比較四種開關元件的效率

作者 : Giovanni Di Maria,Power Electronics News

在設計電源時,必須考慮其可靠性和安全性。設計人員需要仔細查看提供的資料,並進行大量測試來計算最差使用效率,功耗(靜態和動態)的計算是電源電路設計的必要步驟。

本文描述了採用不同元件來驅動阻性負載的電源電路模擬,其目的是找出在相同電源電壓和負載阻抗條件下,哪種電子開關的效率最高。

開關元件的發展

電子開關經過多年的發展已經變得越來越強大,其演變歷程涵蓋了多個方面,例如:

  • 更低的導通通道電阻
  • 不斷降低的成本
  • 越來越高的開關速度
  • 佔板空間減少,外形尺寸變小
  • 更高的效率

上述這些都是電子開關的關鍵特性,發展到今天,它們可以實現的應用是30年前無法想像的。最初,雙極電晶體是唯一真正的電源開關,但它需要很高的基極電流才能導通,同時具有非常緩慢的關斷特性,而且易受不良熱漂移的影響。後來,MOSFET開始流行,因為它受電壓控制而不是電流控制,而且不受熱漂移的影響,開關損耗也較低。因此,MOSFET成為電源轉換器中最常用的元件。

到1980年代,絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)出現了,這是一種介於雙極電晶體和MOSFET之間的混合元件。它具有雙極電晶體的導通特性,但又像MOSFET一樣受電壓控制,IGBT也會受熱漂移的影響,但可以透過附加電路來減輕其影響。如今,碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN) MOSFET是最新型的電子開關,其性能更加卓越。IGBT可處理高達5,000V的電壓和1,000A的電流,但其最大開關頻率不超過100kHz;MOSFET在高頻下工作良好,但導通電阻相對較高;而SiC元件可以克服所有這些問題。本文對技術細節不做討論,但會進行靜態狀態下的一些簡單模擬,以計算每種元件的效率。

效率

在電力電子領域,效率是一個很容易概念化的術語:即100%代表優秀,而0%代表極差。在許多應用中,能源的有效利用都是一個關鍵因素。高於90%的效率一般被認為是相對優良的結果,但現代設備可以實現更高的效率。高效的電源轉換產生的熱量較低,可以減少能源浪費,而較高的熱量會降低電子元件的使用壽命。效率對最終設備的可靠性、耐用性,以及能耗也有很大影響,效率越高,功耗和熱損耗就越低。在超高功率轉換器中,效率的微小提升也能轉化為巨大的能源節約,從而更加經濟有效。此外,效率越高,被動和主動元件的工作溫度就越低,系統的整體可靠性就越高。效率的計算是將輸出功率除以輸入功率,並以百分比表示,輸入功率和輸出功率之差即為電源中以熱量形式浪費和損失的功率。電路效率的基本計算公式如下:

電源元件的導通電阻越低,電路的效率越高,電子元件就會產生更少的熱量,從而更好地工作。

測試中採用的電子元件

在測試和模擬中,本文選擇了部分功能強大且性能穩健的電子元件(圖1)。這些元件是電源解決方案的核心元件,現今仍然被廣泛應用。以下羅列其最重要的特性:

  • 電晶體BJT 2N3055:VCE:100V、IC:7A、P:115W、 Tj:200℃,beta:70
  • MOSFET Si IRF530:VDS:100V、Rds(on):0.18Ω、Id:14A、P:75W、Tj: 150℃
  • IGBT IXYH82N120C3:VCE:1,200V、VGE:20V、IC:200A、P: 1,250W、Tj:175℃
  • SiC MOSFET UF3SC065007K4S:VDS:650V、Rds(on):0.009Ω、VGS:20V、Id:120A、 P:789W、Tj:175℃

 

圖1:效率測試中採用的元件。

 

模擬

圖2顯示了採用不同電子元件的四種應用方案。它們是四個等效的電子開關,可以使半導體元件達到飽和狀態,以驅動相當穩健的負載。其一般特性涉及負載的靜態操作,具體如下:

  • 電源電壓:80V
  • 阻性負載:15Ω
  • 預期電流:約5.3A

 

圖2:四種電子開關的接線圖。

 

圖2所示的接線圖由四個不同的部分組成,第一部分採用矽功率電晶體,其基極必須適當極化,以使集電極上的電流等於基極電流乘以放大係數(β),因此,基極是被電流驅動的。第二部分採用矽MOSFET,要使其導通,需要足夠的VGS電壓。第三部分採用IGBT,而第四部分採用SiC MOSFET。為了確定各部分的實際效率,所有能量產生器產生的功率都必須包括在公式中,因此,得到如下四個公式。

對電晶體而言:

對矽MOSFET而言:

對IGBT而言:

對SiC FET而言:

四種電路的效率分別如下:

  • 電晶體:96.54%
  • 矽MOSFET:99.51%
  • IGBT:98.68%
  • SiC MOSFET:99.93%

觀察每個元件在完全運作狀態下的功耗,會發現:

  • 電晶體:3.7W
  • 矽MOSFET:2.1W
  • IGBT:5.5W
  • SiC MOSFET:僅0.3W

集電極-發射極或汲極-源極通道的等效電阻計算公式為:

  • 電晶體:116.4mΩ
  • 矽MOSFET:74.6mΩ
  • IGBT:200.5mΩ
  • SiC MOSFET:9.9mΩ

 

圖3:四種元件的效率直條圖。

 

在SPICE模擬中,用於計算效率的指令如下:

  • 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

在採用電晶體的第一個方案中包含了兩種能量來源(基極和集電極)的功率計算。而其他三種模擬則無需計算閘極上的能量,因為MOSFET是電壓驅動元件,其閘極功耗極低。

結語

在設計電源時,必須考慮其可靠性和安全性。設計人員需要仔細查看提供的資料,並進行大量測試來計算最差使用效率,功耗(靜態和動態)的計算是電源電路設計的必要步驟。

改善開關系統和提高電路效率的技巧有很多,每種功率元件也都有其自身特點和優缺點,具體應根據應用而定(圖4)。

 

圖4:掃描輸入電壓得到的電流圖。

 

(參考原文:Power Supply Design Notes: Comparing Different Efficiencies of Devices,by Giovanni Di Maria)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年11月號

 

 

 

 

 

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論