Язык 
В современной силовой электронике потери при переключении являются одним из наиболее критических факторов, влияющих
на эффективность системы. С увеличением частот переключения в инверторах для электромобилей, промышленных приводах
и системах возобновляемой энергии инженеры должны тщательно оценивать потери в MOSFET и поведение при переключении.
С внедрением технологии карбида кремнияMOSFETSiC значительно снижают потери при переключении по сравнению с
традиционными кремниевыми устройствами. Однако выполнение точного расчета потерь при переключении в MOSFET
на основе технического описания остается необходимым для теплового проектирования и выбора устройств.
В этой статье объясняется:
как выполнить расчет потерь при переключении вMOSFET
как оценить потери мощности в MOSFET в реальных системах
как технология SiC снижает потери при переключении
как высокопроизводительные модули, такие как RL800N1200A SiC мощностью 2мОм, повышают эффективность инверторов
Что такое потери при переключении вSiC?
Потери при переключении возникают во время перехода между состояниями ВКЛЮЧЕНО и ВЫКЛЮЧЕНО полупроводникового
силового устройства.
Когда MOSFET переключается, напряжение и ток присутствуют одновременно в течение короткого интервала времени. Это
перекрытие вызывает рассеяние энергии.
Потери при переключении могут быть выражены следующим образом:
Psw=12×Vds×Id×(tr+tf)×fswPsw=21×Vds×Id×(tr+tf)×fsw
Где:
VdsVds = напряжение сток-исток
IdId = ток стока
trtr = время нарастания
tftf = время спада
fswfsw = частота переключения
Эта формула составляет основу расчета потерь мощности в MOSFET, используемого инженерами при проектировании
силовых каскадов.
Расчет потерь мощности вMOSFET
Общие потери в MOSFET состоят из двух основных компонентов.
Потери на проводимость
Pcond=I2×Rds(on)Pcond=I2×Rds(on)
Эти потери зависят от:
тока устройства
сопротивления в открытом состоянии
Потери при переключении
Потери при переключении увеличиваются с:
частотой переключения
уровнем напряжения
скоростью переключения
Следовательно, расчет потерь мощности в MOSFET должен учитывать как потери на проводимость, так и потери при
переключении.
MOSFET SiC значительно снижают оба типа потерь благодаря свойствам материала.
Расчет потерь при переключении вMOSFETна основе технического описания
Инженеры обычно выполняют расчет потерь при переключении в MOSFET, используя параметры из технического
описания.
Технические описания обычно предоставляют:
энергию включения EonEon
энергию выключения EoffEoff
Общие потери при переключении могут быть оценены следующим образом:
Psw=(Eon+Eoff)×fswPsw=(Eon+Eoff)×fsw
Этот метод обычно используется при оценке устройств таких производителей, как Infineon.
Например, многие прикладные заметки по расчету потерь при переключении в MOSFET от Infineon рекомендуют использовать
значения энергии переключения при определенных условиях тестирования.
Однако инженеры также должны учитывать:
фактическое сопротивление затвора
индуктивность системы
рабочую температуру
Эти факторы могут существенно повлиять на реальные потери при переключении.
Понимание потерь при переключении вMOSFET SiCна пути к переключению почти без потерь
Развитие технологии MOSFET SiC направлено на снижение потерь при переключении до поведения, близкого к
переключению без потерь.
По сравнению с традиционными кремниевыми IGBT-устройствами, MOSFET SiC предлагают:
более высокую скорость переключения
меньшую выходную емкость
меньшие потери на обратное восстановление
Благодаря этим характеристикам потери при переключении в SiC могут быть намного ниже, чем в обычных кремниевых
устройствах.
В высокочастотных приложениях, таких как инверторы для электромобилей, снижение потерь при переключении может
повысить эффективность системы на несколько процентных пунктов.
Это также позволяет:
использовать меньшие радиаторы
повысить плотность мощности
увеличить частоту переключения
Пример: Анализ потерь при переключении модуляSiC RL800N1200A
Чтобы проиллюстрировать влияние технологии SiC, рассмотрим сильноточный силовой модуль SiC, такой как
RL800N1200A.
Типичные характеристики:
токовая нагрузка 800А
номинальное напряжение 1200В
сверхнизкое Rds(on) 2мОм
оптимизированные характеристики переключения
Низкое сопротивление в открытом состоянии значительно снижает потери на проводимость:
Pcond=I2×Rds(on)Pcond=I2×Rds(on)
Например, при высоких уровнях тока снижение сопротивления с 4мОм до 2мОм может уменьшить потери на проводимость
примерно на 50%.
Кроме того, оптимизированная структура затвора и низкая паразитная индуктивность улучшают производительность переключения
и снижают потери при переключении в SiC.
Эти характеристики делают мощные модули SiC идеальными для:
тяговых инверторов для электромобилей
промышленных преобразователей мощности
систем возобновляемой энергии
Проектные соображения по снижению потерь в MOSFET
Инженеры, проектирующие высокоэффективные преобразователи мощности, должны рассмотреть несколько стратегий для
снижения потерь в MOSFET.
Выбор устройств с низким Rds(on)
Более низкое сопротивление в открытом состоянии значительно снижает потери на проводимость.
Оптимизация проектирования драйвера затвора
Соответствующее сопротивление затвора улучшает скорость переключения и снижает потери.
Снижение паразитной индуктивности
Оптимизированное проектирование модуля и печатной платы минимизирует выбросы напряжения и энергию переключения.
Использование передовых модулей SiC
Высокопроизводительные модули SiC предлагают лучшие характеристики переключения и тепловые показатели.
Заключение
Точный расчет потерь при переключении в MOSFET необходим для проектирования эффективных систем силовой электроники.
Понимая:
расчет потерь мощности в MOSFET
расчет потерь при переключении на основе технического описания
преимущества технологии MOSFET SiC
инженеры могут значительно повысить эффективность и надежность системы.
Современные модули SiC, такие как RL800N1200A мощностью 2мОм, демонстрируют, как передовая полупроводниковая
технология может снизить потери при переключении и обеспечить создание мощных высокоэффективных инверторных систем.
По мере того как силовая электроника продолжает развиваться, оптимизация потерь при переключении в SiC будет играть
ключевую роль в системах следующего поколения для электромобилей, возобновляемой энергии и промышленных применений.
Часто задаваемые вопросы: Потери при переключении вSiC
Как рассчитать потери при переключении в MOSFET?
Потери при переключении могут быть рассчитаны с использованием значений энергии переключения Eon и Eoff, предоставленных
в техническом описании.
Psw=(Eon+Eoff)×fswPsw=(Eon+Eoff)×fsw
Где частота переключения определяет общие потери мощности.
Почему потери при переключении в MOSFET SiC ниже?
Устройства MOSFET SiC имеют меньшую емкость и более быстрые характеристики переключения по сравнению с кремниевыми
устройствами, что значительно снижает энергию переключения.
Что вызывает потери при переключении в MOSFET?
Потери при переключении возникают во время перехода между состояниями включено и выключено, когда напряжение и ток
перекрываются в течение короткого интервала времени.
Как снизить потери мощности в MOSFET?
Потери мощности могут быть снижены путем:
выбора устройств с низким Rds(on)
оптимизации схемы драйвера затвора
снижения паразитной индуктивности
использования высокоэффективных модулей SiC
