在雙向型的DC-DC變換器運行工作過(guò)程中，功率開(kāi)關(guān)元件IGBT是變換器內部的主要損耗源之一，而功率開(kāi)關(guān)元件的損耗基本上可以按照其運行狀態(tài)分為兩個(gè)部分：導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。導通損耗是指當開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)開(kāi)通后，并且驅動(dòng)和開(kāi)關(guān)波形已經(jīng)穩定以后，功率開(kāi)關(guān)元件處于導通狀態(tài)時(shí)的損耗。這里將會(huì )針對雙向DC-DC轉換器的功率開(kāi)關(guān)元件IGBT的損耗計算，進(jìn)行簡(jiǎn)要分析介紹。

 

在DC-DC轉換器正常運行的過(guò)程中，功率元件的開(kāi)關(guān)損耗是出現在IGBT從一個(gè)工作狀態(tài)進(jìn)入另一個(gè)新的工作狀態(tài)，驅動(dòng)和開(kāi)關(guān)波形處于過(guò)渡過(guò)程中的損耗。在開(kāi)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(kāi)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算其導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。在功率元件正常工作狀態(tài)下，功率開(kāi)關(guān)元件的導通損耗可以通過(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(xiàn)性，其在導通期間的功率損耗可以由下式給出：

導通損耗過(guò)高很容易造成轉換器的有效功率降低，對整體系統的運行穩定也會(huì )有一定的影響。想要降低導通損耗，最典型方法是使IGBT導通期間的電壓降最小。要達到這個(gè)目的，必須使功率開(kāi)關(guān)工作在飽和狀態(tài)。因此，可以通過(guò)對IGBT基極的過(guò)電流驅動(dòng)，從而確保功率器件工作在飽和狀態(tài)。

 

在了解了導通損耗的計算方法后，接下來(lái)我們再來(lái)看一下開(kāi)關(guān)損耗的計算方式。IGBT的開(kāi)關(guān)損耗計算過(guò)程，相比較導通損耗來(lái)說(shuō)就比較復雜了。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(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)損耗的計算，一方面可以通過(guò)示波器觀(guān)察得到開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓、電流波形，然后粗略的計算出兩條曲線(xiàn)所包圍的面積，從而求得IGBT的開(kāi)關(guān)損耗。另一方面，如果功率開(kāi)關(guān)元件的使用手冊中給出了開(kāi)關(guān)損耗的曲線(xiàn)，那么也可以直接從開(kāi)關(guān)損耗的曲線(xiàn)上讀出開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗的數值，然后根據下式計算得出功率開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)損耗值，式中fsw為變換器的開(kāi)關(guān)頻率：

以上就是針對雙向型DC-DC變換器的功率開(kāi)關(guān)元件損耗計算所進(jìn)行的簡(jiǎn)要分析和介紹，希望能夠對工程師的新產(chǎn)品研發(fā)和設計工作有所幫助。

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在電源系統設計的過(guò)程中，工程師常常需要用到DC-DC變換器進(jìn)行能量轉換，這種電子器件目前已經(jīng)被廣泛的應用在不同的工業(yè)領(lǐng)域中。然而在工作運行過(guò)程中，即便是轉換器本身也是會(huì )出現一部分損耗的，這部分通常是由續流二極管、功率器件等產(chǎn)生的。工程師需要在系統設計過(guò)程中，精確的計算出不同的數值，并采取相應措施減少無(wú)功損耗。這里將會(huì )通過(guò)對續流二極管的損耗產(chǎn)生原因分析，為工程師詳細介紹其損耗數值的計算方式。

 

此前我們曾經(jīng)就功率器件的損耗計算展開(kāi)過(guò)詳細介紹，與DC-DC轉換器中功率器件的損耗產(chǎn)生方式相同，續流二極管的損耗同樣也可以分成開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗。在變換器的工作過(guò)程中，續流二極管的電壓、電流波形如下圖所示。

圖為二極管的電壓、電流波形

 

所謂的導通損耗，指的是在二極管正向導通并且當電流、電壓波形穩定時(shí)的損耗。工程師如果想要采取相應措施降低導通損耗數值，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。目前轉換器中應用比較多的是普通續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(zhù)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)行損耗降低設計時(shí)需要注意的。

 

與功率器件的開(kāi)關(guān)損耗值計算相同的是，雙向DC-DC轉換器中續流二極管的開(kāi)關(guān)損耗計算也是比較復雜。所謂的開(kāi)通損耗，是指二極管兩端加上正向電壓到二極管電流達到穩定值，在這一過(guò)程中二極管的損耗。一般情況下二極管的開(kāi)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電流造成的損耗。當反向電壓加在二極管的兩端時(shí)，二極管的反向恢復特性由PN結內的載流子決定，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(kāi)關(guān)的損耗，從上圖中我們可以明顯地看到IGBT開(kāi)通期間的電流峰值。因此，根據二極管的電壓、電流波形，通過(guò)近似處理，則續流二極管的關(guān)斷損耗的一般計算公式為：

在這里需要就該公式中出現的一些參數進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，以方便工程師進(jìn)行計算和理解。在該計算公式中，參數ID（RM）為續流二極管的反向恢復電流的最大值，參數Kf為續流二極管反向恢復電流ID（RM）的溫度系數，需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，當DC-DC變換器續流二極管的結溫為100攝氏度時(shí)則參數Kf=1.1。參數trr為二極管的反向恢復時(shí)間。