Tecnología / Guía técnica
Mecanismos de pérdidas por conducción y conmutación en semiconductores
Un semiconductor de potencia puede disipar energía mientras conduce y mientras cambia de estado. Estos mecanismos responden de manera diferente a la corriente, la tensión, la temperatura y la frecuencia de los eventos. Un valor bajo de un parámetro en estado de conducción no basta por sí solo para determinar las pérdidas totales del convertidor.
Separar el tiempo en un estado de la energía durante una transición.
La pérdida es una magnitud que depende de la forma de onda; la etiqueta de un dispositivo o un único parámetro típico no constituyen un modelo completo del punto de funcionamiento.
01 / Conducción
Mide la caída de voltaje mientras circula la corriente.
La potencia instantánea de un dispositivo es el producto de la tensión y la corriente que lo atraviesa, según la convención de signos establecida.
La potencia instantánea de un dispositivo es la tensión entre sus terminales multiplicada por la corriente que lo atraviesa, según la convención de signos indicada. Un interruptor en conducción presenta una caída de tensión no nula, por lo que se disipa energía incluso entre eventos de conmutación.
Para un MOSFET simplificado plenamente activado, con una resistencia en conducción aproximadamente constante, la pérdida por conducción puede representarse mediante Irms² Rds(on) durante el período definido. Esa resistencia depende de las condiciones aplicables al dispositivo; no es una constante universal del material.
02 / Diferentes estados de conducción
Evitar utilizar un mismo modelo de resistencia para cada dispositivo.
El estado de conducción de un IGBT suele representarse mediante una tensión de offset y una pendiente dentro de un intervalo aplicable, en lugar de únicamente mediante una resistencia en conducción como la de un MOSFET.
El estado de conducción de un IGBT suele representarse mediante un término constante de tensión y una pendiente dentro de un intervalo aplicable, en lugar de únicamente mediante una resistencia de conducción como la de un MOSFET. Los diodos y las demás vías que intervienen añaden sus propias caídas de tensión.
La nota de pérdida de Infineon separa estos mecanismos utilizando modelos de dispositivos especificados. La comparación física se centra en la forma de la onda y el comportamiento en estado de encendido, no en una prueba que demuestre que un tipo de dispositivo siempre produce menores pérdidas.
03 / Energía de transición
Integrar la superposición voltaje-corriente en el tiempo.
Durante una transición real, el voltaje y la corriente del dispositivo no necesitan cambiar instantáneamente.
Durante una transición real, la tensión y la corriente del dispositivo no tienen por qué cambiar instantáneamente. Su solapamiento aporta una energía E = ∫v(t)i(t)dt durante un evento definido. Los efectos de carga, la recuperación y el circuito circundante también pueden influir en el evento.
Una transición visible más corta no es, por sí misma, una medición completa de la energía. La forma de la onda voltaje-corriente, la definición del intervalo y las contribuciones incluidas determinan qué significa una energía de encendido o apagado reportada.
04 / Potencia promedio
Contar los eventos aplicables por unidad de tiempo.
Si las mismas energías de encendido y apagado recurren una vez por ciclo bajo condiciones sin cambios, una estimación simple es Psw ≈ fsw(Eon + Eoff).
Si las mismas energías de encendido y apagado recurren una vez por ciclo bajo condiciones sin cambios, una estimación simple es Psw ≈ fsw(Eon + Eoff). Infineon describe esta relación entre energía y frecuencia para sus dispositivos de ejemplo.
En un ejemplo de cálculo hipotético, una energía combinada de 1 mJ por ciclo repetida a 10,000 ciclos/s da 10 W. Esto no es una pérdida de MARSTON ni una recomendación de frecuencia; cambiar las condiciones de la forma de onda puede cambiar la energía por ciclo.
05 / Interacción térmica
Reconocer que las pérdidas y la temperatura son interdependientes.
Las pérdidas generan calor, mientras que la temperatura puede modificar el comportamiento de conducción y conmutación.
Las pérdidas generan calor, mientras que la temperatura puede modificar el comportamiento de conducción y conmutación. Un valor indicado para una condición no debe reutilizarse en otra sin advertirlo. Además del pico, también importa el régimen de corriente de la forma de onda.
Las pérdidas de potencia, la temperatura de unión y la temperatura ambiente del armario describen magnitudes diferentes. El Guía de SOA Explica por qué la duración y las condiciones térmicas son importantes más allá de un único valor de potencia.
06 / Límite del alcance
Separa el modelo del dispositivo de la eficiencia general del convertidor.
Un convertidor también presenta pérdidas magnéticas, capacitivas, de interconexión y auxiliares.
Un convertidor también presenta pérdidas magnéticas, capacitivas, de interconexión y auxiliares. Sumar únicamente determinados términos de pérdidas de los semiconductores no proporciona necesariamente la eficiencia total de entrada a salida. El límite considerado debe mantenerse explícito.
Aquí no se especifica ningún tipo de semiconductor, pérdida medida, energía de conmutación ni parámetro térmico de MARSTON. La página explica los mecanismos sin sustituir dispositivos, modificar el accionamiento de puerta ni realizar ajustes operativos.
Continúe la revisión con MOSFET, IGBT & SiC: Tipos de dispositivos y plataformas de materiales..
Continúe la revisión con Área de Operación Segura para Dispositivos de Potencia: Condiciones y Duración..
Continúe la revisión con Frecuencia de conmutación PWM, portadora y fundamental.
Continúe la revisión del dispositivo de conmutación con accionamiento de puerta del lado alto y fuentes de alimentación bootstrap y Capacidad de Miller y carga en la puerta.. Para otros temas de conmutación, consulte inductancia parásita y sobreimpulso de conmutación y recuperación inversa del diodo.
Trasfondo general: Infineon: modelos de conducción y relaciones de pérdidas de energía durante las transiciones. Estas referencias explican conceptos del sector; son independientes de los documentos aplicables del producto y del proyecto MARSTON.
Conceptos y condiciones principales.
Lea cada cantidad con su referencia, unidades y condiciones especificadas. Una relación general no establece un valor específico para un modelo.
| Concepto / magnitud | Significado / relación | Condiciones / límites |
|---|---|---|
| Potencia instantánea | v(t)i(t) en W | Signos declarados de la tensión y la corriente del dispositivo. |
| Estado de conducción del MOSFET | Irms² Rds(on) | Modelo simplificado en conducción plena y sus condiciones. |
| Energía de transición | ∫v(t)i(t)dt en J | Evento definido y contribuciones incluidas. |
| Pérdida por conmutación | fsw(Eon + Eoff) | Eventos repetidos iguales bajo condiciones sin cambios. |
| Estado térmico | Unión y entorno por separado | La pérdida y la temperatura interactúan. |
Preguntas de ingeniería.
¿Puede una baja resistencia en conducción establecer una pérdida total mínima?
No. Las transiciones, otros caminos y las condiciones de funcionamiento también son importantes.
¿Se representa un IGBT únicamente mediante Rds(on)?
No. Su comportamiento en estado de conducción utiliza otro modelo aplicable.
¿Duplicar fsw siempre duplica exactamente las pérdidas por conmutación?
Solo en la estimación simplificada con energías de evento sin cambios.
¿Son 1 mJ y 10 W medidas de producto?
No. Son valores aritméticos hipotéticos.
¿Es la temperatura ambiente del gabinete la misma que la temperatura de unión?
No. Las condiciones de flujo de calor distinguen esas magnitudes.
¿La página ofrece orientación sobre la excitación de puerta o la sustitución de dispositivos?
No. Explica únicamente los mecanismos de pérdida.
Consulta técnica
Comenta la cuestión técnica.
Un semiconductor de potencia puede disipar energía tanto durante la conducción como durante los cambios de estado. Comparta el modelo y la información de funcionamiento o diseño aplicable para una consulta de ingeniería.