电源设计注意事项：比较不同设备的效率

本教程说明了使用不同设备驱动电阻负载的电源电路的几个模拟。其目的是找出在电源电压和负载阻抗相同的情况下，哪个电子开关效率最高。

多年来的开关设备

多年来，电子开关取得了长足的进步，并且变得更加强大。它们的演变涉及各种因素，例如：

• 传导通道电阻
• 不断降低的成本
• 更高的开关速度
• 占用空间减少，外形尺寸更小
• 更高的效率

这些都是极其重要的特性，它们允许拥​​有 30 年前无法想象的应用程序。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传导，具有非常缓慢的关断特性，并且会受到有问题的热漂移的影响。MOSFET 开始流行，因为它们受电压控制而不是电流控制。MOSFET 不受热漂移的影响，开关损耗较低。因此，它是电源转换器中最常用的组件。IGBT 在 1980 年代接手。IGBT 是双极晶体管和 MOSFET 之间的混合组件。它具有双极晶体管的导通特性，但像 MOSFET 一样受电压控制。IGBT 受热漂移的影响，可以通过附加电路来减少热漂移。如今，SiC 和 GaN MOSFET 是新型电子开关，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。我们不会讨论技术细节，但会在静态状态下进行一些简单的模拟，以计算每个单独元件的效率。

效率

在电力电子领域，效率是一个容易概念化的术语：100% 是一个很好的值，0% 是不好的。在许多应用中，能源的有效利用是一个关键因素。超过 90% 的效率被认为是好的结果，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源浪费，这会降低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源消耗有很大影响。如果效率更高，功耗和热损耗就会更低。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能源节约，从而实现经济节约。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差值是电源中以热量形式浪费和损失的功率。计算电路效率的基本公式是：

器件传导通道的电阻越低，电路的效率就越高。这样，电子元件就会散发更少的热量并且会更好地工作。

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强大的电子元件（参见图 1），它们是电力项目中大量使用的真正主力，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，beta：70
• MOSFET Si IRF530：VDS：100 V，Rds(on)：0.18 Ω，Id：14 A，P：75 W，Tj：150°C
• IGBT IXYH82N120C3：VCE：1200 V，VGE：20 V，IC：200 A，P：1250 W，Tj：175°C
• SiC MOSFET UF3SC065007K4S：VDS：650 V，Rds(on)：0.009 Ω，VGS：20 V，Id：120 A，P：789 W，Tj：175°C

图 1：用于效率测试的电子设备

模拟

图 2 显示了四种电子设备的应用方案。这些是四个等效的电子开关，它们使半导体组件达到饱和状态，从而驱动相当稳健的负载。一般特性涉及负载的静态操作，具有以下特点：

• 电源电压：80V
• 阻性负载：15Ω
• 预期电流：约 5.3 A

图2：四个电子开关接线图

让我们检查一下接线图，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，才能使电流等于基极电流乘以放大系数 (β) 流到集电极上。因此，基极被电流驱动。第二部分包括一个硅 MOSFET，要使其导通，需要足够的 VGS 电压。第三部分涉及使用 IGBT，而第四部分使用 SiC MOSFET。为了确定实际效率，所有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 SiC FET 级：

四个电路的效率如下：

• 晶体管：96.54%
• 硅 MOSFET：99.51%
• IGBT：98.68%
• 碳化硅MOSFET：99.93%

观察每个设备在完全运行时的功耗很有趣：

• 晶体管：3.7W
• 硅 MOSFET：2.1 瓦
• IGBT：5.5 瓦
• 碳化硅 MOSFET：仅 0.3 W

以及集电极-发射极或漏极-源极通道的等效电阻，计算公式为：

• 晶体管：116.4 mΩ
• 硅 MOSFET：74.6 mΩ
• IGBT：200.5mΩ
• MOSFET 碳化硅：9.9 mΩ

图 3：四种设备的效率图

SPICE 仿真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(N001,N005)*I(R2)))+(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

使用晶体管的第一个解决方案包含计算两个能源（基极和集电极）的功率。对于其他三个模拟，不需要计算栅极上的能量，因为生成的功率极低，因为 MOSFET 是用电压驱动的。

结论

在设计电源时，必须考虑可靠性和安全性。设计人员需要仔细查看所提供的数据并运行大量测试来计算最差使用效率。功率损耗（静态和动态）的计算是电源电路设计的必要步骤。改善开关系统和提高电路效率的技术有很多，每种功率器件都有自己的特点和优缺点，具体取决于应用（参见图 4 中的图表）。

图 4：输入电压扫描的电流图