1通過(guò)逆變電路的損耗分析選擇合適器件

在研究逆變電路的損耗時(shí)，所使用的功率器件選型也非常重要。不僅要實(shí)現(xiàn)預(yù)期的電路工作和特性，同時(shí)還需要進(jìn)行優(yōu)化以將損耗降至更低。本文將功率器件的損耗分為開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗進(jìn)行分析，以此介紹選擇合適器件的方法。

2用于仿真的逆變電路

本次以Power Device Solution Circuit一覽中的逆變電路“B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW”（圖1）。通過(guò)更改該逆變電路中黃色框中的內(nèi)容進(jìn)行仿真，從而進(jìn)行損耗分析并選擇合適器件。

圖1：Power Device Solution Circuit逆變電路B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW

3損耗分析方法

為了說(shuō)明損耗分析方法，首先以DC-DC轉(zhuǎn)換器為例進(jìn)行說(shuō)明。圖2展示了MOSFET在開(kāi)關(guān)時(shí)VDS、ID、損耗（Pd）以及對(duì)損耗進(jìn)行時(shí)間積分后的能量（E）的仿真波形。ROHM Solution Simulator中，可以用仿真結(jié)果顯示工具Waveform Viewer中的Waveform Analyzer的運(yùn)算功能對(duì)損耗進(jìn)行積分，并輕松輸出能量波形。

在圖2的能量波形中可以一目了然地看到開(kāi)關(guān)區(qū)間（Eon、Eoff）和導(dǎo)通區(qū)間（Econd）的消耗能量。此外，通過(guò)讀取光標(biāo)的差值，還可以獲得數(shù)值。

對(duì)于像DC-DC轉(zhuǎn)換器這樣輸入輸出恒定的情況，可以通過(guò)1個(gè)周期的能量與開(kāi)關(guān)頻率的乘積，分別計(jì)算出開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。

圖2：DC-DC轉(zhuǎn)換器電路的MOSFET波形

然而，在逆變電路中，如圖3所示，負(fù)載是波動(dòng)的，因此僅看部分開(kāi)關(guān)波形無(wú)法計(jì)算出整個(gè)電路工作的損耗。

對(duì)于這種器件損耗不恒定的電路工作，可以通過(guò)對(duì)損耗波形進(jìn)行分段，提取任意部分，分別計(jì)算出導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。

圖3：逆變電路的MOSFET波形

圖4左側(cè)的波形與圖3相同，是逆變電路的MOSFET波形，右側(cè)的波形是左側(cè)波形中藍(lán)色虛線(xiàn)部分的放大波形。右側(cè)波形圖中看到的黃色線(xiàn)波形是提取出的導(dǎo)通損耗波形。

為了僅提取導(dǎo)通損耗，此處的分段提取了“VGS為High”且“功率低于導(dǎo)通損耗最大值”時(shí)的功率。提取任意波形后，求出1個(gè)周期的平均值，分析損耗的比例。

圖4中，總損耗為29.5W，導(dǎo)通損耗為20.5W（從波形圖中的Average數(shù)值可知），因此開(kāi)關(guān)損耗為9.0W。由此可知損耗比例為導(dǎo)通損耗70%，開(kāi)關(guān)損耗30%。

圖4：從逆變電路的MOSFET波形中提取導(dǎo)通損耗（右側(cè)）

在本示例中，我們僅將損耗分為開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，但通過(guò)更詳細(xì)地設(shè)置分段條件，還可以進(jìn)一步細(xì)分為開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗、反向恢復(fù)損耗、寄生二極管損耗等。

4合適器件的探討

圖5展示了更換圖1所示的電路“B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW”中的功率器件MOSFET后各MOSFET的損耗分析結(jié)果。

圖5：逆變電路示例中各MOSFET的損耗分析結(jié)果

MOSFET型號(hào)名稱(chēng)中的第三和第四位數(shù)字（如R6050JNZ4中的“50”）表示電流額定值（ID）。即從左到右，同一系列MOSFET的ID分別為50A、42A、30A、20A。

從圖5可以看出，電流額定值越高，導(dǎo)通損耗（Conduction Loss）越低，而電流額定值越低，開(kāi)關(guān)損耗（Switching Loss）越低。因此，在圖1的電路中，可以選擇總損耗最小的R6030JNZ4作為合適器件。

5半橋逆變電路與全橋逆變電路的特點(diǎn)

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和工作驗(yàn)證時(shí)，需要了解其基本電路結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)。本節(jié)將分別介紹半橋逆變電路和全橋逆變電路的特點(diǎn)。

6用于仿真的逆變電路

使用“Power Device Solution Circuit逆變電路一覽”中的以下2個(gè)電路。

B-3. Half-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A（圖6）

B-4. Full-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A（圖7）

從Solution Circuit的標(biāo)題可以看出，B-3是半橋逆變電路，B-4是全橋逆變電路。電路圖如圖6和圖7所示。黃色框內(nèi)是后續(xù)特性比較仿真中更改條件的部分。

圖6：Power Device Solution Circuit逆變電路B-3. Half-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A

圖7：Power Device Solution Circuit逆變電路B-4. Full-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A

7半橋逆變電路與全橋逆變電路的優(yōu)缺點(diǎn)

表1總結(jié)了半橋逆變電路和全橋逆變電路的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1：半橋逆變電路與全橋逆變電路的優(yōu)缺點(diǎn)

雖然要看條件，但考慮到電路的特性，半橋電路適用于低電壓、大電流的應(yīng)用場(chǎng)景，而全橋電路則適用于高電壓、大功率的應(yīng)用場(chǎng)景。

8半橋逆變電路與全橋逆變電路的工作比較

圖8展示了圖6（半橋）和圖7（全橋）各電路在初始條件（Vin=500V）下的模塊損耗比較結(jié)果。輸出電流Io設(shè)置為在50～100A之間變動(dòng)（電路圖中的黃色框）。這里的模塊指的是1個(gè)半橋電路，而全橋電路基本上由2個(gè)半橋電路組成。

圖8：半橋電路與全橋電路的模塊損耗比較

通過(guò)仿真比較損耗可知，半橋電路由于開(kāi)關(guān)器件要承受2個(gè)電源的電壓，開(kāi)關(guān)損耗較大，單個(gè)模塊的損耗也比全橋電路的大。然而，從整個(gè)電路的損耗來(lái)看，全橋電路的2個(gè)模塊的導(dǎo)通損耗比半橋電路的損耗大，因此全橋電路的損耗更大。

接下來(lái)，假設(shè)半橋電路的VIN=500V只有一個(gè)電源，將其分割為VIN=250V×2進(jìn)行仿真（圖6黃色框中的輸入電壓）。

圖9展示了VIN=500V×2和VIN=250V×2情況下的輸出波形。從波形可以看出，VIN=250V×2時(shí)，VO在250V時(shí)達(dá)到上限。這是因?yàn)楸?所示的半橋電路的缺點(diǎn)，即“最高只能輸出1個(gè)電源的電壓”。輸出電壓設(shè)定值VO=200V的有效峰值電壓為282V，因此VIN=250V×2的電壓是不夠的。

圖9：半橋電路VIN=500V×2和VIN=250V×2的輸出波形比較

由此可見(jiàn)，半橋逆變電路和全橋逆變電路各有優(yōu)缺點(diǎn)，無(wú)法一概而論哪種更好。了解它們的特點(diǎn)并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行適當(dāng)選擇非常重要。