Управление mosfet'ом с помощью шим.

Управление mosfet'ом с помощью шим.

В одной из прошлых статей мы рассматривали как выбрать mosfet, работающий в ключевом режиме, но в ней ни слова не было сказано про потери мощности, возникающие в результате переключения ключа, или так называемые динамические потери.

А теперь то же самое на понятном языке, представим что у нас есть моторчик и мы хотим его включить, для этого надо подать на него напряжение. Если мы хотим включать моторчик в определённые моменты времени на 10 секунд, то удобно будет последовательно с ним поставить кнопку и нажимать её, когда хотим включить моторчик. Микроконтроллер кнопки нажимать не умеет, поэтому для управления двигателем с помощью микроконтроллера мы заменим кнопку mosfet'ом, в таком случае говорят, что mosfet работает в ключевом режиме, то есть как кнопка или ключ. Как выбрать mosfet для работы в таком режиме мы рассмотрели в этой статье.

Давайте немного изменим задачу, теперь мы хотим управлять скоростью вращения моторчика, используя всё тот же mosfet(моторчик у нас мощный и напрямую подать на него ШИМ нельзя). Самый простой способ сделать это, подать ШИМ на затвор mosfet'а, теперь изменяя коэффициент заполнения ШИМ мы, будем изменять среднее значение напряжения на затворе, таким образом сможем регулировать скорость вращения моторчика. Отличие этого примера от предыдущего в том, что переключение происходит часто, поэтому необходимо учитывать потери мощности на переключение, другими словами, динамические потери.

В таком случае формула для N-mosfet'а будет выглядеть следующим образом:
Управление mosfet'ом с помощью шим.

Начнём с первого слагаемого, которое отвечает за потери мощности на проводимость. Думаю у кого-то мог возникнуть вопрос, откуда там взялась буква D и что она значит?
Буквой D обозначают коэффициент заполнения(Duty Cycle), которая рассчитывается как отношение длительности сигнала к периоду следования импульсов.

Интуитивно понятно, что так, как ключ открыт не постоянно, а открывается на определённое время каждый период, то это надо учитывать, но почему надо умножать именно на коэффициент заполнения?
Для того чтобы разобраться в этом вопросе, давайте посмотрим на картинку ниже.
Управление mosfet'ом с помощью шим.

На картинке видно, что мощность во временной области проявляется всплесками, но при расчётах удобнее будет если мощность будет величиной постоянной во времени, для этого необходимо найти её среднее значение.

Как это сделать?
Мы можем мощность, выделяющуюся во время всплеска равномерно размазать по всему периоду, таким образом получим среднее значение мощности, которое будет выделяться на протяжении всего периода. А так как периоды повторяются то и мощность во временной области станет величиной постоянной. Размазать мощность по периоду очень просто, для этого надо мощность, которая выделяется во время всплеска разделить на период и умножить на время всплеска, что мы и делаем в первом слагаемом.

Всё с первым слагаемым разобрались, перейдём ко второму, которое как раз и отвечает за динамические потери, на рисунке они обозначены жёлтыми треугольниками с надписью Psw.
Управление mosfet'ом с помощью шим.

Но на самом деле этот рисунок может привести к неправильным выводам, что жёлтые треугольники и есть мощность, которая выделяется при переключении, на самом деле график мощности выглядит следующим образом.
Управление mosfet'ом с помощью шим.

Причём вершина графика мощности, будет находиться в точке Id/2 и Uds/2, предлагаю запомнить эти значения, дальше мы ими воспользуемся.

Для теоретического расчёта потерь мощности на переключение, необходимо найти площадь "колокольчика", нарисованного серым цветом, а это значит вычислить интеграл, но, мне кажется, многим читателям это не будет интересным, по этому просто советую запомнить, что потери мощности при переключении примерно равны:
Управление mosfet'ом с помощью шим.


А теперь словами: "СРЕДНЕЕ значение ЗА ВРЕМЯ АКТИВНОГО РЕЖИМА примерно равно половине пиковой мощности."
Почему примерно?
Потому что на самом деле они чуть меньше и мы берём с небольшим запасом. Как видно, значения, которые предлагал запомнить, необходимы для нахождения пиковой мощности.

Теперь надо сделать то же самое, что мы сделали выше, размажем полученную мощность по всему периоду, для этого умножим её на время переключения и разделим на время одного периода, таким образом получим среднее значение мощности за период. А как мы помним периоды повторяются, поэтому мощность можно считать постоянной во времени.
Управление mosfet'ом с помощью шим.

В формуле операция деление на период заменена, умножением на частоту.

Что касается времени переключения, проще всего для его нахождения воспользоваться полным зарядом затвора Qg (который нормируется при заданных Vds, Id и Vgs), взятым из даташита. Тогда ток затвора можно будет найти по формуле Ig = Qg/t, где t — требуемое время переключения.
Почему написал, что это самый простой способ, ведь можно воспользоваться значением ёмкостей? Потому что ёмкости сильно нелинейны и зависят от напряжений и ещё необходимо учитывать эффект Миллера. А полный заряд затвора(Qg) разработчики ввели специально для того, чтобы облегчить нам жизнь.

В принципе на этом можно было бы закончить, но ещё кое-чем хотелось бы поделиться. Если первую формулу переписать через скважность(S) и скважность активного режима(Sa).
Управление mosfet'ом с помощью шим.

Становится понятно почему пишут:
Скважность определяет соотношение между пиковой и средней мощностью импульсов.
комментарии
0