功率变换器中PowerMOSFET功率损耗的数学分析及计算.pdf

2 0 1 2年第 1 期 煤矿机 电 5 9 功率变换器 中 P o w e r MO S F E T功率损耗 的 数学分析及计算 黄菲菲 中国矿业大学 信电学院 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 为改善 中 低压电力电子设备中开关器件 的性能 给 出了一种功率变换器 的 P o w e r MO S F E T开关 电路模 型 其 P o w e r MO S F E T的功率损耗主要 由导通损耗和开关损耗构成 由此推导 了 功率变换器主电路 中P o w e r MO S F E T的损耗计算公 式 并根据 实验波形 的计算 得到 P o w e r MO S F E T的功率损耗 得到的计算结果表明 当开关频率较大时 开关损耗是 P o w e r MO S F E T功率损耗 的主要部分 关键词 P o w e r MO S F E T开关电路 功率损耗 功率变换器 中图分类号 T P 2 1 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 1 2 0 1 0 0 5 9一 o 4 Ma t h e ma t i c An a l y s i s a n d Ca l c u l a t i o n o f P o we r M0SF E T L o s s i n P o we r Co n v e r t e r H U A N G F e i f e i S ch o o l o f I n f o r m a t i o n a n d E l e ct r ica l E n g i n e e r in g C h in a U n iv e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e ch n o l o g y X u z h o u 2 2 1 0 0 8 C h i n a Ab s t r a ct I n o r d e r t o impr o v e t he p e r f o r ma n ce o f lo w v o lt a g e e le ct r ica l p o we r a n d e le ct r o n ic d e v ice S s wi t ch u n it s a ki nd o f s wit chi n g cir cu it mo d e l o f P o we r MOSF ET is p r e s e n t e d Th e n t h e co mp u t a t i o n a l f o rm u la o f t h e 1 O S S o f P o we r MOS F E T d e r iv e s i n t h e ma in cir cu it o f t h e co n v e l e r T h e p o we r lo s s o f P o we r MOS F E T iS ma in l y co ns t it u t e d b y co nd u ct io n lO S S a n d s wit ch in g lO S S Ba s e d o n t he e x p e r ime n t a l wa v e r ms t h e p o we r lo s s e s o f t h e Po we r MOSF ET a r e ca lcu la t e d Th e r e s u lt in d ica t e s t h a t wh e n t h e s wi t ch in g f r e q ue n cy is h ig he r t h e s wit chi n g lo s s is a m a j o r p a r t o f t h e p o w e r lo s s e s o f P o w e r MO S F E T K e y wo r d s P o w e r MO S F E T s w it ch cir cu it p o we r lo s s p o we r co n v e r t e r 0引言 1 P o w e r MO S F E T开关过程分析 P o w e r MO S F E T由于其 自身的结构特点 在开关 性能和功率输出方面有着 明显 的优势 在 中低压电 力电子设 备 中有广泛 的应用 随着 开关频率 的提 高 P o w e r MO S F E T的开关损耗越来越 大 成 为开关 器件耗散功率的主要部分 这部分耗散功率会转变 为热量使器件的管芯发热 结温升高 如果不采取有 效的散热措施 就会影响器件的工作性能 降低系统 的可靠性 甚至损坏器件 为了合理 的选择散热方 式 就必须尽量精确地计算 P o w e r MO S F E T的功率 损耗 1 1 建立开关电路模型 建立 P o w e r MO S F E T开关 电路模 型 l0 J 如 图 1 所示 其 中 Z 为矩形脉冲电压信号源 R 为栅极 电 阻 C C g d 和 C 是三个极间电容 对 图 1 所示的开 关 电路模型作基本假设 1 栅极外加电压 为理想方波 2 极间电容为恒值 且有 C d C C C 3 通态下的直流跨导 G 为恒值 4 开关 时 间的各 时区 时间坐 标均 从本 时 区 算起 5 漏源电压 和漏源电流 i 波形进行了理想 6 O 煤矿机电 2 0 1 2年第1 期 化处理 V l 南I 由 l D 上f 牛 l l ds 一 C G 图 1 Po we r M OS F ET 开 关 电路 模 型 整个 MO S F E T的开关过程可分为 4个 阶段 由图 2可知 图上面是 MO S F E T触发 电压 及栅源 电压 波形 图下面为漏源电压 U 和漏源电流 i 波形 图中 t 表示开通延迟时间 t 表示电流上 升时间 表示关断延迟时间 t 表示电流下降时 间 t g U g s s p U T卜 图 2 P o we r MOS FE T 的 开 关 过 程 波 形 1 2 分析开关过程 1 开通延迟 阶段 t t 假定电路初态器 件处于断态 一U id 0 u d U d t t l 时 信 号 由 一 跃升到 U 栅压 即按时间常数 i C C g d 对 C I s 自 正向充 电 当 t t 2 时 u g s U T MO S F E T开始导通 开始出现漏极 电流 i 因该 阶 段 内 i 0 故开关损耗为零 2 电流上升阶段 t t 器件导通后 i 从 0 开始上升 一直到 t 3 时 上升到 MO S F E T进入 非饱和区的栅压 U 达到输 出电流 i I o 同 时 d s 开始下降 t t 3 时 u d U d o R g 的值 达到 鹳 后 在脉冲信号源 的作用下继续升高 直到 达到稳态 漏极电流的表达式为 U 相对 U d而言很小 可忽 略不计 漏源 电压 为 U d一 在此阶段 内功率损耗可表示为 d 一 o 6 V J o 3 关断延迟 阶段 t 关断前器件处 于全导 通 id I o M d U O 8 0 I o R u g s U g l 当 t t 4 时 g 由 U s 突降为 一 输入电容被反 向充 电 栅极 电 压开始下降 当 t t 下降到 时 漏极 电流 ia 才开始减小 这段时间称为关断延迟时 间 开关损 耗为零 4 电流下降时间 t t g s 从 下降 ia 减小 到 t 时 u U T i 减小到零 同时 d 升 高直至 U 器件关 断 此后 C 继续反 向充 电直至 一 关断结束 漏极电流为 id o一 1 o 漏源电压为 u d t 在此阶段内功率损耗可表示为 P 寺 t 出 T3 f o t f 0 一 鲁 0 2 功率变换器稳定 3 作时功率损耗的分析与计算 2 1 功率损耗分析 在开关磁阻电机传动系统中 功率变换器 的主 电路采用三相不对称半桥型主电路 如图 3所示 电 流斩波采用斩单管方式 下排管为斩波管 VD6 图3 功率变换器主电路 由图 3可知 在工作过程中 其主要损耗都来 自 于 MO S F E T 由于 电流斩波采用斩单管方式 MO S 2 0 1 2年第1 期 煤矿机电 6 1 F E T的上管损耗与下管损耗是不相同的 上管的导 通时间较长 功率损耗主要是导通损耗 相对于上管 而言 下管 的开关频率较高 故损耗主要由器件的导 通损耗和开关损耗组成 当 A相 的两个主开关 V T 和 V T 4 同时导通时 通 过主开关的电流等于绕组电 流 u r 1 ia R 此时两管 的损 耗主要为 导通 损耗 当下管 V T 斩波时 通过电流为 0 U 一 i R 通过 V T 和 V D 的电流等于绕组 电流 T 1 R U T 换相 阶段 通过 主开关 的电流为 0 通过二极管 的电流等 于绕组 电流 U T 关断后 通过主开关和二极管的电流均为 0 若 电 机控制策 略采 用 P WM 斩波控制 A相一个 导通周 期 内各开关 的电流波形如图4所示 厶 图 4 A相一个导通周期 内各 开关 的电流 波形 2 2 功率损耗计算 功率变换器 的控制对象是 1台三相 电动机 其 转子齿极数为 转速为 定子一相 的导通角为 0 视定子一相两次通 电之间的时间间隔为一个周 期 2 2 1 V T 的损耗计算 对于功率变换器 中的 MO S F E T导通 管 V T 而 言 一个通电周期 的导通时间为 其导通损耗可参 照以下公式计算 4 1 r P V T 寺J R d t 由图4可以看出 V T 的电流波形极度不规则 既不是常数 也无法写成关于时间或角度的函数 只 能利用计算机进行数值积分 为求简单 求解 的数值方法 可 以利用梯形 法 基本思想就是将积分区间 0 r 分割成若干个子空 间 而在每一个小的子空间上都可以利用梯形公式 近似地求解出来 这样整个积分问题就转化为求 和 问题 根据电流波形特点 可根据斩波管的通断时 间点也作为各个区间的划分点 设划分区间的个数 为 则 1 1 一1 P v 寺 2 一 ti 前面在 MO S F E T的开 通关断过程分析 中已经 给出了开关损耗的计算方法 但由于电流的复杂性 无法得知导通时具体 电流为多少 对 MO S F E T斩波 管更是如此 为简单起见 可用电流的平均值计算 1 a v id t 则开关损耗简化为 1 P s s f r t f 2 2 2 V T 的损耗计算 斩波管 V T 的导通损耗为 1 r P v T4 寺 J I T 4R d t 计算方法大致与 V T 的导通损耗相同 区别是 若 P WM斩波的占空 比为 6 斩波管的导通时间实际 上只有 丁 6 V T 开关损耗的计算 同样取 电流 的平均值 其 在一个周 期 内 的导通次 数 为f 则 V T 的开关 损 耗为 1 P s s a v 2 r t f 对 于功率损耗计算 中的数据 其 中 t t 可 由 MO S F E T的数据手册得到 各开关管 的电流数据可 由实际的电动机测得 若需要做预测计算 则 可先 得到理想线性模型中的电流波形 然对波形进行分 析计算 从而得到功率损耗的近似值 3 功率变换器的功率损耗计算 实验 采 用 的功 率 变 换 器 采 用 前 述 主 电 路 P o w e r MO S F E T的型号为 F Q A 1 6 0 N 0 8 根据 MO S F E T的用 户手册 可知 电流上升时 间9 7 0 n s 电流 下降时间4 1 0 n s 斩波管的斩波频率为2 k H z 下转第 6 6页 6 6 煤矿机电 2 0 1 2年第 1 期 先设定 的要求 输 出曲线 比较光滑 且训练速度快 本文设定输 出值大于 0 5时 表明有此故障类型 从 输出的结果可 以看出基 于 R B F网络的专家系统可 以准确地识别 出与训练样本具有相似健康状况规律 的健康状况 而且准确度较高 表 2 R B F神经 网络诊断结果 5结 论 通过采用人工神经网络方法 建立了基于 R B F 神经网络的 1 0 k V真空开关柜故障诊断系统 首先 传感器提取真空断路器合闸时的线圈电流信号 母 线与真空断路器的电连接处温度 母线对地的绝缘 电阻 以及出线电缆接头温度等健康状态特征量 其 次通过述传感器提取 的量为神经 网络的输入 以开 关柜的异常类型为输出 从而确定 了 R B F网络诊断 模型 仿真研究表 明 采用人工神经 网络方法不仅 能正确判断出真空开关柜的具体异常类 型 而且诊 断速度快 误差率小 参考文献 1 钱家骊 袁大陆 杨丽华 等 高压 开关柜一结 构 计 算 运行 发展 M 北京 中国电力 出版社 2 0 0 7 2 荣命哲 贾 申利 王小华 电器设备状态 检测 M 1版 北京 机械工业出版社 2 0 0 7 3 周开利 康耀 红 神经 网络模 型及 其 MA T L A B仿 真程序 设计 M 北京 清华 大学 出版社 2 0 0 5 4 胡小光 齐明 于文濒 基 于径 向基 函数 网络 的高压 断路 器在 线监测和故障健康诊 断 J 电网技术 2 0 0 1 2 5 作者简介 文 0 军 1 9 6 8 一 男 1 9 9 9年毕业于焦作工学院机电工程 专 业 现在平煤股份公 司六矿工作 长期从事煤矿机 电技术和管理工 作 收稿 日期 2 0 1 1 1 O一1 3 责任编辑 姚克 上接第 6 1 页 实验采集 的 P o w e r MO S F E T的电流波形如图 5 所示 图 5 a 为导通管电流波形 图 5 b为一相斩波管 电流波形 图 5 P o we r MOS F E T的实验电流波形 根据前述计算方法 可 以计算 出导通管的功率 损耗共为 3 5 w 斩波管的功率损耗为 1 2 7 w 由 此可见 当开关频率较高时 开关损耗成为 P o w e r MO S F E T功率损耗的主要部分 4结论 本文通过一种较为理想化的方式给 出了 P o w e r MO S F E T的开关电路模型 并推导了开关磁阻 电动 机传动系统功率变换器的主电路中 P o w e r MO S F E T 的损耗计算公式 P o w e r M