電源設(shè)計(jì)：比較器件的不同效率

本教程說(shuō)明了使用不同設(shè)備驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載的電源電路的幾種仿真。其目的是找出在相同電源電壓和負(fù)載阻抗的情況下哪個(gè)電子開關(guān)效率最高。

多年來(lái)的開關(guān)設(shè)備

多年來(lái)，電子開關(guān)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并且變得更加強(qiáng)大。它們的演變涉及各種因素，例如：

· 傳導(dǎo)通道的電阻

· 越來(lái)越低的成本

· 更高的開關(guān)速度

· 減少占用空間并減小整體尺寸

· 更高的效率

這些都是極其重要的特性，它們?cè)试S擁有 30 年前無(wú)法想象的應(yīng)用程序。最初，雙極晶體管是唯一真正的電源開關(guān)。它需要高基極電流來(lái)傳導(dǎo)，具有非常慢的關(guān)斷特性，并且受熱漂移問(wèn)題的影響。MOSFET 變得流行，因?yàn)樗鼈兪茈妷嚎刂贫皇请娏骺刂?。MOSFET 不受熱漂移的影響，開關(guān)損耗更低。因此，它是電源轉(zhuǎn)換器中使用最多的組件。IGBT 在 1980 年代接管。IGBT 是雙極晶體管和 MOSFET 之間的混合元件。它具有雙極晶體管的傳導(dǎo)特性，但它像 MOSFET 一樣是電壓控制的。IGBT 受熱漂移的影響，可以通過(guò)附加電路來(lái)減少熱漂移。如今，SiC 和 GaN MOSFET 是新型電子開關(guān)，具有卓越的性能。IGBT 可處理 5,000 V 的電壓和 1,000 A 的電流，但最大開關(guān)頻率不超過(guò) 100 kHz。MOSFET 在高頻下工作良好，但導(dǎo)通電阻相對(duì)較高。碳化硅器件克服了這些問(wèn)題。我們不會(huì)詳細(xì)介紹技術(shù)細(xì)節(jié)，但我們將在靜態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的模擬，以計(jì)算每個(gè)單獨(dú)元素的效率。

效率

在電力電子領(lǐng)域，效率是一個(gè)很容易概念化的術(shù)語(yǔ)：100% 是一個(gè)很大的價(jià)值，0% 是不好的。在許多應(yīng)用中，能源的有效利用是一個(gè)關(guān)鍵因素。超過(guò) 90% 的效率被認(rèn)為是良好的結(jié)果，但現(xiàn)代設(shè)備允許更高的效率。高效的電源以熱量的形式獲得更少的能量浪費(fèi)，這會(huì)降低電子元件的平均壽命。效率對(duì)最終設(shè)備的可靠性和耐用性以及能源消耗有很大影響。如果效率更高，則功耗和熱損耗會(huì)更低。在非常高功率的轉(zhuǎn)換器中，即使是一小部分的效率提高也可以轉(zhuǎn)化為巨大的能源節(jié)約，從而節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。此外，效率越高，無(wú)源和有源元件的工作溫度越低，系統(tǒng)的整體可靠性就越好。效率計(jì)算為輸出功率除以輸入功率，通常以百分比表示。輸入功率和輸出功率之間的差異是電源中以熱量形式浪費(fèi)和損失的功率。計(jì)算電路效率的基本公式是：

器件的傳導(dǎo)通道的這個(gè)電阻越低，電路的效率就越高。這樣，電子元件會(huì)散發(fā)更少的熱量并且會(huì)更好地工作。

使用的電子元件

對(duì)于我們的測(cè)試和模擬，我們選擇了一些非常強(qiáng)大且堅(jiān)固的電子元件(參見(jiàn)圖 1)，它們是電力項(xiàng)目中大量使用的真正主力，并且至今仍被廣泛使用。以下列表還描述了最重要的特征：

· 晶體管 BJT 2N3055：VCE：100 V，IC：7 A，P：115 W，Tj：200°C，β：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

圖 1：用于效率測(cè)試的電子設(shè)備

模擬

圖 2 顯示了四種電子設(shè)備的應(yīng)用方案。這是四個(gè)等效的電子開關(guān)，它們使半導(dǎo)體元件達(dá)到飽和，驅(qū)動(dòng)相當(dāng)穩(wěn)健的負(fù)載。一般特性涉及負(fù)載的靜態(tài)運(yùn)行，具有以下特點(diǎn)：

· 電源電壓：80V

· 阻性負(fù)載：15Ω

· 預(yù)期電流：約 5.3 A

圖 2：四個(gè)電子開關(guān)的接線圖

讓我們檢查一下接線圖，它實(shí)際上由四個(gè)不同的部分組成。第一部分使用硅功率晶體管?；鶚O必須適當(dāng)極化，以使電流等于基極乘以集電極上的放大系數(shù) (β) 的電流。因此，基極被電流驅(qū)動(dòng)。第二部分包括一個(gè)硅 MOSFET，要使其導(dǎo)通，需要足夠的 VGS 電壓。第三部分涉及使用 IGBT，而第四部分使用 SiC MOSFET。為了確定真正的效率，所有能量發(fā)生器產(chǎn)生的功率也必須包含在公式中。因此，這四個(gè)公式如下。對(duì)于晶體管級(jí)：

對(duì)于硅 MOSFET 級(jí)：

對(duì)于 IGBT 級(jí)：

對(duì)于 SiC FET 級(jí)：

四個(gè)電路的效率如下：

· 晶體管：96.54%

· 硅 MOSFET：99.51%

· IGBT：98.68%

· 碳化硅MOSFET：99.93%

觀察每個(gè)設(shè)備在完全運(yùn)行時(shí)的功耗是很有趣的：

· 晶體管：3.7 W

· 硅 MOSFET：2.1 瓦

· IGBT：5.5 瓦

· SiC MOSFET：僅 0.3 W

以及集電極-發(fā)射極或漏-源溝道的等效電阻，計(jì)算公式為：

· 晶體管：116.4 mΩ

· 硅 MOSFET：74.6 mΩ

· IGBT：200.5 毫歐

· MOSFET 碳化硅：9.9 mΩ

圖 3：四種設(shè)備的效率圖表

SPICE 仿真包括以下用于計(jì)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

使用晶體管的第一個(gè)解決方案包含計(jì)算兩種能源(基極和集電極)的功率。對(duì)于其他三個(gè)模擬，不需要計(jì)算柵極上的能量，因?yàn)楫a(chǎn)生的功率非常低，因?yàn)?MOSFET 是由電壓驅(qū)動(dòng)的。

結(jié)論

在設(shè)計(jì)電源時(shí)，必須考慮可靠性和安全性。設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)審查提供的數(shù)據(jù)并運(yùn)行大量測(cè)試來(lái)計(jì)算最差使用效率。功率損耗(靜態(tài)和動(dòng)態(tài))的計(jì)算是電源電路設(shè)計(jì)的必要步驟。改進(jìn)開關(guān)系統(tǒng)和提高電路效率的技術(shù)有很多，每種功率器件都有自己的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，具體取決于應(yīng)用(參見(jiàn)圖 4 中的圖表)。

圖 4：輸入電壓掃描的電流圖