电源设计说明：比较器件的不同效率

电源设计说明：比较器件的不同效率 本教程演示了使用不同器件驱动阻性负载的电源电路的几种仿真。其目的是找出在给定相同电源电压和负载阻抗的情况下哪种电子开关最有效。多年来的开关设备 多年来，电子开关已经走了很长一段路，并且功能越来越强大。它们的演变涉及各种因素，例如：
• 传导通道的电阻
• 更低的成本
• 更高的开关速度
• 减少占用空间和更小的整体尺寸
• 更高的效率这些是极其重要的特征，允许拥有 30 年前无法想象的应用。

最初，双极晶体管是唯一真正的电源开关。它需要高基极电流才能导通，具有非常慢的关断特性，并且会受到有问题的热漂移的影响。MOSFET变得流行，因为它们是由电压而不是电流控制的。
MOSFET 不受热漂移的影响，开关损耗更低。因此，它是功率转换器中最常用的组件。IGBT在1980年代接管。IGBT是双极晶体管和MOSFET之间的混合元件。它具有双极晶体管的传导特性，但它像MOSFET一样受到电压控制。IGBT受热漂移的影响，可以通过额外的电路来减少热漂移。

如今，SiC和GaN MOSFET是新的电子开关，具有卓越的性能。IGBT 可处理 5，000 V 的电压和 1，000 A 的电流，但最大开关频率不超过 100 kHz。MOSFET在高频下工作良好，但导通电阻相对较高。SiC器件可以克服这些问题。我们不会详细介绍技术细节，但我们将在静态状态下进行一些简单的模拟，以计算每个单独元素的效率。

效率 在电力电子领域，效率是一个容易概念化的术语：100%是一个很大的价值，0%是一个坏值。能源的有效利用是许多应用中的关键因素。效率高于 90% 被认为是良好的结果，但现代设备允许更高的效率。高效的电源以热量的形式获得更少的能量浪费，从而缩短了电子元件的平均寿命。效率对最终设备的可靠性和耐用性以及能耗有很大影响。如果效率越高，功耗和热损耗就越低。在超高功率转换器中，即使效率提高的一小部分也能转化为巨大的节能，从而节省经济成本。此外，效率越高，无源和有源元件的工作温度越低，系统的整体可靠性就越好。效率的计算方法是输出功率除以输入功率，通常以百分比表示。输入功率和输出功率之间的区别是以热量的形式在电源中浪费和损失的功率。计算电路效率的基本公式为：

器件导通通道的电阻越低，电路的效率就越高。这样，电子元件将散发更少的热量并且工作得更好。使用的电子元件 对于我们的测试和模拟，我们选择了一些非常强大和坚固的电子元件（见图1），这些真正的主力在电力项目中大量使用，至今仍在广泛使用。以下列表还描述了最重要的特征： • 晶体管 BJT 2N3055： VCE： 100 V， IC： 7 A， P： 115 W， Tj： 200°C， β： 70 • MOSFET Si IRF530： VDS： 100 V， 导通： 0.18 Ω， 内径： 14 A， 熔点： 75 W， Tj： 150°C• IGBT IXYH82N120C3： VCE： 1200 V， VGE： 20 V， IC：200 A， P： 1250 瓦， Tj： 175°C • 碳化硅场效应管 UF3SC065007K4S： VDS： 650 V， 导通： 0.009 Ω， VGS： 20 V， 内径： 120 A， P： 789 W， Tj： 175°C

图1：用于效率测试的电子设备

仿真图2 显示了四种电子设备的应用方案。这是四个等效的电子开关，使半导体元件饱和，驱动相当坚固的负载。一般特性涉及负载的静态操作，具有以下特征： • 电源电压：80 V• 阻性负载：15 Ω• 预期电流：约 5.3 A

图2：四个电子开关的接线图

让我们检查接线图，它实际上由四个不同的部分组成。第一部分使用硅功率晶体管。基极必须适当极化，以便能够使电流等于基极的电流乘以集电极上的放大因子（β）流量。因此，基座由电流驱动。第二部分包括一个硅MOSFET，为了使其进入导通状态，需要足够的VGS电压。第三部分涉及IGBT的使用，而第四部分使用SiC MOSFET。为了确定实际效率，所有能量发电机产生的功率也必须包含在公式中。因此，这四个公式如下。对于晶体管级：

对于硅MOSFET级：

对于IGBT级：

对于碳化硅场效应晶体管级：

四个电路的效率如下： • 晶体管： 96.54% • 硅场效应管： 99.51% • IGBT： 98.68% • 碳化硅场效应管： 99.93%• 观察每个器件在完全运行时的功耗很有趣： • 晶体管： 3.7 W • 硅场效应管： 2.1 W • IGBT： 5.5 W • 碳化硅场效应管：仅 0.3 W以及集电极-发射极或漏源-源极通道的等效电阻，公式计算：

• 晶体管： 116.4 mΩ • 硅场效应管： 74.6 mΩ • IGBT： 200.5 mΩ• MOSFET 碳化硅： 9.9 mΩ

图 3：四种设备的效率图

SPICE模拟包括以下用于计算效率的指令：.meas TRAN Effic1 AVG （abs（V（N001，N005）*I（R2）））/（（abs（V（N001）*I（V3）））+（abs（V（N009）*I（V4））））*100 .meas TRAN Effic2 AVG abs（V（N002，N006）*I（R4））/abs（V（N002）*I（V5））*100.meas TRAN Effic3 AVG abs（V（N003，N007）*I（R1））/abs（V（N003）*I（V1））*100.meas TRAN Effic4 AVG abs（V（N004，N008）*I（R5））/abs（V（N004）*I（V7））*100晶体管的第一个解决方案包含两个能量源（基极和集电极）的功率计算。对于其他三个仿真，不需要计算栅极上的能量，因为产生的功率极低，因为MOSFET是在电压下驱动的。结论在设计电源时，必须考虑可靠性和安全性。设计人员需要仔细审查提供的数据，并运行大量测试来计算最差的使用效率。功率损耗（静态和动态）的计算是电源电路设计的强制性步骤。改进开关系统和提高电路效率的技术很多，每种类型的功率器件都有自己的特性和优缺点，具体取决于应用（见图4中的图表）。

图 4：输入电压扫描的电流图