רכיבי הספק מוליכים למחצה

היכרות מעמיקה עם דיודה, MOSFET, IGBT ו-SCR כמתגים לא אידיאליים במערכות הספק.

3-4 שעות לימוד יחידת לימוד מורחבת ה-PDF עוסק בדיודות, SCR ומהפכים מבוססי IGBT. שיעור זה מרכז את התכונות המשותפות וההבדלים בין הרכיבים.

מפת השיעור

מיקום ודרישות קדם
מטרות למידה
מוטיבציה והקשר הנדסי
הסבר מושגי
פעולה ואינטואיציה
פיתוח מתמטי
צורות גל
כללי תכן
דוגמאות פתורות
תרגול ותשובות

Header and lesson overview

מיקום השיעור בקורס

איפה זה משתלב?

לאחר שהגדרנו הספק ואנרגיה, נלמד מי הרכיבים שמאפשרים לשלוט באנרגיה הזו בפועל.

דרישות קדם

שיעור 1: הספק, RMS, מאזן אנרגיה והבנה בסיסית של הפסד כחום.

יישומים אופייניים

גשרי דיודות ומיישרים
ממירי Buck ו-Boost
בקרת הספק AC
מהפכים למנועים
ממירי אנרגיה מתחדשת

מטרת השיעור

לבנות הבנה שניתן להשתמש בה גם בתרגיל וגם בתכן מעשי: לזהות מצבי פעולה, לכתוב משוואות נכונות, להבין את צורות הגל ולדעת אילו אי-אידיאליות יופיעו ברכיב אמיתי.

מטרות למידה

להסביר במילים את העיקרון הפיזיקלי של רכיבי הספק מוליכים למחצה.
לזהות את מסלולי הזרם ואת כיוון זרימת האנרגיה בכל מצב פעולה.
להגדיר את ההנחות לפני שימוש במשוואות.
לגזור או להצדיק את המשוואות המרכזיות של השיעור.
לפרש צורות גל של מתח, זרם והספק ולא רק לחשב מספר סופי.
לבחור ערכי רכיבים או דירוגים ראשוניים לפי דרישות הנדסיות.
להעריך השפעות לא אידיאליות כגון ESR, $R_{DS(on)}$ , נפילת דיודה, Switching Losses ומגבלות תרמיות.
לפתור תרגילים מספריים ולבדוק סבירות של התוצאה.

מוטיבציה והקשר הנדסי

רכיבי הספק מוליכים למחצה אינו נושא תיאורטי מבודד. הוא מופיע במערכות שבהן נדרש להעביר אנרגיה באופן מבוקר, יעיל ובטוח. המהנדס אינו מסתפק בשאלה האם המעגל פועל, אלא שואל מה הנצילות, כמה חום נוצר, מה קורה בעומס קיצוני, ומהי צורת הגל שהמקור והעומס רואים.

בפועל, ההבדל בין תכן טוב לתכן גבולי נמצא בפרטים: זרם RMS לעומת זרם ממוצע, מתח חסימה לעומת מתח נומינלי, ריפל לעומת ערך DC, ותנאי מעבר לעומת מצב יציב. לכן השיעור משלב הסבר מושגי, פיתוח מתמטי וכללי תכן.

המודל האידיאלי חשוב כי הוא נותן שפה נקייה. אבל לאחר שנבין אותו, נוסיף את המציאות: רכיבים מתחממים, קבלים בעלי ESR, מתגים אינם עוברים מצב מיד, דיודות אינן אידיאליות, ותדר מיתוג משפיע גם על גודל רכיבים וגם על הפסדים.

אינטואיציה מובילה

בכל מעגל הספק כדאי לשאול: מי מקור האנרגיה ברגע זה, מי אוגר אותה, מי מוסר אותה לעומס, ואיפה היא הולכת לאיבוד כחום. התשובה לשאלות האלה מובילה למשוואות הנכונות.

הסבר מושגי

רכיב הספק אינו מתג מושלם. כאשר הוא דולק יש עליו נפילת מתח או התנגדות; כאשר הוא כבוי יש עליו מתח חסימה; ובמעבר בין המצבים יש חפיפה בין מתח לזרם.

דיודה היא רכיב לא מבוקר שמוליך כאשר הוא בממתח קדמי. היא פשוטה ואמינה, אך נפילת המתח והתאוששות הפוכה שלה משפיעות על הפסדים ורעש.

MOSFET נשלט במתח שער ומתאים במיוחד למתח נמוך עד בינוני ולתדרי מיתוג גבוהים. הפרמטרים החשובים הם $R_{DS(on)}$ , מטען שער וקיבולים פרזיטיים.

IGBT מתאים להספקים ומתחים גבוהים יותר, אך בדרך כלל איטי יותר מ-MOSFET ובעל מתח רוויה. SCR מתאים לבקרת AC ומיישרים מבוקרים, אך אינו נכבה דרך השער.

הנחת עבודה לימודית

בשלב הראשון ננתח רכיבים אידיאליים כדי לראות את המבנה. לאחר מכן נתקן את התוצאה בעזרת אי-אידיאליות. זו אינה התחמקות מהמציאות אלא דרך הנדסית מסודרת.

פעולת המעגל ואינטואיציה פיזיקלית

מצב חסימה

הרכיב נושא מתח אך הזרם דרכו קטן מאוד. צריך לבדוק שהמתח המרבי, כולל קפיצות ומעברים, קטן מדירוג הרכיב.

מצב הולכה

הרכיב נושא זרם. ההפסד מחושב לפי מודל התנגדות, נפילת מתח או שילוב שלהם. זהו מקור חום מרכזי.

מעבר הדלקה וכיבוי

בזמן מעבר המתח עוד לא נפל לאפס והזרם כבר עולה, או להפך. מכפלתם בזמן המעבר יוצרת הפסדי מיתוג.

פיקוד שער

שער MOSFET או IGBT אינו צורך זרם DC משמעותי, אך יש לטעון ולפרוק קיבול. לכן דרייבר שער הוא חלק מתכן ההספק.

הנחות מפורשות

מודלי ההפסד הראשוניים הם קירובים.
טמפרטורה משנה התנגדות ונפילות מתח.
דפי נתונים נמדדים בתנאים מסוימים ולא בכל מצב עבודה.
במעגלי רשת נדרש בידוד ובטיחות מתאימים.

פיתוח מתמטי

הפסד הולכה ב-MOSFET

ה-MOSFET במצב הולכה דומה לנגד קטן. הזרם RMS קובע חימום כי ההפסד תלוי בריבוע הזרם.

P_{cond}=I_{rms}^{2}R_{DS(on)}

הפסד הולכה בדיודה או IGBT

נפילת מתח קבועה מייצרת איבר התלוי בזרם הממוצע, והתנגדות דיפרנציאלית מוסיפה איבר RMS.

P_{cond}\approx V_0 I_{avg}+rI_{rms}^{2}

הפסדי מיתוג מקורבים

האנרגיה בכל מעבר מוכפלת במספר המעברים בשנייה. לכן תדר מיתוג גבוה מגדיל הפסד.

P_{sw}\approx \frac{1}{2}VI(t_r+t_f)f_s

הפסדי שער

כדי להדליק ולכבות MOSFET יש להזיז מטען שער $$Q_g$$ בכל מחזור. זה משפיע על בחירת דרייבר.

P_{gate}\approx Q_gV_{drive}f_s

נוסחה

P_{cond, MOSFET}=I_{rms}^{2}R_{DS(on)}

נוסחה

P_{cond}=V_0I_{avg}+rI_{rms}^{2}

נוסחה

P_{sw}\approx \frac{1}{2}VI(t_r+t_f)f_s

נוסחה

P_{gate}\approx Q_gV_{drive}f_s

צורות גל חשובות

באלקטרוניקת הספק צורת הגל היא חלק מהפתרון. לפני שמציבים מספרים, מציירים באופן איכותי את המתח והזרם ומוודאים שהם מתאימים למסלולי הזרם שתוארו.

OFF:  switch blocks voltage, current ≈ 0
ON:   switch conducts current, voltage drop small
SW:   voltage and current overlap -> switching energy
Gate: driver charges/discharges input capacitance

מתח על מתגגבוה במצב כבוי ונמוך במצב דולק. במעבר ייתכנו קפיצות בגלל השראות פרזיטית.
זרם מתגתלוי בטופולוגיה. בממירי DC-DC הוא עשוי להיות משולש או פולסי.
מתח שערצריך לעבור סף, אך גם להגיע לרמה שמקטינה $R_{DS(on)}$ . קיימת פלטת מילר בזמן מעבר.
זרם דיודהיכול לכלול התאוששות הפוכה כאשר דיודה עוברת מהולכה לחסימה.
טמפרטורת צומתאינה משתנה בקצב המיתוג, אך עולה לפי ההספק הממוצע וההתנגדות התרמית.

משוואות תכן וכללי אצבע

כלל תכן

בוחרים מתח חסימה עם מרווח ביטחון מעל המתח הנומינלי והקפיצות הצפויות.

כלל תכן

בודקים זרם RMS לחימום וזרם שיא למגבלות רגעיות.

כלל תכן

ב-MOSFET מהיר בודקים $R_{DS(on)}$ , $$Q_g$$ , $C_{oss}$ ויכולת דרייבר.

כלל תכן

בדיודות מהירות בודקים reverse recovery כדי לצמצם הפסדים ורעש.

כלל תכן

ב-IGBT בודקים $V_{CE(sat)}$ , אנרגיות Eon/Eoff ותדר עבודה מתאים.

כלל תכן

ב-SCR בודקים זרם אחזקה, זרם הצתה, dv/dt ויכולת כיבוי טבעית.

כלל תכן

כל חישוב הפסדים חייב להתחבר למודל תרמי ולגוף קירור.

כלל תכן

אין לבחור רכיב רק לפי הערך הגדול ביותר בכותרת דף הנתונים.

אזהרה הנדסית

אם החישוב האידיאלי נותן רכיב בדיוק על גבול הדירוג, התכן עדיין לא מוכן. מוסיפים מרווחי בטיחות, תנאי טמפרטורה, סבילות רכיבים ומצבי מעבר.

דוגמאות פתורות

דוגמה 1: הפסד הולכה ב-MOSFET

נתון: $R_{DS(on)}$ =30 milliohm, זרם RMS של 10A.

נדרש: חשב $P_{cond}$ .

פתרון בשלבים:

ממירים 30 milliohm ל-0.03 ohm.
$P=I^2R=10^2\cdot0.03$ .
$P=3\,\mathrm{W}$ .

תשובה: הפסד ההולכה הוא 3W.

פירוש פיזיקלי: גם התנגדות קטנה מאוד יוצרת חום משמעותי בזרמים גבוהים.

דוגמה 2: דיודה במסלול זרם חופשי

נתון: דיודה מוליכה זרם ממוצע 4A ונפילת המתח שלה 0.85V.

נדרש: הערך הפסד.

פתרון בשלבים:

משתמשים בקירוב P= $$V_D$$ · $I_{avg}$ .
P=0.85·4=3.4W.
בודקים אם מארז הדיודה מסוגל לפזר זאת.

תשובה: בערך 3.4W.

פירוש פיזיקלי: זו סיבה נפוצה לעבור ל-Synchronous Rectification במתחים נמוכים.

דוגמה 3: הפסד מיתוג

נתון: V=200V, I=6A, tr+tf=100ns, $$f_s$$ =50kHz.

נדרש: חשב $P_{sw}$ בקירוב.

פתרון בשלבים:

אנרגיה למעבר: 0.5·V·I·t.
הספק: מכפילים ב- $$f_s$$ .
$P_{sw}=0.5\cdot200\cdot6\cdot100\,\mathrm{ns}\cdot50\,\mathrm{kHz}=3\,\mathrm{W}$ .

תשובה: כ-3W.

פירוש פיזיקלי: אם נכפיל תדר, ההפסד יוכפל בקירוב.

דוגמה 4: בחירת רכיב לפי מתח

נתון: ממיר עובד על Bus של 400V עם קפיצות אפשריות של 80V.

נדרש: האם רכיב 500V מספיק?

פתרון בשלבים:

מתח צפוי מרבי: 480V.
רכיב 500V משאיר מרווח קטן מאוד.
עדיף לשקול 600V או צמצום קפיצות בעזרת snubber ותכנון PCB.

תשובה: 500V גבולי מאוד.

פירוש פיזיקלי: תכן אמין מתחשב במעברים, לא רק במתח DC נקוב.

טעויות נפוצות

הטעות: בחירת MOSFET רק לפי זרם מרבי.

דרך נכונה: זרם מרבי בדף נתונים תלוי בקירור אידיאלי. בתכן חשובים הפסדים, טמפרטורה, מארז ו- $R_{DS(on)}$ .

הטעות: הנחה שדיודה נכבית מיד.

דרך נכונה: לדיודה אמיתית יש reverse recovery. הזרם ההפוך יכול להגדיל הפסדי מיתוג ורעש.

הטעות: שימוש ב-SCR כאילו הוא MOSFET.

דרך נכונה: SCR נדלק בשער אך בדרך כלל אינו נכבה דרך השער. צריך מעבר זרם לאפס או קומוטציה.

הטעות: התעלמות מדרייבר שער.

דרך נכונה: ללא דרייבר מתאים המעברים איטיים, ההפסדים גדלים ועלולים להופיע הדלקות שווא.

הטעות: אי בדיקת טמפרטורת צומת.

דרך נכונה: הספק ההפסד חייב להיות מתורגם לעליית טמפרטורה דרך התנגדות תרמית.

הטעות: שימוש בנוסחה של רכיבי הספק מוליכים למחצה בלי לבדוק את תחום התקפות שלה.

דרך נכונה: לפני כל הצבה מזהים אם ההנחה היא אידיאלית, מצב CCM או DCM, עומס נגדי או RL, גל סינוסי או גל מעוות. נוסחה נכונה בהקשר שגוי נותנת תשובה משכנעת אך שגויה.

הטעות: בלבול בין ערך ממוצע, ערך RMS וערך שיא.

דרך נכונה: ערך ממוצע מתאים לרכיב DC, ערך RMS מתאים לחימום ולהספק בעומס נגדי, וערך שיא חשוב למתחי חסימה ולזרמי שיא. בכל חישוב כותבים במפורש איזה ערך נדרש.

הטעות: התעלמות מכיוון זרם ומקוטביות מתח בזמן מעבר בין מצבים.

דרך נכונה: מסמנים חצי זרם ומתח בכל מצב מיתוג. אם סימן האנרגיה לא ברור, חוזרים להגדרה $$p(t)=v(t)i(t)$$ ובודקים אם הרכיב אוגר, מוסר או מבזבז אנרגיה.

הטעות: הצבת מספרים בלי בדיקת יחידות.

דרך נכונה: לפני התוצאה הסופית מוודאים שהיחידות מתכנסות: וולט, אמפר, ואט, הנרי, פאראד ושניות. בדיקת יחידות מגלה הרבה טעויות עוד לפני סימולציה.

הטעות: הנחה שרכיבים אידיאליים מייצגים רכיב אמיתי.

דרך נכונה: המודל האידיאלי נועד להבנה ראשונית. בתכן מוסיפים נפילת דיודה, $R_{DS(on)}$ , ESR, זמני מיתוג, מגבלות תרמיות, זרמי שיא וסבילות רכיבים.

בדקו את עצמכם

שאלה: למה MOSFET בתדר גבוה לא נבחר רק לפי $R_{DS(on)}$ ?

תשובה קצרה: כי $$Q_g$$ וקיבולים משפיעים על הפסדי מיתוג ועל דרייבר השער.

שאלה: מה ההבדל העקרוני בין דיודה ל-SCR?

תשובה קצרה: דיודה מוליכה בממתח קדמי ללא שליטה. SCR צריך פולס שער להדלקה ונשאר מוליך עד ירידת זרם.

שאלה: מתי IGBT עדיף על MOSFET?

תשובה קצרה: בדרך כלל במתחים והספקים גבוהים יותר, כאשר מתח רוויה מתקבל עדיף על התנגדות MOSFET גבוהה.

שאלה: מהי השאלה האנרגטית המרכזית ב-רכיבי הספק מוליכים למחצה?

תשובה קצרה: לזהות מאיפה האנרגיה מגיעה, מי אוגר אותה זמנית, מי מוסר אותה לעומס, ואיפה נוצרים הפסדים.

שאלה: מדוע מציינים הנחות לפני פיתוח מתמטי?

תשובה קצרה: כי שינוי קטן בהנחה, למשל מעבר מ-CCM ל-DCM או מעומס נגדי לעומס RL, משנה את המשוואות ואת הפרשנות.

שאלה: מה בודקים אחרי קבלת תשובה מספרית?

תשובה קצרה: יחידות, סדר גודל, סימן, גבולות פיזיקליים, מאמץ רכיבים ונצילות סבירה.

תרגילים

חשב $P_{cond}$ עבור MOSFET עם $R_{DS(on)}$ =18 milliohm ו- $I_{rms}$ =12A.
דיודה מוליכה $I_{avg}$ =2.5A עם $$V_D$$ =0.9V. חשב הפסד.
חשב $P_{sw}$ עבור V=100V, I=8A, tr+tf=60ns, $$f_s$$ =200kHz.
מדוע דרייבר שער חלש מגדיל הפסדי מיתוג?
מה יקרה ל- $R_{DS(on)}$ כאשר הטמפרטורה עולה בדרך כלל?
איזה רכיב מתאים יותר לבקרת הספק AC פשוטה: MOSFET יחיד או SCR? הסבר.
ציין שני סיכונים של reverse recovery בדיודה.
למה צריך מרווח בטיחות במתח חסימה?
הסבר את ההבדל בין זרם ממוצע לזרם RMS בבחירת רכיב.
תכנן רשימת בדיקות קצרה לפני בחירת IGBT למהפך.

תשובות ורמזים

P=12^2·0.018=2.592W.
P≈2.25W.
P≈0.5·100·8·60ns·200kHz=4.8W.
כי המעבר ארוך יותר ולכן יש חפיפה גדולה יותר בין מתח לזרם.
ב-MOSFET סיליקון הוא בדרך כלל עולה, ולכן ההפסד גדל.
SCR מתאים לבקרת פאזה AC פשוטה כי הוא נדלק בפולס ונכבה במעבר אפס.
הפסדי מיתוג גבוהים וקפיצות מתח/EMI.
קיימות קפיצות מתח, סבילות רשת, השראות פרזיטית ותנאי מעבר.
ממוצע מתאים לנפילת מתח קבועה; RMS מתאים להפסדי I^2R.
מתח, זרם RMS ושיא, $V_{CE(sat)}$ , Eon/Eoff, קירור, תדר, SOA ודרייבר.

העמקה מורחבת: מתג אמיתי כמערכת של הפסדים ומגבלות

רכיב מיתוג אידיאלי היה מאפשר לנו להתמקד רק בטופולוגיה. במציאות, חלק גדול מתכן אלקטרוניקת הספק הוא ניהול אי-השלמות של הרכיב. כאשר MOSFET דולק, הוא אינו קצר אלא התנגדות קטנה. כאשר דיודה מוליכה, יש עליה נפילת מתח. כאשר IGBT נכבה, יש זנב זרם. כאשר SCR נדלק, הוא אינו ניתן לכיבוי דרך השער. כל תכונה כזו הופכת למשוואת הפסד, מגבלת תדר או דרישת הגנה.

דרך עבודה טובה היא לבנות לכל רכיב טבלת מאמצים: מתח במצב כבוי, זרם במצב דולק, אנרגיה בכל מעבר, הפסד ממוצע, טמפרטורת צומת, ומצב כשל אפשרי. כך לא מסתפקים בשאלה האם הרכיב מתאים על הנייר, אלא בודקים האם הוא מתאים לצורת הגל הספציפית של המעגל.

שלושת מצבי הרכיב

בכל רכיב הספק נבדוק שלושה מצבים: חסימה, הולכה ומעבר. בחסימה בודקים מתח ודליפה. בהולכה בודקים זרם וחימום. במעבר בודקים חפיפת מתח וזרם, קפיצות, מטענים פרזיטיים ו-EMI.

דפי נתונים עלולים להטעות אם קוראים אותם במהירות. זרם מרבי עשוי להיות נתון בטמפרטורת מארז בלתי מציאותית. $R_{DS(on)}$ עשוי להינתן ב-25 מעלות, אך במעגל שלך הצומת תגיע ל-100 מעלות. אנרגיית מיתוג עשויה להימדד בתנאי דרייבר, מתח וזרם שונים משלך. לכן נתון בדף נתונים הוא נקודת התחלה, לא סוף התכן.

השוואה הנדסית בין רכיבי הספק

רכיב	יתרון מרכזי	מגבלה מרכזית	שאלת תכן חשובה
דיודה	פשוטה, לא דורשת פיקוד	נפילת מתח וחוסר שליטה	האם $$V_F$$ ו-Reverse Recovery מתאימים לתדר ולזרם?
MOSFET	מהיר ונוח למיתוג בתדר גבוה	$R_{DS(on)}$ , $$Q_g$$ וקיבולים פרזיטיים	האם ההפסד הכולל הולכה+מיתוג נמוך מספיק?
IGBT	מתאים למתח וזרם גבוהים	איטי יותר, $V_{CE(sat)}$ , tail current	האם תדר העבודה נמוך מספיק ביחס להפסדי המיתוג?
SCR	עמיד ויעיל לבקרת AC	ננעל ואינו נכבה דרך השער	איך ומתי הזרם ירד מתחת לזרם האחזקה?

הטבלה אינה מחליפה תכן, אך היא עוזרת לבחור כיוון. בממיר Buck למתח נמוך נעדיף בדרך כלל MOSFET מהיר. בבקרת גוף חימום מרשת AC אפשר להשתמש ב-SCR או TRIAC. במהפך תעשייתי למנוע בהספק גבוה, IGBT עדיין נפוץ מאוד. במיישר פשוט, דיודות הן הבחירה הטבעית.

Gate Drive, פרזיטים ו-layout

שער של MOSFET או IGBT נראה מבחוץ כמו קבל לא ליניארי. כדי להדליק את הרכיב צריך לטעון את השער; כדי לכבות צריך לפרוק אותו. אם הדרייבר חלש, המעבר יהיה איטי, והחפיפה בין מתח וזרם תימשך זמן רב יותר. אם הדרייבר חזק מדי וה-layout אינו טוב, קצב השינוי הגבוה יגרום לקפיצות מתח, ringing ו-EMI.

I_{g,avg}\approx Q_g f_s

זהו זרם ממוצע בלבד; הזרם הרגעי בדרייבר יכול להיות גבוה בהרבה. לכן בוחרים דרייבר לפי זרמי peak, מתח יציאה, יכולת sink/source, בידוד אם צריך, ותיאום לרכיב. התנגדות שער משמשת לכיוון מהירות המעבר: התנגדות קטנה מאיצה אך מגדילה רעש; התנגדות גדולה מקטינה רעש אך מגדילה הפסדי מיתוג.

layout הוא חלק מהרכיב

במעגלי הספק מהירים, השראות של כמה ננו-הנרי במסלול יכולה ליצור קפיצת מתח משמעותית לפי V=L di/dt. לכן לולאות זרם צריכות להיות קטנות, קבלי bypass צריכים להיות קרובים, ומסלול השער צריך להיות נקי מרעש הספק.

מודל תרמי מפורט יותר

לאחר שמחשבים $P_{loss}$ , השאלה הבאה היא לאן החום הולך. החום נוצר בצומת הסיליקון, עובר למארז, משם לגוף קירור או ל-PCB, ולבסוף לאוויר. כל שלב מיוצג בהתנגדות תרמית. אם משתמשים רק ב- $R_{\theta JA}$ מדף הנתונים בלי להבין את תנאי המדידה, אפשר לטעות מאוד.

T_j=T_a+P_{loss}(R_{\theta JC}+R_{\theta CS}+R_{\theta SA})

$R_{\theta JC}$ הוא מצומת למארז, $R_{\theta CS}$ ממארז לגוף קירור, ו- $R_{\theta SA}$ מגוף קירור לאוויר. במארזים שמקררים דרך PCB, המסלול שונה ותלוי בשטח נחושת, vias וזרימת אוויר. תכן אמין משאיר מרווח לטמפרטורת סביבה גבוהה, הזדקנות, אבק וסבילות רכיבים.

דוגמאות עומק נוספות

דוגמה 6: בחירת MOSFET לפי הפסד כולל

נתונים: שני MOSFETים עובדים ב-20A RMS. רכיב A: $R_{DS(on)}$ =5mΩ, $$Q_g$$ =160nC. רכיב B: $R_{DS(on)}$ =10mΩ, $$Q_g$$ =60nC. תדר המיתוג 400kHz, $V_{drive}=10\,\mathrm{V}$ .

נדרש: השוו הפסדי הולכה והפסדי שער.

A הולכה: P=20²·0.005=2W. B הולכה: P=20²·0.010=4W.
A שער: P=160nC·10·400kHz=0.64W. B שער: P=60nC·10·400kHz=0.24W.
רכיב A טוב יותר בהולכה אך דורש דרייבר חזק יותר ומפסיד יותר בשער.

תשובה: אין בחירה אוטומטית. צריך להוסיף גם הפסדי מיתוג, תרמיות ומחיר.

פירוש פיזיקלי: $R_{DS(on)}$ נמוך נקנה לעיתים בקיבול שער גדול יותר. בתדר גבוה זה חשוב.

דוגמה 7: בדיקת גוף קירור

נתונים: IGBT מאבד 18W. טמפרטורת סביבה מרבית 50°C. טמפרטורת צומת מותרת 150°C. $R_{\theta JC}$ =1.2°C/W ו- $R_{\theta CS}$ =0.5°C/W.

נדרש: מהו $R_{\theta SA}$ המרבי של גוף הקירור?

עליית טמפרטורה מותרת: 150-50=100°C.
התנגדות תרמית כוללת מותרת: 100/18=5.56°C/W.
כבר קיימים 1.2+0.5=1.7°C/W.
לכן $R_{\theta SA}$ לכל היותר 5.56-1.7=3.86°C/W.

תשובה: גוף הקירור צריך להיות 3.86°C/W או נמוך יותר.

פירוש פיזיקלי: אם משתמשים בגוף קירור קטן יותר, הרכיב יחרוג מטמפרטורת הצומת גם אם הוא עומד חשמלית.

דוגמה 8: למה דיודה איטית מסוכנת בממיר מהיר

נתונים: דיודה מעבירה 5A קדימה. בזמן כיבוי יש זרם התאוששות הפוכה ממוצע משולש בקירוב עם שיא 8A למשך 80ns, במתח 100V, בתדר 200kHz.

נדרש: העריכו אנרגיה והספק הקשורים להתאוששות.

מטען התאוששות בקירוב: Qrr≈0.5·8A·80ns=320nC.
אנרגיה בקירוב: Err≈V·Qrr=100·320nC=32µJ.
הספק: $P\approx E_{rr}f_s=32\,\mu\mathrm{J}\cdot200\,\mathrm{kHz}=6.4\,\mathrm{W}$ .

תשובה: כ-6.4W הפסד נוסף בקירוב.

פירוש פיזיקלי: התאוששות הפוכה אינה פרט קטן בתדר גבוה; היא יכולה להיות מקור הפסד ו-EMI מרכזי.

סיכום

רכיבי הספק הם מתגים לא אידיאליים עם הפסדי הולכה ומיתוג.
בחירת רכיב היא בעיית מערכת הכוללת דרייבר, קירור ופרזיטים.
דיודה, MOSFET, IGBT ו-SCR נבדלים בשליטה, מהירות, מתח והפסדים.
בשיעור הבא נשתמש בדיודות לבניית מיישרים.

מה לקחת הלאה

מהשיעור הזה חשוב לזכור לא רק את הנוסחאות, אלא את דרך החשיבה: מצבי פעולה, מסלולי זרם, מאזן אנרגיה, צורות גל, ורק אז הצבה מספרית. היכולת הזו תופיע שוב בשיעור הבא ובכל תרגיל תכן.