Page 49 - RISC-V創新百花齊放中國MCU業者積極佈局

DESIGN CORNER
設計新技術
比較四種開關元件的效率
Giovanni Di Maria，Power Electronics News
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。
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 S i C 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。
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
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開關元件的發展
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。
測試中採用的電子元件
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
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Tj:200°C，beta:70 MOSFET Si IRF530:VDS: 100V、Rds(on):0.18Ω、Id: 14A、P:75W、Tj: 150°C IGBT IXYH82N120C3: VCE:1,200V、VGE:20V、IC: 200A、P: 1,250W、Tj:175°C
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、
• SiCMOSFETUF3SC065007K4S: 2021年11月 | www.eettaiwan.com