【導(dǎo)讀】工程師需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，精確的計(jì)算出不同的數(shù)值，并采取相應(yīng)措施減少無功損耗。這里將會(huì)通過雙向型DC-DC變換器的功率開關(guān)元件損耗計(jì)算及對(duì)續(xù)流二極管的損耗產(chǎn)生原因分析，為工程師詳細(xì)介紹其損耗數(shù)值的計(jì)算方式。
DC-DC變換器功率開關(guān)元件損耗值計(jì)算
在雙向型的DC-DC變換器運(yùn)行工作過程中，功率開關(guān)元件IGBT是變換器內(nèi)部的主要損耗源之一，而功率開關(guān)元件的損耗基本上可以按照其運(yùn)行狀態(tài)分為兩個(gè)部分：導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是指當(dāng)開關(guān)元件已經(jīng)開通后，并且驅(qū)動(dòng)和開關(guān)波形已經(jīng)穩(wěn)定以后，功率開關(guān)元件處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的損耗。這里將會(huì)針對(duì)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率開關(guān)元件IGBT的損耗計(jì)算，進(jìn)行簡要分析介紹。
在DC-DC轉(zhuǎn)換器正常運(yùn)行的過程中，功率元件的開關(guān)損耗是出現(xiàn)在IGBT從一個(gè)工作狀態(tài)進(jìn)入另一個(gè)新的工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)和開關(guān)波形處于過渡過程中的損耗。在開關(guān)工作的過程中，元件的電壓、電流波形如下圖所示：
IGBT的電壓、電流波形圖
在了解了功率開關(guān)元件的電壓、電流波形圖后，下面我們分別了解一下如何計(jì)算其導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。在功率元件正常工作狀態(tài)下，功率開關(guān)元件的導(dǎo)通損耗可以通過IGBT兩端電壓和電流波形的乘積得出。電壓、電流波形都是近似線性，其在導(dǎo)通期間的功率損耗可以由下式給出：
導(dǎo)通損耗過高很容易造成轉(zhuǎn)換器的有效功率降低，對(duì)整體系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定也會(huì)有一定的影響。想要降低導(dǎo)通損耗，最典型方法是使IGBT導(dǎo)通期間的電壓降最小。要達(dá)到這個(gè)目的，必須使功率開關(guān)工作在飽和狀態(tài)。因此，可以通過對(duì)IGBT基極的過電流驅(qū)動(dòng)，從而確保功率器件工作在飽和狀態(tài)。
在了解了導(dǎo)通損耗的計(jì)算方法后，接下來我們?cè)賮砜匆幌麻_關(guān)損耗的計(jì)算方式。IGBT的開關(guān)損耗計(jì)算過程，相比較導(dǎo)通損耗來說就比較復(fù)雜了。這一部分的損耗既有功率器件本身的因素，也有相關(guān)元器件的影響。功率開關(guān)元件的開關(guān)損耗的計(jì)算，一方面可以通過示波器觀察得到開關(guān)過程中的電壓、電流波形，然后粗略的計(jì)算出兩條曲線所包圍的面積，從而求得IGBT的開關(guān)損耗。另一方面，如果功率開關(guān)元件的使用手冊(cè)中給出了開關(guān)損耗的曲線，那么也可以直接從開關(guān)損耗的曲線上讀出開通損耗和關(guān)斷損耗的數(shù)值，然后根據(jù)下式計(jì)算得出功率開關(guān)元件的開關(guān)損耗值，式中fsw為變換器的開關(guān)頻率：
以上就是針對(duì)雙向型DC-DC變換器的功率開關(guān)元件損耗計(jì)算所進(jìn)行的簡要分析和介紹，希望能夠?qū)こ處煹男庐a(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)工作有所幫助。
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DC-DC變換器功率續(xù)流二極管損耗計(jì)算
在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，工程師常常需要用到DC-DC變換器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，這種電子器件目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在不同的工業(yè)領(lǐng)域中。然而在工作運(yùn)行過程中，即便是轉(zhuǎn)換器本身也是會(huì)出現(xiàn)一部分損耗的，這部分通常是由續(xù)流二極管、功率器件等產(chǎn)生的。工程師需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，精確的計(jì)算出不同的數(shù)值，并采取相應(yīng)措施減少無功損耗。這里將會(huì)通過對(duì)續(xù)流二極管的損耗產(chǎn)生原因分析，為工程師詳細(xì)介紹其損耗數(shù)值的計(jì)算方式。
此前我們?cè)?jīng)就功率器件的損耗計(jì)算展開過詳細(xì)介紹，與DC-DC轉(zhuǎn)換器中功率器件的損耗產(chǎn)生方式相同，續(xù)流二極管的損耗同樣也可以分成開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。在變換器的工作過程中，續(xù)流二極管的電壓、電流波形如下圖所示。
圖為二極管的電壓、電流波形
所謂的導(dǎo)通損耗，指的是在二極管正向?qū)ú⑶耶?dāng)電流、電壓波形穩(wěn)定時(shí)的損耗。工程師如果想要采取相應(yīng)措施降低導(dǎo)通損耗數(shù)值，可以通過選擇流過一定電流時(shí)正向壓降較小的二極管來實(shí)現(xiàn)。目前轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用比較多的是普通續(xù)流二極管和肖特基二極管兩種。普通的二極管具有比較平坦的正向電壓一電流特性，然而它的電壓降卻比較高，肖特基二極管的電壓降比較低，但是它的正向電壓—電流特性卻比普通二極管的要陡一些，因此，隨著電流的增大，肖特基二極管的正向電壓的增加要比普通二極管更大些。這是工程師在進(jìn)行損耗降低設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的。
與功率器件的開關(guān)損耗值計(jì)算相同的是，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器中續(xù)流二極管的開關(guān)損耗計(jì)算也是比較復(fù)雜。所謂的開通損耗，是指二極管兩端加上正向電壓到二極管電流達(dá)到穩(wěn)定值，在這一過程中二極管的損耗。一般情況下二極管的開通損耗不是很大，可以進(jìn)行忽略。二極管的關(guān)斷損耗主要是由于二極管的反向恢復(fù)電流造成的損耗。當(dāng)反向電壓加在二極管的兩端時(shí)，二極管的反向恢復(fù)特性由PN結(jié)內(nèi)的載流子決定，這些遷移率受限的載流子需要從原來進(jìn)入PN結(jié)的反方向出去，從而形成了流過二極管的反向電流。反向電流同時(shí)還會(huì)增加功率開關(guān)的損耗，從上圖中我們可以明顯地看到IGBT開通期間的電流峰值。因此，根據(jù)二極管的電壓、電流波形，通過近似處理，則續(xù)流二極管的關(guān)斷損耗的一般計(jì)算公式為：
在這里需要就該公式中出現(xiàn)的一些參數(shù)進(jìn)行簡要說明，以方便工程師進(jìn)行計(jì)算和理解。在該計(jì)算公式中，參數(shù)ID（RM）為續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流的最大值，參數(shù)Kf為續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流ID（RM）的溫度系數(shù)，需要說明的一點(diǎn)是，當(dāng)DC-DC變換器續(xù)流二極管的結(jié)溫為100攝氏度時(shí)則參數(shù)Kf=1.1。參數(shù)trr為二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。
