摘要：本文描述了采用不同器件来驱动阻性负载的电源电路仿真，其目的是找出在相同电源电压和负载阻抗条件下，哪种电子开关的效率最高。
1、开关器件的发展
电子开关经过多年的发展已经变得越来越强大，其演变历程涵盖了多个方面，例如：
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更低的导通通道电阻
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不断降低的成本
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越来越高的开关速度
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占板空间减少，外形尺寸变小
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更高的效率
上述这些都是电子开关的关键特性，发展到今天，它们可以实现的应用是30年前无法想象的。最初，双极晶体管是唯一真正的电源开关，但它需要很高的基极电流才能导通，同时具有非常缓慢的关断特性，而且易受不良热漂移的影响。后来，MOSFET开始流行，因为它受电压控制而不是电流控制，而且不受热漂移的影响，开关损耗也较低。因此，MOSFET成为电源转换器中最常用的器件。
到1980年代，IGBT（绝缘栅双极晶体管）出现了，这是一种介于双极晶体管和MOSFET之间的混合器件。它具有双极晶体管的导通特性，但又像MOSFET一样受电压控制。IGBT也会受热漂移的影响，但可以通过附加电路来减轻其影响。如今，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）MOSFET是最新型的电子开关，其性能更加卓越。IGBT可处理高达5,000 V 的电压和1,000 A的电流，但其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；而SiC器件可以克服所有这些问题。本文对技术细节不做讨论，但会进行静态状态下的一些简单仿真，以计算每种元件的效率。
2、效率
在电力电子领域，效率是一个很容易概念化的术语：即100%代表优秀，而0%代表极差。在许多应用中，能源的有效利用都是一个关键因素。高于90%的效率一般被认为是相对优良的结果，但现代设备可以实现更高的效率。高效的电源转换产生的热量较低，可以减少能源浪费，而较高的热量会降低电子器件的使用寿命。效率对最终设备的可靠性、耐用性以及能耗也有很大影响。效率越高，功耗和热损耗就越低。在超高功率转换器中，效率的微小提升也能转化为巨大的能源节约，从而更加经济有效。此外，效率越高，无源和有源组件的工作温度就越低，系统的整体可靠性就越高。效率的计算是将输出功率除以输入功率，并以百分比表示。输入功率和输出功率之差即为电源中以热量形式浪费和损失的功率。电路效率的基本计算公式如下：
电源器件的导通电阻越低，电路的效率越高，电子器件就会产生更少的热量，从而更好地工作。
3、测试中采用的电子器件
在测试和仿真中，我们选择了部分功能强大且性能稳健的电子器件（见图 1）。这些元件是电源解决方案的核心组件，现今仍然被广泛应用。下面罗列了其最重要的特性：
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晶体管 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
图1: 效率测试中采用的器件
4、仿真
图2显示了采用不同电子器件的四种应用方案。它们是四个等效的电子开关，可以使半导体器件达到饱和状态，以驱动相当稳健的负载。其一般特性涉及负载的静态操作，具体如下：
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电源电压：80V
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阻性负载：15Ω
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预期电流：约 5.3 A
图2: 四种电子开关的接线图
上面所示的接线图由四个不同的部分组成。第一部分采用硅功率晶体管，其基极必须适当极化，以使集电极上的电流等于基极电流乘以放大系数 (β) 。因此，基极是被电流驱动的。第二部分采用硅MOSFET，要使其导通，需要足够的VGS电压。第三部分采用IGBT，而第四部分采用SiC MOSFET。为了确定各部分的实际效率，所有能量发生器产生的功率都必须包括在公式中。因此，我们得到如下四个公式。
对晶体管而言：
对硅MOSFET而言：
对IGBT而言：
对SiC FET而言：
四种电路的效率分别如下：
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晶体管：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%
观察每个器件在完全运行状态下的功耗，会发现：
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晶体管：3.7W
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硅MOSFET：2.1 W
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IGBT：5.5W
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SiC MOSFET：仅0.3 W
集电极-发射极或漏极-源极通道的等效电阻计算公式为：
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晶体管：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
图3：四种器件的效率柱形图
在SPICE仿真中，用于计算效率的指令如下：
.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
在采用晶体管的第一个方案中包含了两种能量来源（基极和集电极）的功率计算。而其他三种仿真则无需计算栅极上的能量，因为MOSFET是电压驱动器件，其栅极功耗极低。
5、结语
导读：在设计电源时，必须考虑其可靠性和安全性。设计人员需要仔细查看提供的数据，并进行大量测试来计算最差使用效率。功耗（静态和动态）的计算是电源电路设计的必要步骤。改善开关系统和提高电路效率的技巧有很多，每种功率器件也都有其自身特点和优缺点，具体应根据应用而定（见图4）。
图4: 扫描输入电压得到的电流图
来源： 电子工程专辑 Giovanni DiMaria
