开关损耗的影响因素分析与仿真

夏兴国，陈乐柱，宁平华

(1．马鞍山职业技术学院电气工程系，安徽 马鞍山 243031;2．安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243002)

当前，随着非再生能源的过度使用和节能环保意识的增强，提高电能利用率显得非常重要。在电力电子技术应用领域，功率变换装置中功率开关器件的损耗问题是一个研究热点。当工作频率较高时，开关损耗将超过其通态损耗，成为主要损耗，甚至可忽略通态损耗。此时，器件内部结温上升较快，将影响自身安全工作，严重时会发生热击穿，故对器件的损耗研究重点放在开关损耗［1－2］。开关损耗的研究复杂，影响因素较多，这些因素间还存在着互相影响，给开关损耗的研究带来了很大难度。

迄今为止，国内外学者、专家从不同的方面对减少功率开关器件的损耗问题进行了探索和研究。主要集中在:从器件工作原理和应用环境的差别入手，旨在熟悉各种器件最佳使用场合，减少功率损耗来提高工作效率［3－4］;对器件内部结构和制造工艺进行研究，建立更为理想的物理结构损耗模型，来减少功率损耗［5－7］;对各工作频率下的不同特性进行测试研究，掌握器件的频率特性、器件的极限开关频率和损耗问题［8］;研究不同开关状态下器件损耗，力求改善器件开关特性来进行开关损耗的对比研究［9－10］;通过控制方式的优化来减少器件乃至装置的功率损耗［11］。

研究功率开关器件的损耗影响因素及其联系，对器件的使用环境、优化性能参数、散热器的选择乃至最优电路拓扑的设计都是至关重要的。在PSpice环境下搭建了IGBT仿真电路，选取不同影响因素进行了仿真，通过波形分析了这些因素对开关损耗的影响。

1 开关损耗的组成

在功率开关器件的开通和关断2个短暂过程内，电压和电流均不为零，会产生浪涌电流和尖峰电压，形成电压和电流波形的交叠，从而产生了开关损耗。这种瞬时损耗功率特别大，有损耗器件就会发热，严重时会影响其自身的安全工作，引起损坏，进而影响电路工作的可靠性。损耗的产生，不仅使器件发热，降低转换效率，而且限制变换装置开关频率的提高［12］。

根据定义，功率器件的开通损耗和关断损耗分别等于在开通和关断时间内功率器件两端的电压和通过电流的乘积，即在1个开关周期中消耗在器件的开通损耗和关断损耗为:

开关损耗为

式中:Pon为开通损耗;Poff为关断损耗;PS为开关损耗;u为集-射极间电压瞬时值;i为集电极电流瞬时值;ton为开通过程持续时间;toff为关断过程持续时间。

2 开关损耗的影响因素

影响器件开关损耗的因素有很多，如母线电压VCC、栅控电压 Vg、栅极电阻 Rg、集电极电流IC、负载电流IR、吸能电路参数 CS和 LS、电压变化率d u/d t、电流变化率d i/d t、结温T等，它们对开关损耗都存在不同程度的影响。可表示为

有些因素之间又相互影响，使器件损耗特性的研究变得复杂起来。由此可见，要获得开关损耗必须充分考虑到各种影响因素，因为它们之间存在着非线性的函数关系［13］。如果改变每个参数进行实验来获取开关损耗，实验工作量将非常大。经过理论分析，那些对损耗影响相对较小的因素将不予考虑，而主要考虑几个主要参数，如母线电压、栅极控制电压、栅极电阻、集电极电流。以下将对这几个主要参数进行参数配置，分析IGBT开关损耗因素，并进行实验仿真。

3 仿真测试电路

PSpice是一款电路通用分析程序，是EDA中的重要组成部分，其主要任务是对电路进行模拟和仿真。本文使用的是 OrCAD/PSpice10．5版本。为了分析器件开关损耗的部分影响因素与开关损耗的关系，现用下例进行仿真验证。

图1为含有器件IGBT的测试电路PSpice仿真图，通过改变损耗的影响因素的大小取值进行仿真研究。

图1 IGBT 的PSpice仿真图

IGBT 在Pspice中选用型号是ATP50GF100BN，其主要参数为开通时间(0．85～1．7μs)、关断时间(4．75 ～9．15 μs)、栅-射极电压(±20 V)，输入电容(3 500～4 300 pF)、输出电容(500～625 pF)、反向传输电容(150～200 pF)、最大集-射极电压(1 kV)和最大集电极电流(100 A)。选择IGBT工作频率为10 kHz，在这PWM 信号(Vg)中1个周期PER为0.1 ms，占空比选50%，脉冲宽度PW设为0.05 ms。

一般情况下PWM波形设为方波的话，需将其上升时间TR和下降时间TF设置为远小于周期，都取10 ns，而延迟时间TD设置为0;根据IGBT的选择，将产生PWM信号的高电压V2设为+15 V，为确保其可靠关断，设定低电压V1为－5 V。栅极电阻取100Ω，加在IGBT的电源为+400 V。负载设置为电感性，因为在负载为电感性时，IGBT在导通或者关断时，使得电感中的电流不会突变，呈缓慢上升或者下降的趋势，这样呈连续状态，容易测试。负载边，取L=10 mH、R=1Ω，由频率为10 kHz可知，虚部远大于实部，故负载阻抗几乎为纯感性。

4 仿真与结果讨论

选取以母线电压、栅极控制电压、栅极电阻、集电极电流为开关损耗主要影响因素的对象，随影响因素取值的改变，在PSpice中仿真IGBT瞬间开通和关断过程中的电压、电流的变化波形。各影响因素的配置和其他参数基准值见表1。

表1 影响因素的配置及其基准值

图2～5是IGBT在某种影响因素选取不同值而其他3种因素取基准值时，仿真出的瞬间开通和瞬间关断过程中电压波形或电流波形。开通或者关断过程的各自时间是对应的，各个波形不是同时获取的。

图2中，随母线电压的增大，器件开通过程中电压下降变慢，电流上升也变慢，且二者值都在增大;关断过程的电压上升变慢，电流下降也变慢，导致开通和关断过程中二者的交叠面积都增加，故开关损耗增加。图2(d)中，关断过程中电流波形进行了拉大处理，是为了便于看出不同母线电压对其的影响，实际上电流波形中的区别没这么突出。

图3中，随着栅极控制电压的增加，仿真出的开通过程和关断过程的电压、电流波形有细微差别，二者交叠面积差别很小，故可认为栅极控制电压对开关损耗影响微小。由于仿真时间都是μs级单位的，图中仿真出的开通和关断过程电压、电流波形曲线的细微差别，几乎重合在一起，很难分清。

图4中，栅极电阻的增加，可以看出开通过程电压下降变慢，电流上升也变慢，导致开通过程变长，开通损耗增加;关断过程电压上升变慢，电流下降变慢，关断损耗变化需经计算后得出。

图2 不同母线电压情况下的电压、电流实验波形

图3 不同栅极控制电压情况下的电压、电流实验波形

图4 不同栅极电阻情况下的电压、电流实验波形

图5 中，随集电极电流的增大，开通过程中电压波形下降变慢而电压值变大、电流波形上升变慢而电流值也增大，且开通时间变长，所以二者交叠面积变大，开通损耗变大;关断过程变慢，电压值及其上升率变大，电流下降率变大，故开关损耗增加。

图5 不同集电极电流情况下的电压、电流实验波形

5 结语

从图2～5可以看出各参数的变化对开通、关断过程中的电压和电流值有一定影响，验证了这些因素对器件的开关损耗同样具有影响。除了IGBT的栅极控制电压以外，其母线电压、栅极电阻、集电极电流的数值选择与各参数的基准值相比，开通、关断瞬间过程的电压、电流的波形都有明显的差别，故各参数对IGBT的开关损耗都具有一定影响。另外，还要考虑功率开关器件在开通与关断动作的瞬间，产生损耗后会转化成热量，而结点温度的不同对开关损耗的测试与研究会产生很大的影响。在仿真中不同的测试温度下的损耗测试研究无法实现，故未进行此方面的研究工作。

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