Część 5 Korzyści i problemy wynikające z przełączania z wysoką

Część 5 Korzyści i problemy wynikające z przełączania z wysoką

Część 5
Korzyści i problemy wynikające
z przełączania z wysoką częstotliwością
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
1
Wkład elementów w moc strat
Przetwornica podwyższająca (1)
Przyrządy półprzewodnikowe o kiepskich parametrach
1E+3
1
1E+2
0,8
1E+1
P [W]
100,0%
10,0%
0,6
1E+0
0,4
1E-1
P/Ptot
●
1,0%
0,2
1E-2
1E-3
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
D
Tranzystor (MOSFET)
Kondensator
Dioda
Przetwornica
1
0,1%
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
D
Dławik
Sprawność
Ui = 10 V = const, RL = 100 Ω, fs = 10 kHz
RDS(on) = 2 Ω, ts = 500 ns
UF(TO) = 1 V, rF = 10 mΩ, Qrr = 500 nC
RsL = 1 Ω
RsC = 0,5 Ω
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
2
Wkład elementów w moc strat
Przetwornica podwyższająca (2)
Lepsze parametry statyczne
1E+3
1
1E+2
0,8
1E+1
P [W]
100,0%
10,0%
0,6
1E+0
0,4
1E-1
P/Ptot
●
1,0%
0,2
1E-2
1E-3
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
D
Tranzystor (MOSFET)
Kondensator
Dioda
Przetwornica
1
0,1%
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
D
Dławik
Sprawność
Ui = 10 V = const, RL = 100 Ω, fs = 10 kHz
RDS(on) = 0,01 Ω, ts = 500 ns
UF(TO) = 0,6 V, rF = 1 mΩ, Qrr = 500 nC
RsL = 1 Ω
RsC = 0,5 Ω
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
3
Wkład elementów w moc strat
Przetwornica podwyższająca (3)
Mniej stratne elementy bierne – nie jest to jednak możliwe …
1E+2
1E+1
0,8
1E+0
P [W]
100,0%
1
10,0%
0,6
1E-1
0,4
1E-2
P/Ptot
●
1,0%
0,2
1E-3
1E-4
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
D
Tranzystor (MOSFET)
Kondensator
Dioda
Przetwornica
1
0,1%
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
D
Dławik
Sprawność
Ui = 10 V = const, RL = 100 Ω, fs = 10 kHz
RDS(on) = 0,01 Ω, ts = 500 ns
UF(TO) = 0,6 V, rF = 1 mΩ, Qrr = 500 nC
RsL = 0,1 Ω
RsC = 0,05 Ω
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
4
Wkład elementów w moc strat
Przetwornica podwyższająca (4)
●
… bez ich zmniejszenia, co wymaga wyższej częstotliwości przełączania
1E+3
1
1E+2
100,0%
0,8
1E+0
0,6
1E-1
0,4
10,0%
P/Ptot
P [W]
1E+1
1,0%
1E-2
0,2
1E-3
1E-4
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
D
Tranzystor (MOSFET)
Kondensator
Dioda
Przetwornica
1
0,1%
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
D
Dławik
Sprawność
Ui = 10 V = const, RL = 100 Ω, fs = 500 kHz
RDS(on) = 0,01 Ω, ts = 500 ns
UF(TO) = 0,6 V, rF = 1 mΩ, Qrr = 500 nC
RsL = 0,1 Ω
RsC = 0,05 Ω
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
5
Wkład elementów w moc strat
Przetwornica podwyższająca (5)
To z kolei wymaga stosowania szybszych przyrządów
półprzewodnikowych; zapewne będą mieć gorsze parametry statyczne
1E+2
1
1E+1
0,8
1E+0
P [W]
100,0%
10,0%
0,6
1E-1
0,4
1E-2
P/Ptot
●
1,0%
0,2
1E-3
1E-4
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
D
Tranzystor (MOSFET)
Kondensator
Dioda
Przetwornica
1
0,1%
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
D
Dławik
Sprawność
Ui = 10 V = const, RL = 100 Ω, fs = 500 kHz
RDS(on) = 0,1 Ω, ts = 50 ns
UF(TO) = 0,8 V, rF = 10 mΩ, Qrr = 25 nC
RsL = 0,1 Ω
RsC = 0,05 Ω
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
6
Rzeczywiste układy praktyczne
●
ON Semiconductor

przetwornica
podwyższająca
250 W, 400 V
Elementy
MOSFETy
7,5 W
Diody
12 W
Dławik i kondensatory
Pozostałe
●
Moc strat
16,5 W
8W
Infineon


dwustopniowy
przekształtnik
AC/DC
185 W, 400 V
korektor
podwyższający
współczynnika
mocy +
przetwornica
przepustowa
[Infineon, AN-CoolMOS-09]
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
7
Wpływ częstotliwości przełączania
na parametry dławika
●
Filtracja
∆I=

●
●
D T sUL
L
=
D UL
f sL
tym skuteczniejsza (mniejsze
tętnienie), im większa
indukcyjność
●
Przekaz mocy
W av=

2
L I dc
2
=
P
fs
im większa moc przetwarzana,
tym większą energię należy
zgromadzić w dławiku
●
Wpływ na parametry
konstrukcyjne

L, W ↗ ⇒ V ↗ mc, Pc ↗

L ↗ ⇒ n ↗ m w , Rs ↗ P w ↗

W ↗ ⇒ Idc ↗ mw, Pw, Pc ↗
Wnioski

∆I ↘ L ↗ W ↗ V, m, Pc, Pw ↗

P ↗ W ↗ V, m, Pc, Pw ↗

fs ↗ V, m, Pc, Pw ↘
Oprócz postępu technologii, tylko
wyższa częstotliwość przełączania
pozwala zmniejszyć moc strat
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
8
Wpływ częstotliwości przełączania
na parametry elementów biernych
●
Analiza konkretnego przypadku –
firma Infineon
fs [kHz]
L
100
1,7 mH
300
600 µH
500
310 µH
●
Analogicznie kondensator
∆U=
D T sIC
W av =
●
C
=
C U 2dc
2
D IC
=
f sC
P
fs
Im mniejsze pojemności i
indukcyjności, tym łatwiej dają
się wykonywać jako elementy
scalone
[Miesner, thinQ!™ Silicon Carbide Schottky Diodes…]
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
9
Wpływ częstotliwości przełączania
na wymiary i ciężar elementów biernych
●
●
●
Przy większej częstotliwości
mniejsze są też wymiary i ciężar
elementów biernych
obecnie rzędu 50% powierzchni
i objętości
Układ wzorcowy firmy Infineon
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
10
Straty mocy w kluczu półprzewodnikowym
●
Moc strat (tranzystor)

straty statyczne i dynamiczne
P
●
=P s+P d≈
≈D P onst+ f s (W on+W off )
≈D U on I on+c f s I on U off (t on+t off )
Negatywny wpływ




sprawność
zdolność przetwarzania mocy
▶ umownie I
on(max)∙Uoff(max)
maksymalna częstotliwość pracy
▶ umownie f
max : Pd = Ps
zakres sterowania (sprawność)
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
11
Straty statyczne i dynamiczne
Przetwornica obniżająca
Tylko straty mocy w tranzystorze
RT(on) / RL
Pc = PTs
Tylko straty statyczne
tts / Ts
Pc = PTd
Tylko straty dynamiczne
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
12
Wzajemny wpływ przyrządów półprzewodnikowych
●
Prąd wsteczny wyłączanej diody
płynie przez załączany tranzystor


●
wzrost mocy strat dynamicznych
ryzyko zadziałania zabezpieczeń
Układy: mostki, przetwornice
QL
DH
QL
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
13
Wpływ częstotliwości przełączania
na moc strat w przyrządach półprzewodnikowych
●
Im większa częstotliwość
przełączania, tym większa moc
strat dynamicznych
P d =c f s I on U off (t on+t off )
●
●
Zwiększa to wymiary i ciężar
samego elementu i (głównie)
poprzez układ chłodzenia
Jedyną metodą jej zmniejszenia
jest skrócenie przełączania



●
przyrząd o lepszych parametrach
modyfikacja układu sterowania
ograniczenie zastosowania
tłumików
To jednak powoduje problemy
wynikające z emisji zaburzeń
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
14
Zaburzenia elektromagnetyczne
●
●
Wynikają wprost z przełączania przyrządów półprzewodnikowych
Przewodzone


●
1/πtsw
1/πtp
przez ścieżki drukowane
(rezystancje, indukcyjności)
i pojemności pasożytnicze
wewnątrz układu, na wyjście,
na wejście
Promieniowane


przez ścieżki
przez radiatory
1/Ts
2/Ts
1/tp
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
1/tsw
15
Pozytywny wpływ wyższej częstotliwości
przełączania
●
●
Najniższa częstotliwość w widmie to częstotliwość przełączania
Im wyższa częstotliwość zaburzeń, tym łatwiej je odfiltrować


●
jest to możliwe przy użyciu mniejszych elementów biernych
mniejsza moc strat w filtrach – wyższa sprawność
Mniejsza energia zaburzeń w kluczowym paśmie częstotliwości

potencjał niekorzystnego oddziaływania (zakłócania) jest mniejszy
fs = 300 kHz
fs = 2 MHz
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
16
Kierunki badań nad przyrządami
półprzewodnikowymi mocy – parametry

zwiększenie Ion(max)


zwiększenie Pmax


zmniejszenie Uon (Ron, ron)


zmniejszenie ton, toff

ale niekiedy zmniejszenie di/dt i du/dt
zwiększenie Uoff(max)
zmniejszenie Ioff
zmniejszenie wrażliwości na
stromości di/dt i du/dt
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
17
Kierunki rozwoju w obszarze
średnich mocy i wysokich częstotliwości
●
Przyrządy




diody SBD (SBR) / MPS
struktury pochodne od VDMOS
tranzystory IGBT
tyrystory GTO i MCT
●
Materiały

węglik krzemu (SiC)
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12
18