги, що залежать від часу.

Схема приводу затвора, яка може точно вимірювати залежну від часу напругу та струм.

Нова інноваційна методика тестування Qg.

Agilent Technologies розробила новий метод отримання повних кривих Qg (рис. 10, крива Qg 3). Ця складена крива отримана з двох різних кривих Qg. Перша (крива Qg 1) вимірюється за допомогою приладу для випробування низької напруги та сильного струму, тоді як друга (крива Qg 2) вимірюється приладом для випробування високої напруги та слабкого струму.

Низьковольтний прилад із сильним струмом забезпечує криву Qg під час включення пристрою, тоді як високовольтний прилад із низьким струмом забезпечує криву Qg, що показує залежність Crss від пристрою. Цей метод припиняє потребу у великому джерелі живлення, яке в іншому випадку є обов’язковим для пристроїв високої напруги та сильного струму.

Agilent Technologies розробила випробувальну систему з драйвером джерела постійного струму. Це використовується в поєднанні з джерелом зливу (колектором) із високим струмом, але низькою та низькою напругою, але низьким струмом з одночасною можливістю відбору проб напруги та струму. Ця унікальна комбінація дозволяє вимірювати повне навантаження на затвор, а також розраховувати час перемикання та наслідки втрат.

Приклад характеристики супертранзисторів IGBT та MOSFET показаний у наступній таблиці шляхом вимірювання характеристик Ron/Qg/Rg/Crss. Супертранзистор MOSFET має переваги щодо втрат при перемиканні порівняно з IGBT для частот понад 20 кГц частоти перемикання для вимірювань, зроблених за подібних умов.

Оцінка пристрою за допомогою Agilent Technologies B1506A.

Аналізатор силових пристроїв B1506A для проектування ланцюгів - це перший в галузі настільний прилад, який має здатність випробовувати Qg до 1500 А/3 кВ. Може генерувати повні криві Qg від 1 нС до 100 мкС, використовуючи новий інноваційний метод, використовуючи складний драйвер затвора з чутливим регулюванням струму в поєднанні з низькою напругою/джерелом сильного струму/зразком та можливостями джерела низького струму/зразка/високою напругою. На додаток до IV характеристик B1506A може також вимірювати паразитні параметри пристрою: Rg, Ciss, Crss, Coss, Cgs і Cds. Таким чином, ви можете перевірити пристрій живлення з двох різних точок зору. Крім того, він також може обчислювати час перемикання (td, tr, tf), втрати потужності (збудження, перемикання та провідність) кривих Qg та інші вимірювані параметри. Нарешті, характеристики температурної залежності можна виміряти від –50 ºC до +250 ºC.

Agilent Technologies B1506A може оцінити всі необхідні конструктивні параметри схеми в широкому діапазоні робочих умов.