一种逆变器损耗分析与计算的新方法

向恢复峰值电流；UF(i)为二极管通态压降。
由上可见，本文提出的逆变器开关管开通损耗
和二极管关断损耗计算方法，由于充分分析了开关
管开通及二极管关断的相互关联影响，得到的损耗
表达式清楚地显示了开关管和二极管的特性对损
耗的影响因数。旧有的损耗分析不考虑两者相互作
用，在分析开关管开通损耗时，认为二极管为理想
KEY WORDS: power electronics; inverter; power loss; reverse recovery
摘要：提出一套完整的逆变器损耗分析计算方法，并以双 Buck 逆变器为例进行实际的计算与分析。在对开关损耗进 行分析时考虑了器件间的相互影响和作用，因而更为精确。 通过损耗计算得出逆变器损耗的主要组成部分及其主要的 决定因数，对逆变器初始设计或进一步改进具有重要指导意 义。该文提出的损耗计算方法适用于包括滞环电流控制型逆 变器在内的各种变换器。
第 28 卷
则开关管每次开通时的电感电流 iL 都不同，进而每 次开通过程中的 tr、trr、IRM、UF 均有所变化。逆变 器开关管开通损耗为
∑ PSon
=
1 T
NS i =1
[
1 2
U
d
iL
on
(i
)tr
(i
)
+
2 3Ui IRM (i)trr (i)]
(8)
二极管关断损耗为
∑ PDoff
=
1 T
曲线 UF=f(iD)，代入式(6)得
WDoff
=
wk.baidu.com
1 2 UF (iL
+
IRM )tr
+
1 4 U FiLtrr
+
1 3Ui
I
RM
trr
(7)
对于逆变器而言，电感电流 iL 包含两个分量：
取决于负载的基波分量及取决于开关特性的谐波
分量。记开关管在一个周期 T 内共开关了 NS 次。
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中国电机工程学报
iL(5 A/格) uDS(100 V/格) iL(10 A/格) uD(50 V/格) iS (5 A/格) uDS(50 V/格)
uo iD
uD
uDS
iS
iL
t(50 ns/格)
t(50 ns/格)
(a) 二极管关断实验波形
(b) 开关管开通实验波形
uo 为输出电压；uD 为二极管反向电压；iD 为二极管正向电流；iL 为电感
当电感电流连续时，开关管开通即对应二极 管关断，其过程相互关联，因而应将它们放在一 起分析。图 2 为实测的开关管开通和二极管关断 的实验波形，理想化后的开关管开通和二极管关 断曲线如图 3 所示。假定开关过程中电感电流 iL 维持不变，开关管开通及二极管关断的过程可分 为 3 个阶段：
阶段 1：开关管开通后，开关管电流 iS 由零线
本文以双降压式半桥逆变器[9-12]为例，如图 1 所 示，其电路模型可等效为半桥逆变器。逆变器采用 电压外环电流内环的双环控制策略，电流内环采用 滞环电流控制。仿真模型和实际电路采用同样的系 统参数：输入母线电压为 Ud=±180 V DC、(记 Ui= 2Ud=360 V)输出电压为 uo=110 V AC/400 HZ、额定 输出功率为 2000W。开关管采用 Cool MOS SPW47N60C3、功率二极管采用 DSEI60-06A。输出滤波电
分析该器件的开关过程。实际上由于各器件的开关 换流过程相互关联相互影响，理想化处理将造成计 算误差并且影响对开关损耗影响因数的解析，本文 将在对变换器开关过程详细分析的基础上，得出更 为精确的开关损耗分析计算方法。
相对直−直变换器，逆变器损耗分析难度更大。 因为逆变器电感电流既包含取决于负载的基波分 量也包含取决于 PWM 调制的谐波分量，各开关周 期内的开关过程和通态过程是变化的。特别是采用 滞环电流控制的逆变器由于开关频率不固定，更难 以得到简化的损耗分析模型。本文将对逆变器各项 损耗进行解析分析，通过在仿真模型中增加数值计 算程序得以实现，该损耗分析计算完全适用于采用 滞环电流控制的逆变器系统。
第 28 卷 第 15 期 72 2008 年 5 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.28 No.15 May 25, 2008 ©2008 Chin.Soc.for Elec.Eng.
文章编号：0258-8013 (2008) 15-0072-07 中图分类号：TM 464 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40
一种逆变器损耗分析与计算的新方法
洪 峰，单任仲，王慧贞，严仰光
(航空电源航空科技重点实验室(南京航空航天大学)，江苏省 南京市 210016)
Analysis and Calculation of Inverter Power Loss
HONG Feng, SHAN Ren-zhong, WANG Hui-zhen, YAN Yang-guang
Ud
S1
A
Ud
D1
L1
i L1 uo
Cf
R
D2
L2 B
iiL2
iioo S2
图 1 双降压式半桥逆变器 Fig. 1 Dual Buck half bridge inverter
第 15 期
洪 峰等： 一种逆变器损耗分析与计算的新方法
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感 L=300 µH、输出滤波电容 C=14.7 µF。具体各项 损耗分析过程中可能涉及器件具体参数，届时再给 出。以上数据放在仿真或实验中更好。
when the switch turns on
性增加，二极管电流 iD 由 iL 线性下降，经 tr 后， iS 上升到 iL，而 iD 下降到零。本阶段的持续时间为开 关管上升时间 tr，取决于开关管的特性，可由器件 手册查得其曲线。
阶段 2： 由于二极管需要一定恢复时间，二极 管电流 iD 反向增大，经 ta 后达到反向电流峰值 IRM。 开关管电流 iS 叠加上二极管反向恢复电流[12-14]，将 继续增大直至 iL+IRM。本阶段的持续时间 ta，取决 于二极管势垒电容放电，可由器件手册查得反向峰
关键词：电力电子；逆变器；开关损耗；反向恢复
0 引言
变换器的损耗分析对如何提高系统的效率和 功率密度、进行器件选取和散热设计有着重要的指 导意义。人们为如何准确进行损耗分析进行了大量 的研究工作[1-8]，但现有的方法仍存在一些不足，各 种变换器拓扑均包含若干开关管和二极管。本文将 指出以往损耗分析方法在对某一器件进行开关损 耗分析时，总是假定其余器件均为理想器件，单纯
电流；uDS 为漏源电压；iS 为开关管电流
图 2 开关管开通实验波形
Fig. 2 Some waveforms during the switch turns on
Ui
iL
iD
uD
IRM
uDS Ui iL
t iS
Fig. 3
t tr ta tb
图 3 开通特性 Performance of the switch and diode
(Aero-Power Science-Technology Center(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics), Nanjing 210016, Jiangsu Province, China)
ABSTRACT: A systematic way for calculating all the losses of inverter is presented. In traditional analytical method the switching loss of one component has always be analyzed under the presumption that the other parts of circuit are all ideal. In fact, all components of converter are not ideal and the switching processes of them are interrelated thoroughly. So more accurate analyze result can be gained when reciprocal of components during switching process is considered. The method presented by this paper is fit for hysteresis current controlled inverter. Experimental results of one dual Buck inverter are compared with the data come from method presented and that of traditional way. More exact result has been gotten by the method presented.
1 逆变器损耗分析与数值计算
1.1 开关管开通损耗与二极管关断损耗 在对逆变器进行损耗分析前做如下假设：①
不讨论漏感等线路寄生参数的影响；②不讨论温 度对诸器件参数的影响。如考虑按器件手册提供 的参数－温度曲线进行校正；③忽略输入电压纹 波及波动；假定图 1 电路对称，即 S1 和 S2，L1 和 L2，D1 和 D2 均相同，并符合各自器件手册提供的 数据。
NS
UF (i)[iL (i) +
i =1
IRM (i)]tr (i) +
1 4 UF (i)iL (i)trr (i)
+
1 3
U
i
I
RM
(i)trr (i)
(9)
式中：iLon(i)为开关管第 i 次开通时的电感电流；tr(i) 为开关管第 i 次开通过程的上升时间；trr(i)和 IRM(i) 分别为二极管第 i 次关断过程的反向恢复时间和反
结束。本阶段持续时间为二极管扩散电容放电时间
tb，取决于二极管的特性，可由器件手册查得 trr= f(di/dt)和 IRM=f(di/dt)关系曲线。与阶段 2 分析相同， 本阶段也受阶段 1 影响进而与开关管特性相关。
综上，由图 3 可得开关管开通一次的损耗为
WSon
=
1 2 UiiL (tr
+
值电流 IRM 和二极管反向恢复时间 trr。由于 trr 和 IRM 曲线取决于电流变化率 di/dt，即电感电流 iL 和阶段 1 持续时间 tr 的比值，而 tr 取决于开关管特性，本 阶段二极管的特性受到开关管特性的影响。
阶段 3：二极管反向恢复电流开始下降，二极
管电压 uD 开始上升，同时 iS 开始下降，开关管漏 源电压 uDS 开始下降，tb 时间后，iD 下降到零， uD 上升到母线电压 Ui，iS 下降到 iL，uD 下降到近似为 零的通态压降，至此开关管开通及二极管关断过程
器件，由此得到开关管开通损耗的表达式[1-5]为
∑ PS′on
=
1 T
NS i =1
1 2 Ud (i)iLon (i)tr (i)
(10)
式中忽略了二极管关断的反向恢复过程对开关管
开通的影响。文献[2]中二极管关断损耗表达式为
∑ PD′off
=1 T
NS i =1
1 4 Ud (i)IRM (i)trr (i)
ta = tb = trr / 2
(4)
代入式(1)可得开关管开通一次的损耗为
WSon
=
1 2 UiiLtr
+
2 3 Ui I RM trr
(5)
同理，二极管关断一次的反向恢复损耗为
WDoff
=
1 2 UF (iL
+ IRM )(tr
+ ta ) +
1 6 Ud I RM tb
(6)
式中 UF 为二极管通态压降，由器件手册可查得其
(11)
式中忽略了开关管开通上升时间对二极管关断损
耗的影响。
图 4 给出了采用参考文献公式(式(11))和本文 方法(式(9))仿真计算得到的二极管关断损耗曲线对 比。可见采用传统方法计算的结果偏小。二极管关
断损耗主体部分由二极管反向恢复引起的，因为开
关管开通上升时间 ta 相对反向恢复时间 trr 要小很 多；同时阶段 1 中二极管电压为正向压降 UF，相对 trr 时段中的 URM 要小很多。
trr )
+
1 3Ui IRM tb
(1)
式中 trr 为二极管反向恢复时间。
trr = ta + tb
(2)
由前分析，二极管反向恢复电流改变率 diDR/dt 为
diDR / dt = iL / ta
(3)
因器件手册仅提供 trr=f(di/dt)的曲线而并不直
接提供 ta 和 tb 的曲线或数据，由实测波形(图 2)取