Tecnologia / Guida tecnica
Meccanismi delle perdite per conduzione e commutazione nei semiconduttori
Un semiconduttore di potenza può dissipare energia durante la conduzione e durante il cambiamento di stato. Questi meccanismi rispondono in modo diverso alla corrente, alla tensione, alla temperatura e alla frequenza degli eventi. Un valore basso di un solo parametro in conduzione non può determinare la perdita complessiva del convertitore.
Distingui il tempo trascorso in uno stato dall'energia durante una transizione.
La perdita è una quantità dipendente dalla forma d'onda; un'etichetta di dispositivo o un parametro tipico non costituiscono un modello completo del punto operativo.
01 / Conduzione
Monitora la caduta di tensione mentre la corrente scorre.
La potenza istantanea di un dispositivo è la tensione ai suoi capi moltiplicata per la corrente che lo attraversa, secondo la convenzione dei segni indicata.
La potenza istantanea di un dispositivo è la tensione ai suoi capi moltiplicata per la corrente che lo attraversa, secondo la convenzione dei segni dichiarata. Un interruttore in conduzione presenta una caduta di tensione non nulla, quindi viene dissipata energia anche tra gli eventi di commutazione.
Per un MOSFET semplificato pienamente in conduzione, con resistenza in conduzione approssimativamente costante, la perdita per conduzione può essere rappresentata da Irms² Rds(on) nel periodo definito. Tale resistenza dipende dalle condizioni applicabili al dispositivo; non è una costante universale del materiale.
02 / Diversi stati di conduzione
Evitare di utilizzare un unico modello di resistenza per tutti i dispositivi.
Lo stato di conduzione di un IGBT viene comunemente rappresentato mediante un offset di tensione e una pendenza nell'intervallo di validità, anziché mediante la sola resistenza di conduzione come per un MOSFET.
Lo stato di conduzione di un IGBT è comunemente rappresentato con un offset di tensione e una pendenza entro un intervallo applicabile, anziché con la sola resistenza di conduzione come per un MOSFET. I diodi e gli altri percorsi coinvolti aggiungono le proprie cadute di tensione.
La nota di Infineon sulle perdite distingue questi meccanismi utilizzando modelli di dispositivi specificati. Il confronto fisico riguarda la forma d'onda e il comportamento in conduzione, senza dimostrare che un tipo di dispositivo produca sempre perdite inferiori.
03 / Energia di transizione.
Integrare la sovrapposizione tensione-corrente nel tempo.
Durante una transizione reale, la tensione e la corrente del dispositivo non cambiano necessariamente in modo istantaneo.
Durante una transizione reale, la tensione e la corrente del dispositivo non cambiano necessariamente in modo istantaneo. La loro sovrapposizione contribuisce all'energia E = ∫v(t)i(t)dt nel corso di un evento definito. Anche gli effetti di carica, il recupero e il circuito circostante possono influenzare l'evento.
Una transizione visibile più breve non costituisce di per sé una misurazione completa dell'energia. Le forme d'onda di tensione e corrente, la definizione dell'intervallo e i contributi inclusi determinano il significato di un valore riportato di energia di accensione o di spegnimento.
04 / Potenza media
Calcola il numero di eventi applicabili per unità di tempo.
Se le stesse energie di accensione e spegnimento si ripetono una volta per ciclo, in condizioni invariate, una semplice stima è Psw ≈ fsw(Eon + Eoff).
Se le stesse energie di accensione e spegnimento si ripetono una volta per ciclo, in condizioni invariate, una semplice stima è Psw ≈ fsw(Eon + Eoff). Infineon descrive questa relazione tra energia e frequenza per i suoi dispositivi di esempio.
In un caso aritmetico ipotetico, un'energia complessiva di 1 mJ per ciclo ripetuta a 10,000 cycles/s dà 10 W. Non si tratta di una perdita MARSTON né di una raccomandazione sulla frequenza; modificare le condizioni della forma d'onda può modificare l'energia per ciclo.
05 / Interazione termica
Riconoscere che le perdite e la temperatura interagiscono.
Le perdite generano calore, mentre la temperatura può modificare il comportamento di conduzione e commutazione.
Le perdite producono calore, mentre la temperatura può modificare il comportamento in conduzione e in commutazione. Un valore dichiarato per una condizione non dovrebbe essere riutilizzato per un'altra senza segnalarlo. Oltre al picco, conta anche il regime temporale della corrente nella forma d'onda.
La perdita di potenza, la temperatura di giunzione e la temperatura ambiente dell'armadio descrivono grandezze diverse. La Guida SOA Spiega perché la durata e le condizioni termiche sono importanti oltre a un singolo valore di potenza.
06 / Limite dell'ambito di applicazione
Separa il modello del dispositivo dall'efficienza complessiva del convertitore.
Un convertitore presenta anche perdite magnetiche, capacitive, di interconnessione e ausiliarie.
Un convertitore presenta anche perdite magnetiche, capacitive, di interconnessione e ausiliarie. La sola somma di alcuni termini di perdita dei semiconduttori non fornisce necessariamente il rendimento complessivo tra ingresso e uscita. Il confine considerato deve rimanere esplicito.
Qui non viene specificato alcun tipo di semiconduttore MARSTON, perdita misurata, energia di commutazione o parametro termico. La pagina spiega i meccanismi senza sostituzioni di dispositivi, modifiche al pilotaggio del gate o regolazioni operative.
Prosegui la verifica con MOSFET, IGBT & SiC: Tipi di dispositivi e piattaforme basate sui materiali.
Prosegui la verifica con Area di funzionamento sicuro del dispositivo di potenza: condizioni e durata.
Prosegui la verifica con Frequenza di commutazione PWM, portante e fondamentale.
Continua la valutazione del dispositivo di commutazione con pilotaggio del gate sul lato alto e alimentazioni bootstrap e Capacità di Miller e carica di gate. Per ulteriori argomenti sulla commutazione, consulta induttanza parassita e sovraelongazione in commutazione e recupero inverso del diodo.
Informazioni generali: Infineon: modelli di conduzione e relazioni tra energia di transizione e perdite. Questi riferimenti spiegano concetti del settore; sono distinti dai documenti MARSTON di prodotto e di progetto applicabili.
Concetti e condizioni fondamentali.
Leggere ogni grandezza insieme al riferimento, alle unità e alle condizioni dichiarate. Una relazione generale non stabilisce un valore specifico di un modello.
| Concetto / grandezza | Significato / relazione | Condizioni / limiti |
|---|---|---|
| Potenza istantanea | v(t)i(t) in W | Convenzioni di segno dichiarate per la tensione e la corrente del dispositivo. |
| Stato di conduzione del MOSFET | Irms² Rds(on) | Modello semplificato in piena conduzione e relative condizioni. |
| Energia di transizione. | ∫v(t)i(t)dt in J | Evento definito e contributi inclusi. |
| Perdita di commutazione | fsw(Eon + Eoff) | Eventi ripetuti uguali in condizioni invariate. |
| Stato termico | Giunzione e ambiente separatamente | La perdita e la temperatura interagiscono. |
Domande ingegneristiche.
Una bassa resistenza in conduzione può dimostrare che le perdite totali sono minime?
No. Anche le transizioni, i percorsi alternativi e le condizioni operative sono importanti.
Un IGBT è rappresentato soltanto da Rds(on)?
No. Il suo comportamento in conduzione si descrive con un diverso modello applicabile.
Raddoppiare fsw raddoppia sempre esattamente la perdita di commutazione?
Solo nella stima semplificata, con energie degli eventi invariate.
1 mJ e 10 W sono misure effettuate sul prodotto?
No, si tratta di valori aritmetici ipotetici.
La temperatura ambiente nell'armadio coincide con la temperatura di giunzione?
No. Le condizioni di flusso del calore le separano.
La pagina fornisce indicazioni sul pilotaggio del gate o sulla sostituzione dei dispositivi?
No. Spiega solo i meccanismi di perdita.
Richiesta tecnica
Discutere la questione tecnica.
Un semiconduttore di potenza può dissipare energia durante la conduzione e durante il cambiamento di stato. Condividi il modello e le informazioni operative o di progettazione applicabili per una discussione tecnica.