Switchingförluster

Switchingförluster är energiförluster som uppstår i kraftelektroniska omvandlare när en elektrisk enhet övergår mellan påslaget och avstängt läge vid hög hastighet. Dessa förluster finns främst i switchande komponenter som MOSFETs, IGBTs och dioder i växelriktare, likströms- till likströmsomvandlare och invertermoduler.

Delvis uppstår förlusterna som konduktionsförluster när enheten är på, vilka beräknas som P_cond = I^2 · R_on för on-läget. Den huvudsakliga delen kallas switchingförluster och uppkommer under övergångarna turn-on och turn-off när spänning och ström inte är noll samtidigt. Energin som går åt per övergång kan beskrivas som E_on och E_off, bestämda av laddningen i utgångskapacitansen (C_oss), övergångstiden och eventuella motströmmar som uppkommer vid omkopplingen. Den totala effekten per cykel är P_sw ≈ f (E_on + E_off), där f är switchingfrekvensen.

Ytterligare bidrag kommer från omvänd återhämtningsströmmning i dioder och från energin som krävs för att ladda och ur ladda gate-kapacitansen (E_gate = 1/2 C_g V_g^2 per övergång). Tillsammans utgör konduktions-, switch- och gateförlusterna den totala effektförlusten i en switchande modul: P_loss ≈ P_cond + P_sw + P_gate.

Faktorer som påverkar omfattningen av switchingförlusterna inkluderar switchingfrekvens, topologi, belastning, dv/dt och di/dt samt val av komponenter med lägre C_oss, Q_rr och R_on. Motåtgärder inkluderar soft-switching (ZVS/ZCS), optimerad gate-drivning, snubbers och val av enheter anpassade till frekvens och effekt.