摘要：本文描述了采用不同器件來驅動阻性負載的電源電路仿真，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。
1、開關器件的發展
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：
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更低的導通通道電阻
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不斷降低的成本
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越來越高的開關速度
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占板空間減少，外形尺寸變小
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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年前無法想象的。最初，雙極晶體管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。后來，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器件。
到1980年代，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）出現了，這是一種介于雙極晶體管和MOSFET之間的混合器件。它具有雙極晶體管的導通特性，但又像MOSFET一樣受電壓控制。IGBT也會受熱漂移的影響，但可以通過附加電路來減輕其影響。如今，碳化硅（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5,000 V 的電壓和1,000 A的電流，但其最大開關頻率不超過100 kHz；MOSFET在高頻下工作良好，但導通電阻相對較高；而SiC器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仿真，以計算每種元件的效率。
2、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。高于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器件的使用壽命。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，無源和有源組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，并以百分比表示。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：
電源器件的導通電阻越低，電路的效率越高，電子器件就會產生更少的熱量，從而更好地工作。
3、測試中采用的電子器件
在測試和仿真中，我們選擇了部分功能強大且性能穩健的電子器件（見圖 1）。這些元件是電源解決方案的核心組件，現今仍然被廣泛應用。下面羅列了其最重要的特性：
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晶體管 BJT 2N3055：VCE：100 V，IC：7 A，P：115 W，Tj：200°C，beta：70
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MOSFET Si IRF530：VDS：100 V，Rds(on)：0.18 Ω，Id：14 A，P：75 W，Tj：150°C
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IGBT IXYH82N120C3：VCE：1200 V，VGE：20 V，IC：200 A，P：1250 W，Tj：175°C
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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: 效率測試中采用的器件
4、仿真
圖2顯示了采用不同電子器件的四種應用方案。它們是四個等效的電子開關，可以使半導體器件達到飽和狀態，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：
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電源電壓：80V
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阻性負載：15Ω
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預期電流：約 5.3 A
圖2: 四種電子開關的接線圖
上面所示的接線圖由四個不同的部分組成。第一部分采用硅功率晶體管，其基極必須適當極化，以使集電極上的電流等于基極電流乘以放大系數 (β) 。因此，基極是被電流驅動的。第二部分采用硅MOSFET，要使其導通，需要足夠的VGS電壓。第三部分采用IGBT，而第四部分采用SiC MOSFET。為了確定各部分的實際效率，所有能量發生器產生的功率都必須包括在公式中。因此，我們得到如下四個公式。
對晶體管而言：
對硅MOSFET而言：
對IGBT而言：
對SiC FET而言：
四種電路的效率分別如下：
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晶體管：96.54%
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硅MOSFET：99.51%
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IGBT：98.68%
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SiC MOSFET：99.93%
觀察每個器件在完全運行狀態下的功耗，會發現：
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晶體管：3.7W
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硅MOSFET：2.1 W
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IGBT：5.5W
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SiC MOSFET：僅0.3 W
集電極-發射極或漏極-源極通道的等效電阻計算公式為：
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晶體管：116.4 mΩ
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硅MOSFET：74.6 mΩ
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IGBT：200.5mΩ
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SiC MOSFET：9.9 mΩ
圖3：四種器件的效率柱形圖
在SPICE仿真中，用于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
在采用晶體管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。而其他三種仿真則無需計算柵極上的能量，因為MOSFET是電壓驅動器件，其柵極功耗極低。
5、結語
導讀：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數據，并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，每種功率器件也都有其自身特點和優缺點，具體應根據應用而定（見圖4）。
圖4: 掃描輸入電壓得到的電流圖
來源： 電子工程專輯 Giovanni DiMaria
