全桥电力电子变压器的损耗研究

游颖涛 林阳 姜燕春 卢意 金平

摘要：电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET）作为电力电子技术的核心元器件之一，因其简单可控、体积质量较小等优点，已经越来越多地被应用在电力系统领域。然而，为减小器件体积，PET需运行在高频率下，其运行损耗会随着频率的升高而不断增加。变压器铁芯损耗过大一方面会导致设备的寿命缩短，增加系统的运行成本;另一方面也会导致系统电能传输的效率下降。因此，如何在不影响PET电压转换和电能传输两大功能的基础上，计算开关器件和变压器损耗，是目前研究的热点与重心。现针对变换器损耗计算问题，对变换器中各个部分的损耗产生进行了原理分析。

关键词：电力电子变压器;MOSFET模块损耗;高频变压器损耗

0    引言

随着电力电子技术的高速发展，电力电子器件的性能越来越好，电力电子装置能够变换的电能范围也越来越广泛，小到几瓦，大到几百兆瓦[1-3]。提高DC/DC变换器的工作频率，可以获得更大的功率密度、更高的可靠性以及更快的响应速度。但是随着工作频率升高而来的是开关器件将产生更高的开关损耗，高频变压器将产生更高的磁芯损耗，这导致了变换器效率以及经济性的降低。DC/DC变换器作为未来智能电网系统中的重要部件，具有高运行效率是基本要求，因此对其建立准确的损耗模型，是研究如何提高变换器效率的关键，也是进行准确的热分析的关键。

变换器的主要损耗可分为两个部分：MOSFET模块损耗、高频变压器模块损耗。本文主要对变换器的MOSFET模块和高频变压器模块进行了损耗建模，并且对模型结果进行了分析，提出了一些提高工作效率的方法。

1    DC/DC变换器MOSFET模块损耗分析

功率MOSFET是DC/DC变换器的核心部件，其性能直接影响着变换器的工作效率、运行可靠性等。因此，对MOSFET进行损耗分析是设计高效率、高可靠性变换器的重要一步。MOSFET的损耗主要由三部分组成：通态损耗、开关损耗和驱动损耗。当MOSFET运行在低电压、大电流的工况时，MOSFET的通态损耗占比较大;当MOSFET运行在高频率的工况下，MOSFET的开关损耗占比较大[4-6]。

1.1    MOSFET通态损耗

功率MOSFET的通态损耗是电流流经MOSFET的导通电阻Ron而产生的，所以MOSFET的通态损耗功率可以用瞬时功率积分来计算，如下式所示：

式中：id为流经MOSFET的瞬时电流大小;Irms为电流id的有效值。

由于计算需要进行积分，故比较繁琐。但通态损耗的计算实际上是对瞬时功率进行积分再求平均值，因此可以类比交流电路电阻功率的计算方式，将电流有效值求出，利用有效值Irms进行MOSFET通态损耗计算。

从通态损耗的计算公式易知，通态损耗大小与通态电阻Ron成正比，因此降低通态损耗的有效办法是提高MOSFET器件的制作工艺水平，减小MOSFET的通态电阻，进而降低MOSFET通态损耗。

1.2    MOSFET开关损耗

在工程应用中计算开关损耗，常将开关过程中电压、电流的变化近似地认为是线性的。根据目前对MOSFET开关过程的研究，可以得到在开通过程中，MOSFET电流Id先上升至最大值后MOSFET电压Vds才开始下降的结论。同样地，在关断过程中MOSFET的电压Vds先上升至最大值后MOSFET的电流Id才开始下降。图1所示为MOSFET开通和关断过程图。

根据对MOSFET开通和关断过程的分析，可以通过计算三角形面积来计算MOSFET的开关损耗，即利用开通/关断电压、开通/关断电流、开通/关断时间、工作频率来估算开关损耗。开通损耗可由式（2）计算，关断损耗可由式（3）计算。

式中：Id为开通后或关断前MOSFET的电流大小;Vds为开通前或关断后MOSFET的电压大小;ton为MOSFET开通过程的时间;toff为MOSFET关断过程的时间;f为MOSFET的开关频率。

通过开关损耗的计算公式可以知道，要降低器件的开关损耗可以通过减小器件开通、关断时间的方式或降低开通、关断时的电压、电流。减小器件的开通、关断时间就要提升器件的制作工艺，使器件具有更优的性能，这主要依靠电力电子器件的发展程度。降低开通、关断时的电压、电流可以利用软开关技术来实现。

1.3    MOSFET驱动损耗

在大功率领域，为了防止模拟IC芯片过热和驱动能力不够等问题，一般都会外加驱动器。MOSFET是电压驱动型器件，其驱动损耗包括两个部分：栅极电容充放电损耗和静态电流损耗。

MOSFET栅极电容充放电损耗可通过下式进行计算：

式中：Cg为MOSFET栅极电容，其参数可通过器件的数据手册查询得到;Vgs为MOSFET的驱动电压;f为MOSFET的开关频率。

驅动电路中的静态电流损耗可通过下式进行计算：

式中：D为驱动电压的占空比;IQL为驱动电路低电平静态电流;IQH为驱动电路高电平静态电流。

由于MOSFET的驱动损耗占整个功率器件损耗的比重较小，不是MOSFET损耗发热的主要原因，故一般可将驱动损耗忽略不计。

2    DC/DC变换器高频变压器损耗分析

电能变换的高频化是减小变压器体积的关键，提高变压器的运行频率可以大大减小变压器体积。高频变压器的损耗主要由磁芯损耗和绕组损耗组成[7-8]，下文将对这两种损耗的计算进行分析。

2.1    变压器磁芯损耗

变压器磁芯损耗主要由三部分组成：磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。使用损耗分離法对高频变压器的磁芯损耗进行计算时，可以分别计算三种损耗，再将三种损耗相加即为总磁芯损耗。磁芯损耗可由下式进行计算：

式中：Kh为磁滞损耗系数;Ke为涡流损耗系数;Kr为剩余损耗系数。

虽然此公式计算结果准确，但涉及的参数较多，且计算比较复杂，实际应用时很少被采用。

目前计算磁芯损耗大多采用斯坦梅茨（Steinmetz）公式，该公式将三种损耗计算集中到了一个式子中，并且具有较高的精确度。

式中：K、α、β均为与磁性材料相关的常数，称之为“Steinmetz系数”。

式（7）虽然简单有效，但仅仅适用于正弦激励下的磁芯损耗计算。对于DC/DC变换器，其高频变压器的激励为方波，因此需对Steinmetz公式进行修正。修正后的Steinmetz公式如下：

式中：F为磁通波形系数，方波激励时，F=π/4。

2.2    绕组损耗

绕组损耗是电流流过高频变压器线圈电阻而产生的能量损耗。由于DC/DC变换器一般工作在中、高频工况下，因此高频变压器绕组中电流的邻近效应和趋肤效应明显，从而导致绕组截面的利用面积比绕组实际截面积小，因此绕组损耗会比流过相同有效值的直流电流产生的损耗大。

对高频变压器的绕组损耗计算可将绕组电流进行傅里叶分解，得到各次谐波电流分量的有效值大小，同时计算各次谐波下的交流电阻大小，进而计算出绕组损耗。下式为绕组损耗计算公式：

式中：Rdc为绕组线圈的直流电阻大小;In为n次谐波电流分量的有效值;FRn为n次谐波激励下的交流电阻与直流电阻的比值。

从绕组损耗计算公式可以看出，降低绕组损耗的办法就是尽量使用电阻率低的导线。

3    结语

本文首先对变换器损耗的组成进行了分析，将变换器损耗分成MOSFET模块损耗和高频变压器模块损耗两个部分。之后就MOSFET模块和高频变压器模块中的各种损耗进行了详细的分析建模，得出了MOSFET和高频变压器中各个部分的损耗计算方法。同时对建立好的损耗模型进行了分析，得出了影响各个部分损耗大小的因素，提出了一些减小损耗的方法，对提升变换器的效率具有参考意义。

[参考文献]

[1] 宋强，赵彪，刘文华，等.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报，2013，33（25）：9-19.

[2] 王丹.配电系统电子电力变压器[D].武汉：华中科技大学，2006.

[3] 陈启超，纪延超，潘延林，等.配电系统电力电子变压器拓扑结构综述[J].电工电能新技术，2015（3）：41-48.

[4] 岳全有.电子电力变压器的综合损耗分析模型及其应用[D].长沙：湖南大学，2018.

[5] 陈捷恺.6 kW DC/DC变换器热分析及散热结构优化[D].武汉：武汉理工大学，2014.

[6] 王逸凡.基于SiC MOSFET三相逆变电路的损耗分析[D].天津：河北工业大学，2017.

[7] 王新勇.高频变压器损耗及温升特性分析[D].天津：河北工业大学，2013.

[8] 赵争菡.电力电子变压器中高频变压器磁芯和绕组特性的研究[D].天津：河北工业大学，2014.

收稿日期：2020-08-10

作者简介：游颖涛（1992—），男，江西高安人，助理工程师，从事电气设备运行维护及相关研究工作。