一种逆变器损耗分析与计算的新方法

第28卷 第15期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.28 No.15 May 25, 2008 72 2008年5月25日 Proceedings of the CSEE ©2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. (2008) 15-0072-07 中图分类号：TM 464 文献标识码：A 学科分类号：470 40 文章编号：0258-8013

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

(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.

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。

关键词：电力电子；逆变器；开关损耗；反向恢复

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。

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 SPW47- N60C3、功率二极管采用DSEI60-06A。输出滤波电

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

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 73

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。

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。

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

iL(5 A/格) uDS(100 V/格)

iL(10 A/格) uD(50 V/格)

uo iD

uD

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

经ta后达到反向电流峰值IRM。管电流iD反向增大，

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

由于trr和IRM值电流IRM和二极管反向恢复时间trr。

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=

与阶段2分析相同，f(di/dt)和IRM=f(di/dt)关系曲线。

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

11

WSon=UiiL(tr+trr)+UiIRMtb (1)

23

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

ta=tb=trr/2 (4)

代入式(1)可得开关管开通一次的损耗为

12

WSon=UiiLtr+UiIRMtrr (5)

23

同理，二极管关断一次的反向恢复损耗为

11

WDoff=UF(iL+IRM)(tr+ta)+UdIRMtb (6)

26

式中UF为二极管通态压降，由器件手册可查得其曲线UF=f(iD)，代入式(6)得

111

WDoff=UF(iL+IRM)tr+UFiLtrr+UiIRMtrr (7)

243

对于逆变器而言，电感电流i …… 此处隐藏：12253字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……