本教程說明了使用不同設(shè)備驅(qū)動電阻負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載阻抗的情況下哪個電子開關(guān)效率最高。

多年來的開關(guān)設(shè)備

多年來，電子開關(guān)已經(jīng)取得了長足的進步，并且變得更加強大。它們的演變涉及各種因素，例如：

· 傳導(dǎo)通道的電阻

· 越來越低的成本

· 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，它們允許擁有 30 年前無法想象的應(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傳導(dǎo)，具有非常慢的關(guān)斷特性，并且受熱漂移問題的影響。MOSFET 變得流行，因為它們受電壓控制而不是電流控制。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，可以通過附加電路來減少熱漂移。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 100 kHz。MOSFET 在高頻下工作良好，但導(dǎo)通電阻相對較高。碳化硅器件克服了這些問題。我們不會詳細介紹技術(shù)細節(jié)，但我們將在靜態(tài)狀態(tài)下進行一些簡單的模擬，以計算每個單獨元素的效率。

效率

在電力電子領(lǐng)域，效率是一個很容易概念化的術(shù)語：100% 是一個很大的價值，0% 是不好的。在許多應(yīng)用中，能源的有效利用是一個關(guān)鍵因素。超過 90% 的效率被認為是良好的結(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，這會降低電子元件的平均壽命。效率對最終設(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)濟成本。此外，效率越高，無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和損失的功率。計算電路效率的基本公式是：

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

使用的電子元件

對于我們的測試和模擬，我們選擇了一些非常強大且堅固的電子元件(參見圖 1)，它們是電力項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。這是四個等效的電子開關(guān)，它們使半導(dǎo)體元件達到飽和，驅(qū)動相當(dāng)穩(wěn)健的負載。一般特性涉及負載的靜態(tài)運行，具有以下特點：

· 電源電壓：80V

· 阻性負載：15Ω

· 預(yù)期電流：約 5.3 A

圖 2：四個電子開關(guān)的接線圖

讓我們檢查一下接線圖，它實際上由四個不同的部分組成。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。第二部分包括一個硅 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，這四個公式如下。對于晶體管級：

對于硅 MOSFET 級：

對于 IGBT 級：

對于 SiC FET 級：

四個電路的效率如下：

· 晶體管：96.54%

· 硅 MOSFET：99.51%

· IGBT：98.68%

· 碳化硅MOSFET：99.93%

觀察每個設(shè)備在完全運行時的功耗是很有趣的：

· 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解決方案包含計算兩種能源(基極和集電極)的功率。對于其他三個模擬，不需要計算柵極上的能量，因為產(chǎn)生的功率非常低，因為 MOSFET 是由電壓驅(qū)動的。

結(jié)論

在設(shè)計電源時，必須考慮可靠性和安全性。設(shè)計人員需要仔細審查提供的數(shù)據(jù)并運行大量測試來計算最差使用效率。功率損耗(靜態(tài)和動態(tài))的計算是電源電路設(shè)計的必要步驟。改進開關(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和優(yōu)缺點，具體取決于應(yīng)用(參見圖 4 中的圖表)。

圖 4：輸入電壓掃描的電流圖