Spínání tranzistorů při nulovém napětí (ZVS)
Seznámení s pojmem ZVS
Spínání při nulovém napětí (v Angličtině se používá zkratka ZVS, jako Zero Voltage Switching, což v doslovném překladu znamená "Spínání při nulovém napětí".) je metoda řízení tranzistorů, kdy jsou řídicí elektrody gate, nebo báze ovládány v okamžiku, kdy je napětí na tranzistoru blízko, nebo rovno nule. Používá se u odporových zátěží, nebo LC článků v rezonanci.
Pro spínání zátěží induktivního, či kapacitního charakteru se využívá metody ZCS (Zero Current Switching), neboť tyto typy zátěží způsobují posuv průběhu proudu oproti průběhu napětí, takže by metoda ZVS byla neúčinná.
Výhody spínání při nulovém napětí
Hlavní výhodou spínání při nulovém napětí je to, že proud prakticky neteče, když je tranzistor v aktivní oblasti jeho voltampérové charakteristiky. Co to znamená? To si za chvíli předvedeme na praktickém příkladu.
Začneme tím, že si vytvoříme naprosto základní a jednoduché zapojení MOSFETu jako spínače. MOSFET v tomto zapojení bude moci nabývat jen dvou stabilních stavů - "otevřený" a "zavřený". Aby nedošlo ke zkratu, je proud omezen zatěžovacím rezistorem o hodnotě 10 ohmů. Elektrody "Drain" a "Source" jsou připojeny ke zdroji o napětí 12 V
Elektroda "Gate" je připojena ke druhému zdroji, který po 5 ms od spuštění simulace vygeneruje napěťový impuls o délce 100 ms a maximální hodnotě napětí 10V. Tyto informace je také možné vyčíst ze schématu uvedeného níže.
Na obrázku níže je zobrazeno schéma zkušebního zapojení v simulačním programu LTspice, ve kterém jsou zakresleny měřené proudy a napětí:
Když simulaci spustíme, zobrazí se nám následující graf:
Ač klesající hrana vypadá velmi strmě, tak po přiblížení grafu můžeme vidět nepříliš strmý průběh otevření tranzistoru (Zdroj, jehož výstup vede do gatu, je úmyslně nastaven tak, aby se spustil až po 5 milisekundách běhu simulace). Na obrázcích níže jsou uvedeny přiblížené průběhy proudu i napětí (tyto průběhy jsou shodné). Kurzory jsou označeny čísly, takže je možné hodnoty velmi přesně vyčíst z červeně ohraničených políček.
Z grafů tedy odečteme hodnoty. Znaménka v tomto případě respektovat nemusíme, jelikož výkonová ztráta bude mít stejný tepelný účinek
při obou polaritách (Nutno zmínit, že proud vždy poteče opačným směrem, než je polarita napětí). Číselně bychom tuto operaci mohli zapsat tak, že bychom za veličiny ve vzorci dosadili jejich absolutní hodnotu.
Proud při částečném otevření: 0,79 A
Napětí při částečném otevření: 4,05 V
Proud při úplném otevření: 1,19 A
Napětí při úplném otevření: 0,068 V => 68 mV
Když si dle vzorce P = U * I vypočteme ztrátové výkony, zjistíme, že výkonová ztráta úplně otevřeného tranzistoru je mnohonásobně nižší, než tranzistoru otevřeného jen částečně:
P1 = 6,8 * 10-2 * 1,19 = 8,09 * 10-2 (W) => 89 mW
P2 = 4,05 * 0,79 = 3,19 W
Číselně jsme si tedy dokázali, že rozdíl je skutečně markantní.
Je také nutno dodat, že podle simulace by zvýšená výkonová ztráta trvala jen pár nanosekund, nicméně tato simulace zohledňuje pouze kapacitu gatu jako takového. Jevy, jako jsou indukčnosti vývodů a vnitřní odpor řídicího zdroje, které by v reálném obvodu otevření ještě více zpomalily zde zohledněny nejsou.
Dalším faktorem je i to, že se tranzistor neotevírá pouze jednou. V zapojeních s rezonančními obvody je možné dosáhnout i frekvencí v řádech stovek kilohertz. Ztráty se frekvencí násobí, takže je zřejmé, že se projeví mnohonásobně více.
Závěr
V tomto článku jsme si na simulaci vysvětlili výhody spínání při nulovém napětí. Praktická ukázka zapojení ZVS je k vidění v tomto článku.
Pořád však musíme dbát na to, že informace zde uvedené jsou jen základem toho, co tématika ZVS skrývá. Implementace této metody se může zdát snadná, což je do jisté míry i pravda, nicméně zapojení jsou často jednoduchá jen co do počtu součástek. Samotný princip fungování těchto zapojení je složitý a pro většinu lidí i nepochopitelný, proto si netroufám funkčnost těchto budičů rozebírat, neboť si sám nejsem zcela jist, že bych byl schopen tyto jevy popsat zcela správně.
I přesto však doufám, že vám článek přinesl alespoň nějaké nové vědomosti a pomohl ke zvýšení míry porozumění tomuto skvělému zapojení.