針對(duì)DC-DC變換器,功率開關(guān)元件損耗及續(xù)流二極管損耗如何計(jì)算?
發(fā)布時(shí)間:2015-09-15 責(zé)任編輯:sherry
【導(dǎo)讀】工程師需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)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(wú)功損耗。這里將會(huì)通過(guò)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(guò)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(jiǎn)要分析介紹。
在DC-DC轉(zhuǎn)換器正常運(yùn)行的過(guò)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(guò)渡過(guò)程中的損耗。在開關(guān)工作的過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)對(duì)IGBT基極的過(guò)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(lái)我們?cè)賮?lái)看一下開關(guān)損耗的計(jì)算方式。IGBT的開關(guān)損耗計(jì)算過(guò)程,相比較導(dǎo)通損耗來(lái)說(shuō)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(guò)示波器觀察得到開關(guān)過(guò)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(jiǎn)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)功損耗。這里將會(huì)通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)選擇流過(guò)一定電流時(shí)正向壓降較小的二極管來(lái)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(guò)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(lái)進(jìn)入PN結(jié)的反方向出去,從而形成了流過(guò)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(guò)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(jiǎn)要說(shuō)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(shuō)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。
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