1通過逆變電路的損耗分析選擇合適器件

在研究逆變電路的損耗時，所使用的功率器件選型也非常重要。不僅要實現預期的電路工作和特性，同時還需要進行優化以將損耗降至更低。本文將功率器件的損耗分為開關損耗和導通損耗進行分析，以此介紹選擇合適器件的方法。

2用于仿真的逆變電路

本次以Power Device Solution Circuit一覽中的逆變電路“B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW”（圖1）。通過更改該逆變電路中黃色框中的內容進行仿真，從而進行損耗分析并選擇合適器件。

圖1：Power Device Solution Circuit逆變電路B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW

3損耗分析方法

為了說明損耗分析方法，首先以DC-DC轉換器為例進行說明。圖2展示了MOSFET在開關時VDS、ID、損耗（Pd）以及對損耗進行時間積分后的能量（E）的仿真波形。ROHM Solution Simulator中，可以用仿真結果顯示工具Waveform Viewer中的Waveform Analyzer的運算功能對損耗進行積分，并輕松輸出能量波形。

在圖2的能量波形中可以一目了然地看到開關區間（Eon、Eoff）和導通區間（Econd）的消耗能量。此外，通過讀取光標的差值，還可以獲得數值。

對于像DC-DC轉換器這樣輸入輸出恒定的情況，可以通過1個周期的能量與開關頻率的乘積，分別計算出開關損耗和導通損耗。

圖2：DC-DC轉換器電路的MOSFET波形

然而，在逆變電路中，如圖3所示，負載是波動的，因此僅看部分開關波形無法計算出整個電路工作的損耗。

對于這種器件損耗不恒定的電路工作，可以通過對損耗波形進行分段，提取任意部分，分別計算出導通損耗和開關損耗。

圖3：逆變電路的MOSFET波形

圖4左側的波形與圖3相同，是逆變電路的MOSFET波形，右側的波形是左側波形中藍色虛線部分的放大波形。右側波形圖中看到的黃色線波形是提取出的導通損耗波形。

為了僅提取導通損耗，此處的分段提取了“VGS為High”且“功率低于導通損耗最大值”時的功率。提取任意波形后，求出1個周期的平均值，分析損耗的比例。

圖4中，總損耗為29.5W，導通損耗為20.5W（從波形圖中的Average數值可知），因此開關損耗為9.0W。由此可知損耗比例為導通損耗70%，開關損耗30%。

圖4：從逆變電路的MOSFET波形中提取導通損耗（右側）

在本示例中，我們僅將損耗分為開關損耗和導通損耗，但通過更詳細地設置分段條件，還可以進一步細分為開通損耗、關斷損耗、反向恢復損耗、寄生二極管損耗等。

4合適器件的探討

圖5展示了更換圖1所示的電路“B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW”中的功率器件MOSFET后各MOSFET的損耗分析結果。

圖5：逆變電路示例中各MOSFET的損耗分析結果

MOSFET型號名稱中的第三和第四位數字（如R6050JNZ4中的“50”）表示電流額定值（ID）。即從左到右，同一系列MOSFET的ID分別為50A、42A、30A、20A。

從圖5可以看出，電流額定值越高，導通損耗（Conduction Loss）越低，而電流額定值越低，開關損耗（Switching Loss）越低。因此，在圖1的電路中，可以選擇總損耗最小的R6030JNZ4作為合適器件。

5半橋逆變電路與全橋逆變電路的特點

在進行電路設計和工作驗證時，需要了解其基本電路結構和工作特點。本節將分別介紹半橋逆變電路和全橋逆變電路的特點。

6用于仿真的逆變電路

使用“Power Device Solution Circuit逆變電路一覽”中的以下2個電路。

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

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

從Solution Circuit的標題可以看出，B-3是半橋逆變電路，B-4是全橋逆變電路。電路圖如圖6和圖7所示。黃色框內是后續特性比較仿真中更改條件的部分。

圖6：Power Device Solution Circuit逆變電路B-3. Half-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A

圖7：Power Device Solution Circuit逆變電路B-4. Full-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A

7半橋逆變電路與全橋逆變電路的優缺點

表1總結了半橋逆變電路和全橋逆變電路的優缺點。

表1：半橋逆變電路與全橋逆變電路的優缺點

雖然要看條件，但考慮到電路的特性，半橋電路適用于低電壓、大電流的應用場景，而全橋電路則適用于高電壓、大功率的應用場景。

8半橋逆變電路與全橋逆變電路的工作比較

圖8展示了圖6（半橋）和圖7（全橋）各電路在初始條件（Vin=500V）下的模塊損耗比較結果。輸出電流Io設置為在50～100A之間變動（電路圖中的黃色框）。這里的模塊指的是1個半橋電路，而全橋電路基本上由2個半橋電路組成。

圖8：半橋電路與全橋電路的模塊損耗比較

通過仿真比較損耗可知，半橋電路由于開關器件要承受2個電源的電壓，開關損耗較大，單個模塊的損耗也比全橋電路的大。然而，從整個電路的損耗來看，全橋電路的2個模塊的導通損耗比半橋電路的損耗大，因此全橋電路的損耗更大。

接下來，假設半橋電路的VIN=500V只有一個電源，將其分割為VIN=250V×2進行仿真（圖6黃色框中的輸入電壓）。

圖9展示了VIN=500V×2和VIN=250V×2情況下的輸出波形。從波形可以看出，VIN=250V×2時，VO在250V時達到上限。這是因為表1所示的半橋電路的缺點，即“最高只能輸出1個電源的電壓”。輸出電壓設定值VO=200V的有效峰值電壓為282V，因此VIN=250V×2的電壓是不夠的。

圖9：半橋電路VIN=500V×2和VIN=250V×2的輸出波形比較

由此可見，半橋逆變電路和全橋逆變電路各有優缺點，無法一概而論哪種更好。了解它們的特點并根據應用場景進行適當選擇非常重要。