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四种开关器件的效率比较

时间:2021-11-10 作者:Giovanni Di Maria 阅读:
在设计电源时,必须考虑其可靠性和安全性。设计人员需要仔细查看提供的数据,并进行大量测试来计算最差使用效率。功耗(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,每种功率器件也都有其自身特点和优缺点,具体应根据应用而定。
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本文描述了采用不同器件来驱动阻性负载的电源电路仿真,其目的是找出在相同电源电压和负载阻抗条件下,哪种电子开关的效率最高。

开关器件的发展

电子开关经过多年的发展已经变得越来越强大,其演变历程涵盖了多个方面,例如:

  • 更低的导通通道电阻
  • 不断降低的成本
  • 越来越高的开关速度
  • 占板空间减少,外形尺寸变小
  • 更高的效率

上述这些都是电子开关的关键特性,发展到今天,它们可以实现的应用是30年前无法想象的。最初,双极晶体管是唯一真正的电源开关,但它需要很高的基极电流才能导通,同时具有非常缓慢的关断特性,而且易受不良热漂移的影响。后来,MOSFET开始流行,因为它受电压控制而不是电流控制,而且不受热漂移的影响,开关损耗也较低。因此,MOSFET成为电源转换器中最常用的器件。

到1980年代,IGBT(绝缘栅双极晶体管)出现了,这是一种介于双极晶体管和MOSFET之间的混合器件。它具有双极晶体管的导通特性,但又像MOSFET一样受电压控制。IGBT也会受热漂移的影响,但可以通过附加电路来减轻其影响。如今,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)MOSFET是最新型的电子开关,其性能更加卓越。IGBT可处理高达5,000 V 的电压和1,000 A的电流,但其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;而SiC器件可以克服所有这些问题。本文对技术细节不做讨论,但会进行静态状态下的一些简单仿真,以计算每种元件的效率。

效率

在电力电子领域,效率是一个很容易概念化的术语:即100%代表优秀,而0%代表极差。在许多应用中,能源的有效利用都是一个关键因素。高于90%的效率一般被认为是相对优良的结果,但现代设备可以实现更高的效率。高效的电源转换产生的热量较低,可以减少能源浪费,而较高的热量会降低电子器件的使用寿命。效率对最终设备的可靠性、耐用性以及能耗也有很大影响。效率越高,功耗和热损耗就越低。在超高功率转换器中,效率的微小提升也能转化为巨大的能源节约,从而更加经济有效。此外,效率越高,无源和有源组件的工作温度就越低,系统的整体可靠性就越高。效率的计算是将输出功率除以输入功率,并以百分比表示。输入功率和输出功率之差即为电源中以热量形式浪费和损失的功率。电路效率的基本计算公式如下:

电源器件的导通电阻越低,电路的效率越高,电子器件就会产生更少的热量,从而更好地工作。

测试中采用的电子器件

在测试和仿真中,我们选择了部分功能强大且性能稳健的电子器件(见图 1)。这些元件是电源解决方案的核心组件,现今仍然被广泛应用。下面罗列了其最重要的特性:

  • 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: 效率测试中采用的器件

仿真

图2显示了采用不同电子器件的四种应用方案。它们是四个等效的电子开关,可以使半导体器件达到饱和状态,以驱动相当稳健的负载。其一般特性涉及负载的静态操作,具体如下:

  • 电源电压:80V
  • 阻性负载:15Ω
  • 预期电流:约 5.3 A

图2: 四种电子开关的接线图

上面所示的接线图由四个不同的部分组成。第一部分采用硅功率晶体管,其基极必须适当极化,以使集电极上的电流等于基极电流乘以放大系数 (β) 。因此,基极是被电流驱动的。第二部分采用硅MOSFET,要使其导通,需要足够的VGS电压。第三部分采用IGBT,而第四部分采用SiC MOSFET。为了确定各部分的实际效率,所有能量发生器产生的功率都必须包括在公式中。因此,我们得到如下四个公式。

对晶体管而言:

对硅MOSFET而言:

对IGBT而言:

对SiC FET而言:

四种电路的效率分别如下:

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

观察每个器件在完全运行状态下的功耗,会发现:

  • 晶体管:3.7W
  • 硅MOSFET:2.1 W
  • IGBT:5.5W
  • SiC MOSFET:仅0.3 W

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
  • SiC MOSFET:9.9 mΩ

图3:四种器件的效率柱形图

在SPICE仿真中,用于计算效率的指令如下:

.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

在采用晶体管的第一个方案中包含了两种能量来源(基极和集电极)的功率计算。而其他三种仿真则无需计算栅极上的能量,因为MOSFET是电压驱动器件,其栅极功耗极低。

结语

在设计电源时,必须考虑其可靠性和安全性。设计人员需要仔细查看提供的数据,并进行大量测试来计算最差使用效率。功耗(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巧有很多,每种功率器件也都有其自身特点和优缺点,具体应根据应用而定(见图4)。

图4: 扫描输入电压得到的电流图

(参考原文:Power Supply Design Notes: Comparing Different Efficiencies of Devices

本文为《电子工程专辑》2021年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

责编:Luffy Liu

  • SiC优势明显啊,估计价格也比较高吧?能加上价格比较就更完美了。
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