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电源系统如何进行评估?从效率参数开始

2023-10-08 15:17:47 Giovanni Di Maria 阅读:
当将一种形式的能量转换为另一种形式的能量时,一些能量会以无法使用的热量的形式耗散掉,效率是电力电子领域的一个关键概念···

电力电子技术是一个不断发展的领域。高工作温度、高电压和高开关频率需要新的性能,而这些性能只有氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等材料才能提供。电子开关作为现代技术的基础器件,多年来,它们经历了重大的发展,在功率、效率、速度和成本方面都有所改进。最初的运行和经济限制正在逐渐消失,各种开关器件的性能也在逐年提高。最近,SiC和GaN MOSFET又向前迈进了一步,在功率、效率、速度和成本方面提供了卓越的性能。现代电子开关有助于开发新的应用,例如电动汽车、电力电子和可再生能源,从而实现非常高的效率。sdjednc

效率

当将一种形式的能量转换为另一种形式的能量时,一些能量会以无法使用的热量的形式耗散掉。效率是电力电子领域的一个关键概念。它是输入功率转换为输出功率的百分比。效率高意味着作为热量浪费的能量少。系统的效率受到许多因素的影响,以低导通电阻为特征的元件技术水平、电路的配置(如果设计良好,可以减少开关和传导)以及工作条件(例如温度、使用电压和工作电流)。高系统效率非常重要,原因如下:sdjednc

  • 节能:高效电路能耗更低,可以大大节省能源成本。
  • 可靠性:高效的系统产生的热量更少,可延长电子元件的使用寿命。
  • 性能:高效的电路可提供更好的性能、更大的功率或更长的电池寿命。

请记住,如今计算电路效率的主要公式与欧姆定律一样重要,其计算公式如下:sdjednc

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其中:sdjednc

  • Eff(%)是效率百分比,介于0%(完全没有效率)和100%(理想系统)之间。
  • P(out)是输出负载消耗的功率。
  • P(in)是电源为整个电路提供能量所消耗的功率。

用一个简单的例子就可以立即阐明这个概念。假设我们有一个逆变器,它从发电机吸收1000W的功率,并在输出时提供了900W的功率。很明显,由于电路的运行会产生热量,因此损失了100W功率,该系统的效率就为90%。图1举例说明了电子开关不同导通电阻的影响。对数图显示了假定的电子开关功耗与其Rds(ON)(导通电阻)的函数关系。具体来说,测量的数据包括Rds(ON)值、电子开关消耗的功率以及整个系统的效率,如下表所示:sdjednc

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Rds(ON) 功率S1 Eff
256W 83.33%
0.1Ω 35.432528W 98.04%
0.01Ω 3.6716986W 99.80%
0.001Ω 368.49259 mW 99.98%

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可以看出,随着器件导通电阻的降低,所有其他参数都会同步提高,首先的就是整个系统的效率。Rds(ON)值为1mΩ时,整体效率已经接近理想值。sdjednc

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图1:系统的效率主要取决于电子器件的Rds(ON)参数sdjednc

如今,现代逆变器的效率可以达到98%以上,几乎可以将所有输入功率转化为输出功率。为了提高电路的最终性能,各家企业都在努力创造尽可能少浪费能源的设计,并尽可能多地将输入能源用于输出负载。能源效率在运输行业尤其受到重视,因为该行业耗能巨大,效率降低百分之几就会明显地增加运行温度和总成本。在动态条件下,效率的降低也由功率损耗决定,因为实际情况无法生产理想的电子元件。功率损耗存在于所有采用开关技术的转换器件中。它们发生在电子开关的开关过程中,因为它们的状态变化不够快,相关的涡流会导致能量耗散。实际上,开关速度非常快的晶体管和MOSFET无法立即完成导通沟道的打开和关闭操作,在这种情况下,耗散的功率会大幅上升(见图2)。从一种逻辑状态到另一种逻辑状态的转变不是瞬时完成的。sdjednc

有一些技术可以减少开关损耗,例如通过软开关和硬开关来实现零电压或零电流损耗。高效系统的设计相当复杂,因为它涉及对功率理论、所用各个电子元件的特性、热规格和散热系统的研究。在电流的上升沿期间,会出现对称的电压下降沿,但由于这些信号不是瞬时的,因此平均功耗往往会增加。不幸的是,正是在上升沿或下降沿期间,功耗最大。sdjednc

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图2:功率损耗主要发生在开关沿sdjednc

SiC MOSFET的效率

SiC MOSFET是开关系统的理想元件。为了将能量耗散保持在最低限度,D-S沟道的电阻必须极低。该参数被定义为Rds(ON),是处于“ON”状态时漏极和源极之间的欧姆电阻。该值越低,D-S沟道中的电流越大,热量和功耗越小。SiC MOSFET具有极低的Rds(ON),可实现非常高效的系统设计。它们因其优异的物理和化学特性而脱颖而出,适用于汽车、工业、航空航天和军事应用。它们具有优异的化学、热和机械性能,例如高导热性、高频率和高工作温度(高达200°C)、低功率和低开关损耗、高能效、优异的抗热冲击性能等。sdjednc

图3显示了向负载提供脉动电压的PWM电源的通用电路图。通过调节信号的占空比,可以适当地调整提供给负载的功率。然而,假设我们以50%的占空比运行,仅关注开关频率。从图中可以看出,效率随着开关频率的增加而降低,这是完全正常的。同样,频率越高,电感元件(电感器、电容器、线圈和变压器)的尺寸就越小,这也是事实。设计人员必须在数百个不同变量之间找到折衷方案,以创建具有最高效率的系统。sdjednc

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图3:开关器件并不理想,工作频率是有上限的sdjednc

结论

当今的电源系统设计是一门艺术。设计人员必须仔细研究他们所掌握的数据,并进行许多测试,以计算系统的效率,尤其是在最坏情况下的效率。他们还需要计算功率损耗和散热参数。分析的前提是进行全面的研究,其中也包括选择优秀的电子元件。电路的改进必须考虑到环境因素,并符合当今繁多的各种法规。因此,用户和消费者不应购买价格极其低廉的产品,而应寻找具有最高效率特点的产品,同时应要注意有些器件宣传的效率非常高,但只有在理想条件下才能实现。sdjednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb,参考链接:Power systems: the first parameter to evaluate is efficiency,由Ricardo Xie编译。)sdjednc

责编:Ricardo
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