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。
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：
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：
其中：
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：
| Rds(ON) | 功率S1 | Eff |
| 1Ω | 256W | 83.33% |
| 0.1Ω | 35.432528W | 98.04% |
| 0.01Ω | 3.6716986W | 99.80% |
| 0.001Ω | 368.49259 mW | 99.98% |
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。
图1：系统的效率主要取决于电子器件的Rds(ON)参数
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。
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。
图2：功率损耗主要发生在开关沿
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。
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。
图3：开关器件并不理想，工作频率是有上限的
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。
(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。)
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