全橋電力電子變壓器的損耗研究

游穎濤 林陽 姜燕春 盧意 金平

摘要：電力電子變壓器（Power Electronic Transformer，PET）作為電力電子技術(shù)的核心元器件之一，因其簡單可控、體積質(zhì)量較小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用在電力系統(tǒng)領(lǐng)域。然而，為減小器件體積，PET需運(yùn)行在高頻率下，其運(yùn)行損耗會(huì)隨著頻率的升高而不斷增加。變壓器鐵芯損耗過大一方面會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的壽命縮短，增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本;另一方面也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電能傳輸?shù)男氏陆?。因此，如何在不影響PET電壓轉(zhuǎn)換和電能傳輸兩大功能的基礎(chǔ)上，計(jì)算開關(guān)器件和變壓器損耗，是目前研究的熱點(diǎn)與重心?，F(xiàn)針對(duì)變換器損耗計(jì)算問題，對(duì)變換器中各個(gè)部分的損耗產(chǎn)生進(jìn)行了原理分析。

關(guān)鍵詞：電力電子變壓器;MOSFET模塊損耗;高頻變壓器損耗

0? ? 引言

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子器件的性能越來越好，電力電子裝置能夠變換的電能范圍也越來越廣泛，小到幾瓦，大到幾百兆瓦[1-3]。提高DC/DC變換器的工作頻率，可以獲得更大的功率密度、更高的可靠性以及更快的響應(yīng)速度。但是隨著工作頻率升高而來的是開關(guān)器件將產(chǎn)生更高的開關(guān)損耗，高頻變壓器將產(chǎn)生更高的磁芯損耗，這導(dǎo)致了變換器效率以及經(jīng)濟(jì)性的降低。DC/DC變換器作為未來智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的重要部件，具有高運(yùn)行效率是基本要求，因此對(duì)其建立準(zhǔn)確的損耗模型，是研究如何提高變換器效率的關(guān)鍵，也是進(jìn)行準(zhǔn)確的熱分析的關(guān)鍵。

變換器的主要損耗可分為兩個(gè)部分：MOSFET模塊損耗、高頻變壓器模塊損耗。本文主要對(duì)變換器的MOSFET模塊和高頻變壓器模塊進(jìn)行了損耗建模，并且對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行了分析，提出了一些提高工作效率的方法。

1? ? DC/DC變換器MOSFET模塊損耗分析

功率MOSFET是DC/DC變換器的核心部件，其性能直接影響著變換器的工作效率、運(yùn)行可靠性等。因此，對(duì)MOSFET進(jìn)行損耗分析是設(shè)計(jì)高效率、高可靠性變換器的重要一步。MOSFET的損耗主要由三部分組成：通態(tài)損耗、開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。當(dāng)MOSFET運(yùn)行在低電壓、大電流的工況時(shí)，MOSFET的通態(tài)損耗占比較大;當(dāng)MOSFET運(yùn)行在高頻率的工況下，MOSFET的開關(guān)損耗占比較大[4-6]。

1.1? ? MOSFET通態(tài)損耗

功率MOSFET的通態(tài)損耗是電流流經(jīng)MOSFET的導(dǎo)通電阻Ron而產(chǎn)生的，所以MOSFET的通態(tài)損耗功率可以用瞬時(shí)功率積分來計(jì)算，如下式所示：

式中：id為流經(jīng)MOSFET的瞬時(shí)電流大小;Irms為電流id的有效值。

由于計(jì)算需要進(jìn)行積分，故比較繁瑣。但通態(tài)損耗的計(jì)算實(shí)際上是對(duì)瞬時(shí)功率進(jìn)行積分再求平均值，因此可以類比交流電路電阻功率的計(jì)算方式，將電流有效值求出，利用有效值Irms進(jìn)行MOSFET通態(tài)損耗計(jì)算。

從通態(tài)損耗的計(jì)算公式易知，通態(tài)損耗大小與通態(tài)電阻Ron成正比，因此降低通態(tài)損耗的有效辦法是提高M(jìn)OSFET器件的制作工藝水平，減小MOSFET的通態(tài)電阻，進(jìn)而降低MOSFET通態(tài)損耗。

1.2? ? MOSFET開關(guān)損耗

在工程應(yīng)用中計(jì)算開關(guān)損耗，常將開關(guān)過程中電壓、電流的變化近似地認(rèn)為是線性的。根據(jù)目前對(duì)MOSFET開關(guān)過程的研究，可以得到在開通過程中，MOSFET電流Id先上升至最大值后MOSFET電壓Vds才開始下降的結(jié)論。同樣地，在關(guān)斷過程中MOSFET的電壓Vds先上升至最大值后MOSFET的電流Id才開始下降。圖1所示為MOSFET開通和關(guān)斷過程圖。

根據(jù)對(duì)MOSFET開通和關(guān)斷過程的分析，可以通過計(jì)算三角形面積來計(jì)算MOSFET的開關(guān)損耗，即利用開通/關(guān)斷電壓、開通/關(guān)斷電流、開通/關(guān)斷時(shí)間、工作頻率來估算開關(guān)損耗。開通損耗可由式（2）計(jì)算，關(guān)斷損耗可由式（3）計(jì)算。

式中：Id為開通后或關(guān)斷前MOSFET的電流大小;Vds為開通前或關(guān)斷后MOSFET的電壓大小;ton為MOSFET開通過程的時(shí)間;toff為MOSFET關(guān)斷過程的時(shí)間;f為MOSFET的開關(guān)頻率。

通過開關(guān)損耗的計(jì)算公式可以知道，要降低器件的開關(guān)損耗可以通過減小器件開通、關(guān)斷時(shí)間的方式或降低開通、關(guān)斷時(shí)的電壓、電流。減小器件的開通、關(guān)斷時(shí)間就要提升器件的制作工藝，使器件具有更優(yōu)的性能，這主要依靠電力電子器件的發(fā)展程度。降低開通、關(guān)斷時(shí)的電壓、電流可以利用軟開關(guān)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

1.3? ? MOSFET驅(qū)動(dòng)損耗

在大功率領(lǐng)域，為了防止模擬IC芯片過熱和驅(qū)動(dòng)能力不夠等問題，一般都會(huì)外加驅(qū)動(dòng)器。MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，其驅(qū)動(dòng)損耗包括兩個(gè)部分：柵極電容充放電損耗和靜態(tài)電流損耗。

MOSFET柵極電容充放電損耗可通過下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Cg為MOSFET柵極電容，其參數(shù)可通過器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)查詢得到;Vgs為MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓;f為MOSFET的開關(guān)頻率。

驅(qū)動(dòng)電路中的靜態(tài)電流損耗可通過下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：D為驅(qū)動(dòng)電壓的占空比;IQL為驅(qū)動(dòng)電路低電平靜態(tài)電流;IQH為驅(qū)動(dòng)電路高電平靜態(tài)電流。

由于MOSFET的驅(qū)動(dòng)損耗占整個(gè)功率器件損耗的比重較小，不是MOSFET損耗發(fā)熱的主要原因，故一般可將驅(qū)動(dòng)損耗忽略不計(jì)。

2? ? DC/DC變換器高頻變壓器損耗分析

電能變換的高頻化是減小變壓器體積的關(guān)鍵，提高變壓器的運(yùn)行頻率可以大大減小變壓器體積。高頻變壓器的損耗主要由磁芯損耗和繞組損耗組成[7-8]，下文將對(duì)這兩種損耗的計(jì)算進(jìn)行分析。

2.1? ? 變壓器磁芯損耗

變壓器磁芯損耗主要由三部分組成：磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗。使用損耗分離法對(duì)高頻變壓器的磁芯損耗進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以分別計(jì)算三種損耗，再將三種損耗相加即為總磁芯損耗。磁芯損耗可由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Kh為磁滯損耗系數(shù);Ke為渦流損耗系數(shù);Kr為剩余損耗系數(shù)。

雖然此公式計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，但涉及的參數(shù)較多，且計(jì)算比較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用時(shí)很少被采用。

目前計(jì)算磁芯損耗大多采用斯坦梅茨（Steinmetz）公式，該公式將三種損耗計(jì)算集中到了一個(gè)式子中，并且具有較高的精確度。

式中：K、α、β均為與磁性材料相關(guān)的常數(shù)，稱之為“Steinmetz系數(shù)”。

式（7）雖然簡單有效，但僅僅適用于正弦激勵(lì)下的磁芯損耗計(jì)算。對(duì)于DC/DC變換器，其高頻變壓器的激勵(lì)為方波，因此需對(duì)Steinmetz公式進(jìn)行修正。修正后的Steinmetz公式如下：

式中：F為磁通波形系數(shù)，方波激勵(lì)時(shí)，F(xiàn)=π/4。

2.2? ? 繞組損耗

繞組損耗是電流流過高頻變壓器線圈電阻而產(chǎn)生的能量損耗。由于DC/DC變換器一般工作在中、高頻工況下，因此高頻變壓器繞組中電流的鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)明顯，從而導(dǎo)致繞組截面的利用面積比繞組實(shí)際截面積小，因此繞組損耗會(huì)比流過相同有效值的直流電流產(chǎn)生的損耗大。

對(duì)高頻變壓器的繞組損耗計(jì)算可將繞組電流進(jìn)行傅里葉分解，得到各次諧波電流分量的有效值大小，同時(shí)計(jì)算各次諧波下的交流電阻大小，進(jìn)而計(jì)算出繞組損耗。下式為繞組損耗計(jì)算公式：

式中：Rdc為繞組線圈的直流電阻大小;In為n次諧波電流分量的有效值;FRn為n次諧波激勵(lì)下的交流電阻與直流電阻的比值。

從繞組損耗計(jì)算公式可以看出，降低繞組損耗的辦法就是盡量使用電阻率低的導(dǎo)線。

3? ? 結(jié)語

本文首先對(duì)變換器損耗的組成進(jìn)行了分析，將變換器損耗分成MOSFET模塊損耗和高頻變壓器模塊損耗兩個(gè)部分。之后就MOSFET模塊和高頻變壓器模塊中的各種損耗進(jìn)行了詳細(xì)的分析建模，得出了MOSFET和高頻變壓器中各個(gè)部分的損耗計(jì)算方法。同時(shí)對(duì)建立好的損耗模型進(jìn)行了分析，得出了影響各個(gè)部分損耗大小的因素，提出了一些減小損耗的方法，對(duì)提升變換器的效率具有參考意義。

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收稿日期：2020-08-10

作者簡介：游穎濤（1992—），男，江西高安人，助理工程師，從事電氣設(shè)備運(yùn)行維護(hù)及相關(guān)研究工作。