逆变电路中功率器件的损耗分析

1通过逆变电路的损耗分析选择合适器件

在研究逆变电路的损耗时，所使用的功率器件选型也非常重要。不仅要实现预期的电路工作和特性，同时还需要进行优化以将损耗降至更低。本文将功率器件的损耗分为开关损耗和导通损耗进行分析，以此介绍选择合适器件的方法。

2用于仿真的逆变电路

本次以Power Device Solution Circuit一览中的逆变电路“B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW”（图1）。通过更改该逆变电路中黄色框中的内容进行仿真，从而进行损耗分析并选择合适器件。

图1：Power Device Solution Circuit逆变电路B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW

3损耗分析方法

为了说明损耗分析方法，首先以DC-DC转换器为例进行说明。图2展示了MOSFET在开关时VDS、ID、损耗（Pd）以及对损耗进行时间积分后的能量（E）的仿真波形。ROHM Solution Simulator中，可以用仿真结果显示工具Waveform Viewer中的Waveform Analyzer的运算功能对损耗进行积分，并轻松输出能量波形。

在图2的能量波形中可以一目了然地看到开关区间（Eon、Eoff）和导通区间（Econd）的消耗能量。此外，通过读取光标的差值，还可以获得数值。

对于像DC-DC转换器这样输入输出恒定的情况，可以通过1个周期的能量与开关频率的乘积，分别计算出开关损耗和导通损耗。

图2：DC-DC转换器电路的MOSFET波形

然而，在逆变电路中，如图3所示，负载是波动的，因此仅看部分开关波形无法计算出整个电路工作的损耗。

对于这种器件损耗不恒定的电路工作，可以通过对损耗波形进行分段，提取任意部分，分别计算出导通损耗和开关损耗。

图3：逆变电路的MOSFET波形

图4左侧的波形与图3相同，是逆变电路的MOSFET波形，右侧的波形是左侧波形中蓝色虚线部分的放大波形。右侧波形图中看到的黄色线波形是提取出的导通损耗波形。

为了仅提取导通损耗，此处的分段提取了“VGS为High”且“功率低于导通损耗最大值”时的功率。提取任意波形后，求出1个周期的平均值，分析损耗的比例。

图4中，总损耗为29.5W，导通损耗为20.5W（从波形图中的Average数值可知），因此开关损耗为9.0W。由此可知损耗比例为导通损耗70%，开关损耗30%。

图4：从逆变电路的MOSFET波形中提取导通损耗（右侧）

在本示例中，我们仅将损耗分为开关损耗和导通损耗，但通过更详细地设置分段条件，还可以进一步细分为开通损耗、关断损耗、反向恢复损耗、寄生二极管损耗等。

4合适器件的探讨

图5展示了更换图1所示的电路“B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW”中的功率器件MOSFET后各MOSFET的损耗分析结果。

图5：逆变电路示例中各MOSFET的损耗分析结果

MOSFET型号名称中的第三和第四位数字（如R6050JNZ4中的“50”）表示电流额定值（ID）。即从左到右，同一系列MOSFET的ID分别为50A、42A、30A、20A。

从图5可以看出，电流额定值越高，导通损耗（Conduction Loss）越低，而电流额定值越低，开关损耗（Switching Loss）越低。因此，在图1的电路中，可以选择总损耗最小的R6030JNZ4作为合适器件。

5半桥逆变电路与全桥逆变电路的特点

在进行电路设计和工作验证时，需要了解其基本电路结构和工作特点。本节将分别介绍半桥逆变电路和全桥逆变电路的特点。

6用于仿真的逆变电路

使用“Power Device Solution Circuit逆变电路一览”中的以下2个电路。

B-3. Half-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A（图6）

B-4. Full-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A（图7）

从Solution Circuit的标题可以看出，B-3是半桥逆变电路，B-4是全桥逆变电路。电路图如图6和图7所示。黄色框内是后续特性比较仿真中更改条件的部分。

图6：Power Device Solution Circuit逆变电路B-3. Half-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A

图7：Power Device Solution Circuit逆变电路B-4. Full-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A

7半桥逆变电路与全桥逆变电路的优缺点

表1总结了半桥逆变电路和全桥逆变电路的优缺点。

表1：半桥逆变电路与全桥逆变电路的优缺点

虽然要看条件，但考虑到电路的特性，半桥电路适用于低电压、大电流的应用场景，而全桥电路则适用于高电压、大功率的应用场景。

8半桥逆变电路与全桥逆变电路的工作比较

图8展示了图6（半桥）和图7（全桥）各电路在初始条件（Vin=500V）下的模块损耗比较结果。输出电流Io设置为在50～100A之间变动（电路图中的黄色框）。这里的模块指的是1个半桥电路，而全桥电路基本上由2个半桥电路组成。

图8：半桥电路与全桥电路的模块损耗比较

通过仿真比较损耗可知，半桥电路由于开关器件要承受2个电源的电压，开关损耗较大，单个模块的损耗也比全桥电路的大。然而，从整个电路的损耗来看，全桥电路的2个模块的导通损耗比半桥电路的损耗大，因此全桥电路的损耗更大。

接下来，假设半桥电路的VIN=500V只有一个电源，将其分割为VIN=250V×2进行仿真（图6黄色框中的输入电压）。

图9展示了VIN=500V×2和VIN=250V×2情况下的输出波形。从波形可以看出，VIN=250V×2时，VO在250V时达到上限。这是因为表1所示的半桥电路的缺点，即“最高只能输出1个电源的电压”。输出电压设定值VO=200V的有效峰值电压为282V，因此VIN=250V×2的电压是不够的。

图9：半桥电路VIN=500V×2和VIN=250V×2的输出波形比较

由此可见，半桥逆变电路和全桥逆变电路各有优缺点，无法一概而论哪种更好。了解它们的特点并根据应用场景进行适当选择非常重要。