El dispositivo de conmutación: un interruptor real se calienta de dos maneras
Cambia la frecuencia de conmutación y observa dónde se separan las dos pérdidas
La forma de onda es el voltaje Vds en el dispositivo y la corriente Id que lo atraviesa durante un período de conmutación. Mientras está encendido, el voltaje es casi cero, así que solo fluye una pequeña pérdida de conducción (ámbar); en el instante de las transiciones de encendido y apagado, el voltaje y la corriente suben juntos y aparece un pico rojo de pérdida. Barre la frecuencia de conmutación. Subirla acorta cada período, así que los picos de transición ocupan una porción mayor y la pérdida de conmutación supera a la de conducción.
El costo de estar encendido: la resistencia de conducción crea la pérdida de conducción
Un interruptor ideal tiene voltaje cero cuando está encendido, pero un MOSFET de potencia real conserva una pequeña resistencia en conducción Ron incluso encendido. Así que cuando una corriente Io fluye, aparece un voltaje Io·Ron en el dispositivo y una pérdida de conducción P_cond = Io²·Ron se vuelve calor. La fracción de cada período que el interruptor está encendido es la razón de trabajo D, así que en promedio P_cond = Io²·Ron·D. Esta pérdida no depende de cuán a menudo conmutas, solo de la corriente y la resistencia en conducción. Así que un dispositivo con menor Ron lleva la misma corriente con menos calor.
El costo de conmutar: el solapamiento crea la pérdida de conmutación
Una transición no termina en un instante. Encender y apagar el dispositivo toma un tiempo corto tsw, durante el cual el voltaje aún no ha caído del todo mientras la corriente ya sube, así que ambos se solapan. En ese instante en que voltaje y corriente son grandes, P = Vds·Id se dispara, y cada transición pierde una energía E_sw = ½·Vds·Io·tsw como calor. Como esta pérdida ocurre cada vez que conmutas, conmutar fsw veces por segundo hace que la pérdida de conmutación sea P_sw = E_sw·fsw, directamente proporcional a la frecuencia. A diferencia de la pérdida de conducción, cuanto más rápido conmutas, más a menudo se escapa.
El intercambio, y por qué se persigue más rápido y menor resistencia
¿Por qué subir la frecuencia siquiera? Como vimos en F1, la salida conmutada la fija la razón de trabajo, y suavizar las rebanadas es tarea del inductor y el capacitor. Subir la frecuencia logra el mismo suavizado con un inductor y un capacitor menores, así que la fuente se vuelve pequeña y ligera. Pero el precio es la pérdida de conmutación. Así que el diseño es siempre un intercambio: sube la frecuencia para encogerlo y la pérdida de conmutación crece; baja la frecuencia para recortar la pérdida y el circuito crece. La forma de ganar ambas a la vez es un dispositivo mejor. Una menor resistencia en conducción recorta la pérdida de conducción, y una transición más rápida (un tsw más corto) recorta la de conmutación. Dispositivos de banda prohibida ancha como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC) bajan ambas pérdidas a la vez, empujando la electrónica de potencia a ser más pequeña y eficiente.
De vuelta a la primera pantalla
Cuando la frecuencia de conmutación era baja, la pérdida era casi toda la de conducción ámbar; al subirla, los picos rojos de transición aparecieron a menudo y la pérdida de conmutación superó a la de conducción. El costo de estar encendido fue P_cond = Io²·Ron·D de la resistencia en conducción, y el costo de conmutar fue P_sw = E_sw·fsw del solapamiento de voltaje y corriente. Esto es exactamente lo que el interruptor que supusimos ideal en F1 realmente es. La forma de bajar ambas pérdidas es una menor resistencia en conducción y una transición más rápida, es decir, un dispositivo mejor, y la base de ese dispositivo eran las bandas de energía que vimos en la primera pantalla de este recorrido. El único hilo que corrió de las bandas a los portadores, a las uniones y los diodos, a la amplificación y conmutación del transistor, se cierra aquí.
Cerrando el recorrido
El recorrido de electrónica termina aquí. Partimos de la pregunta de las bandas de energía sobre qué permite que un material conduzca, luego el dopaje fijó los portadores, la deriva y la difusión los movieron, y la unión pn se volvió una válvula de un sentido. Con esa válvula rectificamos y dimos forma a ondas, y el BJT de base delgada y el MOSFET de compuerta aislada gobernaron un flujo grande con una entrada pequeña para dar amplificación. Con el par diferencial y el op-amp, sus límites de ancho de banda y velocidad de respuesta, y el filtro, manejamos señales, y al fin llegamos a usar el mismo transistor como interruptor para manejar la potencia misma con eficiencia. Un solo hilo, cómo manejar el electrón, recorrió las veinticuatro unidades de principio a fin.