比較四種開關元件的效率 - 電子工程專輯

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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:. 【3/10熱烈報名中】寬能隙元件技術暨未來應用趨勢研討會! 報名抽好禮>> 登入 註冊 聯繫 首頁 新聞 TechRoom 產品新知 網通技術 電源技術 控制技術 可程式邏輯技術 處理器技術 感測器/MEMS技術 EDA/IP技術 光電技術 儲存技術 介面技術 無線技術 製造技術 放大/轉換技術 嵌入式系统 測試/量測技術 下載 線上研討會 小測驗 影音 視訊 onAir 申請中心 研討會與活動 EEAwardsAsia 雜誌 各期雜誌線上看 2022年2月雜誌 編輯計劃表 訂閱雜誌 X 首頁»技術文庫»比較四種開關元件的效率 比較四種開關元件的效率 作者:GiovanniDiMaria,PowerElectronicsNews 類別:技術文庫 2021-11-23 (0)評論 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:【白皮書免費下載】針對不同的FPGA平台最佳化HLS程式碼 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BJT2N3055:VCE:100V、IC:7A、P:115W、Tj:200℃,beta:70 MOSFETSiIRF530:VDS:100V、Rds(on):0.18Ω、Id:14A、P:75W、Tj:150℃ IGBTIXYH82N120C3:VCE:1,200V、VGE:20V、IC:200A、P:1,250W、Tj:175℃ SiCMOSFETUF3SC065007K4S: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SiCMOSFET。

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SiCFET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% SiCMOSFET: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 SiCMOSFET: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 SiCMOSFET: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: measTRANEffic1AVG(abs(V(N001,N005)*I(R2)))/((abs(V(N001)*I(V3)))+(abs(V(N009)*I(V4))))*100 measTRANEffic2AVGabs(V(N002,N006)*I(R4))/abs(V(N002)*I(V5))*100 measTRANEffic3AVGabs(V(N003,N007)*I(R1))/abs(V(N003)*I(V1))*100 measTRANEffic4AVGabs(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:PowerSupplyDesignNotes:ComparingDifferentEfficienciesofDevices,byGiovanniDiMaria) 本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年11月號           訂閱EETimesTaiwan電子報 加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握! 分享TwitterFacebookLinkedInPrintMoreRedditTumblrPinterestPocketTelegramWhatsAppSkype Related 文章Tag: GaNIGBTMOSFETSiC氮化鎵碳化矽絕緣閘極雙極性電晶體超高功率轉換器開關元件雙極電晶體 發表評論 取消回覆 YoumustRegisteror Logintopostacomment. 訂閱EETimesTaiwan電子報 最新文章 最熱門文章 2022-03-01 音訊訊號檢測設計指南 2022-03-01 寬能隙功率半導體競爭格局及趨勢分析 2022-03-01 科技部帶領台灣產業朝淨零目標邁進 2022-03-01 採用後量子加密技術的TPM安全晶片 2022-03-01 COVID-19疫苗追蹤和監測的完整解決方案 2021-10-21 新標準讓嵌入式快閃記憶體元件更容易替換 2020-01-13 用AI幫你的廣告文案找靈感! 2022-02-21 展望來年3nm製程之爭 2019-07-03 從雲端走入凡間:「AIattheEdge」商機發酵中 2020-11-09 智慧家庭尚未準備就緒 2020-12-07 又是不怎麼智慧的智慧家庭設定… 2020-10-26 AiP技術為毫米波雷達帶來的演進與創新 2020-09-23 振興美國晶片製造業就對了?學者提異見 2020-08-12 H1-B簽證凍結 美科技業憂人才流失 2020-06-24 為何從不曾在高壓電線上看到鳥兒? 最新文章 交叉檢測 2022-03-01 音訊訊號檢測設計指南 GaN 2022-03-01 寬能隙功率半導體競爭格局及趨勢分析 共享社會經濟路徑 2022-03-01 科技部帶領台灣產業朝淨零目標邁進 PQC 2022-03-01 採用後量子加密技術的TPM安全晶片 RFID標籤 2022-03-01 COVID-19疫苗追蹤和監測的完整解決方案 最熱門文章 JEDEC 2021-10-21 新標準讓嵌入式快閃記憶體元件更容易替換 CES 2020-01-13 用AI幫你的廣告文案找靈感! 3nm製程 2022-02-21 展望來年3nm製程之爭 EDA/IP技術 2019-07-03 從雲端走入凡間:「AIattheEdge」商機發酵中 ConnectedHomeoverIP 2020-11-09 智慧家庭尚未準備就緒 EET電子工程專輯©2022本網站內之全部圖文,係屬於eMediaAsiaLtd所有,非經本公司同意不得將全部或部分內容轉載於任何形式之媒體 關於我們 隱私政策 用戶協議 繼續瀏覽網站



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