效率

在電力電子領(lǐng)域，效率是一個(gè)容易概念化的術(shù)語(yǔ)：100% 是一個(gè)很好的值，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源浪費(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，功耗和熱損耗就會(huì)更低。在超高功率轉(zhuǎn)換器中，即使效率提高的一小部分也能轉(zhuǎn)化為巨大的能源節(jié)約，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)約。此外，效率越高，無(wú)源和有源元件的工作溫度越低，系統(tǒng)的整體可靠性越好。效率的計(jì)算方法是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值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：

器件傳導(dǎo)通道的電阻越低，電路的效率就越高。這樣，電子元件就會(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)大和強(qiáng)大的電子元件（參見(jiàn)圖 1），它們是電力項(xiàng)目中大量使用的真正主力，至今仍在廣泛使用。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，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

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。這些是四個(gè)等效的電子開(kāi)關(guān)，它們使半導(dǎo)體組件達(dá)到飽和狀態(tài)，從而驅(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)操作，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(kāi)關(guān)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。基極必須適當(dāng)極化，才能使電流等于基極電流乘以放大系數(shù) (β) 流到集電極上。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。為了確定實(shí)際效率，所有發(fā)電機(jī)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)的功耗很有趣：

• 晶體管：3.7W
• 硅 MOSFET：2.1 瓦
• IGBT：5.5 瓦
• 碳化硅 MOSFET：僅 0.3 W

以及集電極-發(fā)射極或漏極-源極通道的等效電阻，計(jì)算公式為：

• 晶體管：116.4 mΩ
• 硅 MOSFET：74.6 mΩ
• IGBT：200.5mΩ
• MOSFET 碳化硅：9.9 mΩ

圖 3：四種設(shè)備的效率圖

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(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

使用晶體管的第一個(gè)解決方案包含計(jì)算兩個(gè)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)樯傻墓β蕵O低，因?yàn)?MOSFET 是用電壓驅(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)查看所提供的數(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。改善開(kāi)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