电源设计注意事项：比较不同设备的效率

本教程说明了使用不同设备驱动电阻负载的电源电路的几个模拟。其目的是找出在电源电压和负载阻抗相同的情况下，哪个电子开关效率最高。

多年来，电子开关取得了长足的进步，并且变得更加强大。它们的演变涉及各种因素，例如：

• 传导通道电阻
• 不断降低的成本
• 更高的开关速度
• 占用空间减少，外形尺寸更小
• 更高的效率

这些都是极其重要的特性，它们允许拥​​有 30 年前无法想象的应用程序。最初，双极晶体管是唯一真正的电源开关。它需要高基极电流才能传导，具有非常缓慢的关断特性，并且会受到有问题的热漂移的影响。MOSFET 开始流行，因为它们受电压控制而不是电流控制。MOSFET 不受热漂移的影响，开关损耗较低。因此，它是电源转换器中最常用的组件。IGBT 在 1980 年代接手。IGBT 是双极晶体管和 MOSFET 之间的混合组件。它具有双极晶体管的导通特性，但像 MOSFET 一样受电压控制。IGBT 受热漂移的影响，可以通过附加电路来减少热漂移。如今，SiC 和 GaN MOSFET 是新型电子开关，具有卓越的性能。IGBT 可处理 5,000 V 的电压和 1,000 A 的电流，但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。SiC 器件可以克服这些问题。我们不会讨论技术细节，但会在静态状态下进行一些简单的模拟，以计算每个单独元件的效率。

在电力电子领域，效率是一个容易概念化的术语：100% 是一个很好的值，0% 是不好的。在许多应用中，能源的有效利用是一个关键因素。超过 90% 的效率被认为是好的结果，但现代设备允许更高的效率。高效的电源以热量的形式获得更少的能源浪费，这会降低电子元件的平均寿命。效率对最终设备的可靠性和耐用性以及能源消耗有很大影响。如果效率更高，功耗和热损耗就会更低。在超高功率转换器中，即使效率提高的一小部分也能转化为巨大的能源节约，从而实现经济节约。此外，效率越高，无源和有源元件的工作温度越低，系统的整体可靠性越好。效率的计算方法是输出功率除以输入功率，通常以百分比表示。输入功率和输出功率之间的差值是电源中以热量形式浪费和损失的功率。计算电路效率的基本公式是：