¿Qué tan corto es lo suficientemente corto como para medir el pulso?

  

¿El 2% de la señal del ciclo de trabajo causa la disipación de energía del 2%?

Si el dispositivo no se ve afectado por el cambio de temperatura, un ciclo de trabajo del 2% causará un 2% de la disipación de potencia en estado estable en promedio . Sin embargo, durante el breve tiempo que se enciende, el dispositivo recibirá toda la potencia, lo que provocará un aumento más alto de la temperatura peak en su interior.

La temperatura interna alta dependerá de la potencia instantánea, del tiempo de aplicación, de la masa térmica de la parte activa (la "unión" en un MOSFET) y de las resistencias térmicas de cualquier "disipador de calor". debe ser ambiental (sustrato, marco de plomo, cables, embalaje, disipador de calor externo, PCB, etc.).

Si conoce todos los parámetros térmicos, puede calcular el aumento de temperatura analizando un "circuito equivalente" electrónico en el que la masa térmica está representada por condensadores y la resistencia térmica por resistencias. La potencia térmica es 'actual', y la temperatura es 'voltaje'. El circuito podría verse así: -

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

40W vatios de potencia térmica (representados por el generador de corriente) se bombean directamente a la unión. Debido a que la unión tiene una masa térmica baja (Cj), se "cargará" (aumentará la temperatura) muy rápidamente. Sin embargo, está en contacto cercano con el sustrato, que extrae el calor (a través de la 'resistencia' Rjs) para llenar su propio 'capacitor' térmico. Esto continúa hacia abajo en la línea, con cada componente inicialmente absorbiendo calor y luego pasándolo hasta que finalmente el calor se va a "tierra" (ambiente).

En cada etapa, las diferentes capacitancias crean diferentes constantes de tiempo térmicas, y las resistencias provocan un aumento de la temperatura a medida que el calor fluye a través de ellas. La unión es pequeña, por lo que su temperatura aumenta muy rápidamente, y eventualmente se estabiliza cuando todo el calor fluye a través de Rjs hasta el sustrato. Pero el sustrato también se calienta pronto, elevando aún más la temperatura de la unión. La caja y el disipador de calor tienen un efecto similar, ya que cada etapa causa otro 'golpe' en la temperatura de la unión.

¿Pero qué significa esto para sus cálculos de ciclo de trabajo?

En primer lugar, debe tener en cuenta no solo la relación de encendido / apagado, sino también el tiempo del pulso. Un ciclo de trabajo del 2% con un período de PWM de 1 segundo (20 ms de tiempo de activación) puede tener un efecto bastante diferente al del mismo ciclo de trabajo con un período de 1 ms (20 veces de tiempo de activación).

En segundo lugar, no puede suponer que PWM creará una temperatura de unión proporcional a la relación. La potencia promedio podría ser del 2%, pero la temperatura de la unión aumentará y disminuirá a medida que se encienda y apague la alimentación, y no puede saber cuánto o qué tan rápido varía la medición de la temperatura de la carcasa.

Línea inferior: use el ancho de pulso más corto que aún le permita obtener mediciones precisas y haga que el tiempo de descanso sea lo más prolongado posible. Si obtiene los mismos resultados cuando se aumenta el tiempo de pulso o se reduce el tiempo de reposo (y aún se encuentra dentro del área de operación segura del dispositivo), puede usarlo.

Hay tres fuentes principales de calor en un fet que se ejecuta en una configuración de pulsos / conmutación: las pérdidas de conmutación, las pérdidas de conducción y las pérdidas de la puerta.

Las pérdidas por conmutación se producen porque un fet no puede cambiar instantáneamente entre apagado y encendido, hay un período en el que se encuentra en algún lugar entre los dos y actúa como una resistencia variable (el fet pasa a través de las regiones de saturación y triodo como puerta). el voltaje aumenta hasta donde puede ser potencialmente muy deficiente). Este evento ocurre una vez en el encendido y una vez en el apagado, y debe tomar aproximadamente el mismo tiempo siempre que el circuito de control de la puerta se comporte de la misma manera en todas las frecuencias. Por lo tanto, las pérdidas de conmutación representan una pérdida de energía fija en cada ciclo.

Las pérdidas de la compuerta se producen porque hay cierta resistencia interna de la compuerta y porque se necesita un flujo de corriente para cambiar el voltaje a través de un capacitor (la capacidad de la compuerta), habrá una pérdida de energía fija a través de la resistencia de la compuerta en cada ciclo de conmutación como La puerta está cargada y descargada. Esto también representa una pérdida de energía fija en cada ciclo de conmutación (I2R * t).

La tercera pérdida, la pérdida de conducción, es un poco diferente. La pérdida de conducción ocurre cuando el fet ya está encendido (es decir, después de que las transiciones de conmutación hayan finalizado), por lo tanto, las pérdidas aquí no tienen nada que ver con la frecuencia, sino que dependen del ciclo de trabajo, ya que un ciclo de trabajo más grande significa que, en promedio, el feto gasta más el tiempo se encendió y se quemó (\ $ P = Vds * Ids = Ids ^ 2 * Rds \ $). (Tenga en cuenta que utilicé el término 'potencia' y no energía, ya que las pérdidas de conducción se relacionan con un efecto continuo en lugar de con una sola vez, una pérdida de potencia constante que es frecuencia independiente en lugar de una energía constante pérdida que no es independiente de la frecuencia). Si no tiene un Vgs lo suficientemente alto como para encender completamente el feto, entonces pasará este tiempo en las regiones de saturación (Id constantes) o tríodo (Rds constante) (que aún representan pérdidas de conducción) y se comportarán en consecuencia.

El punto en el que la conmutación (y las pérdidas de la compuerta, que a menudo se acumulan en las pérdidas de conmutación) se vuelven mayores que las pérdidas de conducción serán diferentes para diferentes fetiches, para diferentes temperaturas de operación, para diferentes voltajes de drenaje, diferentes corrientes de drenaje, diferentes voltajes de compuerta, para diferentes tiempos de carga de compuerta (cargar / descargar la compuerta más rápidamente reduce las pérdidas de conmutación) e incluso será diferente entre los lotes de las mismas apuestas . Sé que esperabas una respuesta simple, pero la realidad es que las pérdidas de MOSFET son muy complejas y difíciles de modelar, Fairchild hace una buena hoja de cálculo de la calculadora de pérdida de conmutación (que es buena pero aún no es perfecta) aunque solo es válida para un Buck síncrono configuración del convertidor. Las únicas veces que las pérdidas fet son directas para calcular son cuando el fet se encuentra en un estado particular (apagado, tríodo, saturación, totalmente mejorado, etc.), cuando Tj, Vds, Ids, Vgs son todos Fijo y el feto no está cambiando. Cualquier otra cosa se complica realmente rápido. La mejor manera de lidiar con esto es simplemente realizar pruebas empíricas y ver cuáles son los resultados. Tenga en cuenta que cualquier cambio en la configuración de su prueba dará cambios en su resultados.