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 кремния MOSFET SiC 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 в MOSFET
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 в SiC?

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:

$P_{s w} = \frac{1}{2} \times V_{d s} \times I_{d} \times (t_{r} + t_{f}) \times f_{s w}$

Где:

$V_{d s}$ = напряжение сток-исток
$I_{d}$ = ток стока
$t_{r}$ = время нарастания
$t_{f}$ = время спада
$f_{s w}$ = частота переключения

Эта формула составляет основу расчета потерь мощности в MOSFET, используемого инженерами при проектировании силовых каскадов.

Расчет потерь мощности в MOSFET

Общие потери в MOSFET состоят из двух основных компонентов.

Потери на проводимость

$P_{c o n d} = I^{2} \times R_{d s (o n)}$

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 в MOSFET на основе технического описания

Инженеры обычно выполняют расчет потерь при переключении в MOSFET, используя параметры из технического описания.

Технические описания обычно предоставляют:

энергию включения $E_{o n}$
энергию выключения $E_{o f f}$

Общие потери при переключении могут быть оценены следующим образом:

$P_{s w} = (E_{o n} + E_{o f f}) \times f_{s w}$

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 в MOSFET SiC на 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 модуля SiC 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:

$P_{c o n d} = I^{2} \times R_{d s (o n)}$

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 в SiC

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.

$P_{s w} = (E_{o n} + E_{o f f}) \times f_{s w}$

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: