Hard and Soft Switching of Power Se

Hard and Soft Switching of Power Semiconductors

This lesson provides the reader the following



(i) To highlight the issues related to device stresses under Hard switching;

(ii) To suggest means of reducing such stresses with external circuitry;

(iii) To propose alternative switching methods for stress reduction;

(iv) Enable the choice of the appropriate switching strategy



Soft and Hard Switching



Semiconductors utilised in Static Power Converters operate in the switching mode to maximise efficiency. Switching frequencies vary from 50 Hz in a SCR based AC-DC Phase Angle Controller to over 1.0 MHz in a MOSFET based power supply. The switching or dynamic behaviour of Power Semiconductor devices thus attracts attention specially for the faster ones for a number of reasons: optimum drive, power dissipation, EMI/RFI issues and switching-aid-networks.



With SCRs’ 'forced commutation' and 'natural (line) commutation' usually described the type of switching. Both refer to the turn-off mechanism of the SCR, the turn-on dynamics being inconsequential for most purposes. A protective inductive snubber to limit the turn-on di / dt is usually utilised. For the SCRs’ the turn-off data helps to dimension the 'commutation components' or to set the 'margin angle'. Conduction losses account for the most significant part of total losses.



Present day fast converters operate at much higher switching frequencies chiefly to reduce weight and size of the filter components. As a consequence, switching losses now tend to predominate, causing the junction temperatures to rise. Special techniques are employed to obtain clean turn-on and turn-off of the devices. This, along with optimal control strategies and improved evacuation of the heat generated, permit utilisation of the devices with a minimum of deration.



This chapter first examines the switching process, estimates the device dissipation and indicates design procedures for the cooling system.



Losses in Power Semiconductors



A converter consists of a few controlled and a few uncontrolled devices (diodes). While the first device is driven to turn-on or off, the uncontrolled device operates mainly as a slave to the former. Power loss in the converter is the aggregate of these losses. Occasionally the diode and the controlled device are housed in the same module. The losses corresponding to each contribute to the temperature rise of the integrated module.

Conduction Losses



Conduction losses are caused by the forward voltage drop when the power semiconductor is on and can be described by (with reference to an IGBT) where I c is the current carried by the device and V ce(sat) (I c ) is the current dependant forward voltage drop. This drop may be expressed as

This relation defines the forward drop of an IGBT in a similar manner to a diode. A part of the drop is constant while another part is collector current dependent.

The given data should be used as follows: Using the numerical value is the most simple way to determine conduction losses. The numerical value can be applied if the current in the device is equal or close to the specified current - data sheet numerical values are specified for typical application currents.



The graph most accurately determines conduction losses. The conditions in which the data are used should correspond to the application. To estimate if a power semiconductor rating is appropriate, usually the values valid for elevated temperature, close to the maximum junction temperature T Jmax , should be used to calculate power losses because this is commonly the operating point at nominal load.

Blocking losses are generated by a low leakage current through the device with a high blocking voltage. Where I L is the leakage current and V b (I) is the current dependemt blocking voltage. Data sheets indicates leakage current at certain blocking voltage and temperature. The dependence between leakage current and applied voltage typically is exponential; this means that using a data sheet value given for a blocking voltage higher than applied overestimates blocking losses. However in general, blocking losses are small and can often, but not always, be neglected.



Switching Losses



IGBTs are designed for use in switching converters and not for linear operation. This means switching time intervals are short compared to the pulse duration at typical switching frequencies, as can be seen from their switching times, such as rise time t r and fall time t f in the data sheets. Switching losses occur during these switching intervals.

Kết quả (Việt) 1:

Cứng và mềm chuyển đổi của chất bán dẫn điện Bài học này cung cấp cho người đọc những điều sau đây (i) để làm nổi bật các vấn đề liên quan đến thiết bị áp lực dưới cứng chuyển đổi; (ii) cho thấy các phương tiện của việc giảm những căng thẳng với bên ngoài mạch; (iii) để đề xuất thay thế các phương pháp chuyển đổi để làm giảm căng thẳng; (iv) sử lựa chọn chiến lược phù hợp chuyển đổi Mềm và cứng chuyển đổi Chất bán dẫn được sử dụng trong tĩnh điện chuyển đổi hoạt động ở chế độ chuyển đổi để tối đa hóa hiệu quả. Chuyển đổi tần số khác nhau từ 50 Hz trong một SCR dựa AC-DC giai đoạn điều khiển góc để hơn 1.0 MHz trong một MOSFET dựa cung cấp năng lượng. Các hành vi tự động bật hoặc năng động của thiết bị điện bán dẫn do đó thu hút sự chú ý đặc biệt cho những nhanh hơn cho một số lý do: tối ưu ổ đĩa, điện tản, EMI/RFI vấn đề và mạng hỗ trợ chuyển đổi. Với SCRs' 'bắt buộc tính' và 'tự nhiên (dòng) tính' thường được mô tả loại chuyển đổi. Cả hai đều đề cập đến cơ chế turn-off SCR, các động thái turn-on là không quan trọng cho hầu hết mục đích. Snubber quy nạp bảo vệ để hạn chế turn-on di / dt thường được sử dụng. Đối với SCRs' dữ liệu turn-off giúp kích thước 'tính thành phần' hoặc thiết 'lề góc'. Dẫn thiệt hại chiếm một phần quan trọng nhất của tất cả các thiệt hại. Ngày nay nhanh chóng chuyển đổi hoạt động tại nhiều cao hơn chuyển đổi tần số chủ yếu để giảm trọng lượng và kích thước của các thành phần bộ lọc. Kết quả là, chuyển mạch thiệt hại bây giờ có xu hướng chiếm ưu thế, gây ra giao lộ nhiệt độ tăng. Kỹ thuật đặc biệt được sử dụng để có được sạch turn-on và turn-off của các thiết bị. Điều này, cùng với chiến lược điều khiển tối ưu và cải thiện di tản nhiệt được tạo ra, cho phép sử dụng các thiết bị với tối thiểu là deration. Chương này lần đầu tiên kiểm tra quá trình chuyển đổi, ước tính thiết bị tản và chỉ ra thiết kế thủ tục cho hệ thống làm mát. Thiệt hại trong chất bán dẫn điện Một chuyển đổi bao gồm một vài điều khiển và thiết bị không kiểm soát được một vài (Điốt). Trong khi thiết bị đầu tiên là lái xe để turn-on hoặc tắt, thiết bị không kiểm soát được hoạt động chủ yếu như một nô lệ cho các cựu. Bị mất điện trong bộ chuyển đổi là sự tổng hợp của những thiệt hại. Đôi khi các diode và kiểm soát thiết bị được đặt trong cùng một mô-đun. Những thiệt hại tương ứng với mỗi đóng góp vào sự gia tăng nhiệt độ của các mô-đun tích hợp. Dẫn thiệt hại Dẫn thiệt hại được gây ra bởi chuyển tiếp điện áp thả khi bán dẫn điện trên và có thể được mô tả bởi (với tham chiếu đến một IGBT) nơi tôi c là hiện nay mang theo điện thoại và V ce(sat) (I c) là chuyển tiếp điện áp thả hiện tại của phụ thuộc. Thả này có thể được biểu thị dưới dạng Mối quan hệ này định nghĩa giọt một IGBT, phía trước một cách tương tự như để một diode. Một phần của thả là hằng số trong khi một phần là nhà sưu tập hiện tại phụ thuộc. The given data should be used as follows: Using the numerical value is the most simple way to determine conduction losses. The numerical value can be applied if the current in the device is equal or close to the specified current - data sheet numerical values are specified for typical application currents. The graph most accurately determines conduction losses. The conditions in which the data are used should correspond to the application. To estimate if a power semiconductor rating is appropriate, usually the values valid for elevated temperature, close to the maximum junction temperature T Jmax , should be used to calculate power losses because this is commonly the operating point at nominal load. Blocking losses are generated by a low leakage current through the device with a high blocking voltage. Where I L is the leakage current and V b (I) is the current dependemt blocking voltage. Data sheets indicates leakage current at certain blocking voltage and temperature. The dependence between leakage current and applied voltage typically is exponential; this means that using a data sheet value given for a blocking voltage higher than applied overestimates blocking losses. However in general, blocking losses are small and can often, but not always, be neglected. Switching Losses IGBTs are designed for use in switching converters and not for linear operation. This means switching time intervals are short compared to the pulse duration at typical switching frequencies, as can be seen from their switching times, such as rise time t r and fall time t f in the data sheets. Switching losses occur during these switching intervals.

Kết quả (Việt) 2:

Chuyển mạch cứng và mềm của điện Semiconductors Bài học này cung cấp cho người đọc những điều sau đây: (i) Để làm nổi bật các vấn đề liên quan đến ứng suất thiết bị theo chuyển mạch cứng; (ii) Đề xuất biện pháp giảm căng thẳng như vậy với mạch điện bên ngoài; (iii) Kiến nghị chuyển đổi thay thế phương pháp giảm stress; (iv) Cho phép lựa chọn các chiến lược chuyển đổi thích hợp mềm và cứng chuyển mạch bán dẫn được sử dụng trong tĩnh điện Bộ chuyển đổi hoạt động trong chế độ chuyển đổi để tối đa hóa hiệu quả. Tần số chuyển mạch thay đổi từ 50 Hz trong một AC-DC pha góc điều khiển SCR dựa vào hơn 1,0 MHz trong một MOSFET dựa cung cấp điện. Việc chuyển đổi hoặc hành vi động của các thiết bị điện bán dẫn do đó thu hút sự chú ý đặc biệt đối với những người nhanh hơn cho một số lý do:. Tối ưu, tản quyền lực, các vấn đề EMI / RFI và chuyển cấp cứu-mạng Với SCRs '' buộc ân giảm 'và' tự nhiên (line) ân giảm 'thường mô tả các kiểu chuyển đổi. Cả hai đề cập đến cơ chế turn-off của SCR, sự năng động turn-on là không quan đối với hầu hết các mục đích. Một snubber quy nạp bảo vệ để hạn chế turn-on di / dt thường được sử dụng. Đối với các SCRs 'dữ liệu turn-off giúp kích thước của các thành phần chuyển mạch hoặc để thiết lập' lề góc '. Các khoản lỗ dẫn cho các phần quan trọng nhất của tổng số thiệt hại. Ngày hiện chuyển đổi nhanh chóng hoạt động ở tần chuyển mạch cao hơn nhiều chủ yếu để giảm trọng lượng và kích thước của các thành phần bộ lọc. Như một hệ quả, tổn thất chuyển đổi doanh nghiệp có xu hướng chiếm ưu thế, gây ra nhiệt độ đường giao nhau để tăng. Kỹ thuật đặc biệt được sử dụng để có được sạch sẽ turn-on và turn-off của các thiết bị. Điều này, cùng với các chiến lược điều khiển tối ưu và cải thiện di tản nhiệt tạo ra, sử dụng giấy phép của thiết bị với tối thiểu là giãm nhẹ thuế. Chương này đầu tiên xem xét các quá trình chuyển đổi, ước tính các thiết bị tản và chỉ ra các thủ tục thiết kế cho các hệ thống làm mát. Tổn thất về điện Semiconductors A chuyển đổi bao gồm một vài kiểm soát và một vài thiết bị không kiểm soát được (điốt). Trong khi các thiết bị đầu tiên được điều khiển để bật-tắt độc lập, các thiết bị không kiểm soát được hoạt động chủ yếu như là một nô lệ cho các cựu. Tổn thất điện năng trong bộ chuyển đổi là tổng hợp của những tổn thất này. Đôi khi các diode và các thiết bị điều khiển được đặt trong cùng một module. Các khoản lỗ tương ứng với từng đóng góp vào sự gia tăng nhiệt độ của mô-đun tích hợp. Conduction Trận thua lỗ Conduction được gây ra bởi sự sụt giảm điện áp về phía trước khi các chất bán dẫn điện được bật lên và có thể được mô tả bởi (với tham chiếu đến một IGBT), nơi tôi c là hiện tại thực hiện bởi các thiết bị và V ce (ngồi) (I c) là phụ thuộc về phía trước điện áp thả hiện tại. Sụt giảm này có thể được diễn tả như mối quan hệ này xác định thả về phía trước của một IGBT trong một cách tương tự như một diode. Một phần của sự sụt giảm là không đổi trong khi một phần khác là nhà sưu tập hiện nay phụ thuộc. Các thông số trên nên được sử dụng như sau: Sử dụng các giá trị số là cách đơn giản nhất để xác định thiệt hại dẫn. Các giá trị số có thể được áp dụng nếu hiện tại trong thiết bị là tương đương hoặc gần với hiện tại quy định -. Bảng dữ liệu giá trị số được quy định cho các dòng điển hình ứng dụng các đồ thị xác định chính xác nhất tổn thất dẫn. Những điều kiện trong đó các dữ liệu được sử dụng phải tương ứng với các ứng dụng. Để ước tính nếu một đánh giá điện bán dẫn là thích hợp, thường các giá trị hợp lệ cho nhiệt độ cao, gần với nhiệt độ đường giao nhau tối đa T Jmax, nên được sử dụng để tính toán tổn thất điện năng vì đây là thường các điểm hoạt động ở tải danh nghĩa. Lỗ Chặn được tạo ra bởi một rò rỉ hiện nay thấp thông qua các thiết bị với một điện áp chặn cao. Nơi IL là rò rỉ hiện tại và V b (I) là điện áp dependemt chặn hiện hành. Các bảng số liệu cho thấy rò rỉ hiện nay ở điện áp nhất định ngăn chặn và nhiệt độ. Sự phụ thuộc giữa điện áp rò rỉ hiện tại và áp dụng thường là hàm mũ; điều này có nghĩa rằng việc sử dụng một giá trị bảng dữ liệu đưa ra cho một điện áp cao hơn so với ước lượng quá chặn ứng dụng chặn thiệt hại. Tuy nhiên nói chung, tổn thất chặn nhỏ và có thể thường xuyên, nhưng không phải luôn luôn, được bỏ qua. Switching Trận IGBTs được thiết kế để sử dụng trong việc chuyển đổi và không cho hoạt động tuyến tính. Điều này có nghĩa là khoảng thời gian chuyển đổi là ngắn so với thời gian xung ở tần số chuyển mạch điển hình, như có thể được nhìn thấy từ lần chuyển đổi của họ, chẳng hạn như tăng thời gian tr và giảm thời gian tf trong bảng dữ liệu. Tổn thất chuyển đổi xảy ra trong những khoảng thời gian chuyển đổi.