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三相维也纳PFC的主要功率器件损耗计算和热设计

1月前浏览4207
大家好,我是电源漫谈,维也纳PFC整流器的主要损耗是由功率半导体器件,升压电感器和共模电感组成。热设计的关键是功率半导体器件损耗计算。在此设计中,所有12 MOSFET 均为硬开关,通过开通能量Eon 和关断能量Eoff  来计算功率器件开关损耗。

根据相关文献,基于数据表和曲线拟合方法构建,通过查表找得到Eon(ID;VDS) Eoff(ID;VDS)的值,用于计算某些中间的值。平均二极管电流 IFav、均方根二极管电流 IFrms ,和均方根漏极电流 IDrm,这些电流量可以用来计算器件传导损耗。从相关文献得到,IFav=IL M/4 、IFrms = IL q 2M /3Π、IDrms = IL q 1/ 4-2M/ 3Π. 其中M 是调制指数,IL 是电感电流的幅度。二极管导通损耗PCD 为 表示为如图公式1所示。值得注意的是,除了二极管的正向压降和电流导致的损耗之外,还需要考虑二极管的阻性损耗。

MOSFET导通损耗PCM表示为公式2所示,体现为纯阻性损耗。

MOSFET 开关损耗PCM 计算如下如公式3所示。

因此,半导体器件的总损耗为公式4所示。

此拓扑设计中,有6个功率二极管,每一相两个,所以共6个二极管的损耗,而SiC MOSFET每一相为四个,所以共12个SiC MOSFET,均体现在上述公式中。

表2显示了Vienna PFC的样机在满负荷20kW运行条件下损耗计算结果。

上表分析了维也纳PFC设计的各个部分的损耗,由此看出SiC DIODE部分的损耗较为明显,处于第二位的损耗是SiC MOSFET的开关损耗,所以优化系统效率的方面可以从这两部分着手。

功率半导体器件的工作结温选择是功率器件散热设计的关键,这涉及到一个最差的情况,从效率的角度来看,传导损耗随着结温的增加而增加,因为RDSon 的温度系数为正,SiC MOSFET 的导通损耗随着温度的升高先下降后增加。

在本文中, 考虑一定的降额,工作结温设定为 105℃,设计中使用了散热器,每个相腿均使用一个独立的散热器,当我们计算出各个器件的损耗后,基于此就可以进行热计算。从损耗计算来看,最大设计热阻抗如下公式5所示。

对于散热器的选择和热阻抗设计,采用一维热等效电路模型,等效热阻由 器件封装热阻抗、散热器等的热阻抗 ,热界面材料组成,这几部分热阻需要达到充分的值。图8所示为功率半导体器件的热结构,及其相应的一维热等效电路如图9所示。

从芯片内部产生损耗,热量由内到外经由封装热阻,热界面材料,散热器等若干材料部分的热阻,最终耗散到空气,形成一个串联回路。

强制风冷条件下散热器的热阻为0.35K/W, 来冷却 SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二极管。AlN 热界面从器件到散热器传导热量,并提供高压绝缘,这两点功能普遍存在于功率器件的散热设计中。此外,还采用新型相变材料来代替导热硅脂,因其较低的热阻,可长期热稳定性高 ,热容量大等优势,各个部分的热阻列于如下表三中。

可以看到总的热阻为0.797K/W,小于计算的需求最大热阻0.91K/W。

除了半导体功率器件之外,升压电感的损耗也是重要的一部分损耗,它包括磁芯损耗和铜损,其中磁芯损耗曲线拟合公式如式(6)所示。对于 60u 高磁导率的磁芯,相关常数为a=2.284,b=3.050,c=0.0023,d=2.397。

磁芯损耗主要分为两部分:高频开关电流纹波和基波电流引起的磁芯损耗,可以根据两部分电流导致的磁感应强度的变化来计算磁损,第二个影响磁芯损耗的因素是开关频率。

高频开关电流纹波引起的磁通量B-hf的变化为,如公式7所示。

基波电流纹波引起的磁通B-hf的变化为,公式8所示。

因此,总的电感磁芯损耗如公式9所示。

升压电感的铜损计算公式为10所示。

因此,每个升压电感器的总损耗为公式11所示,可以看出磁芯损耗和铜损耗比较均衡。

根据上面的损耗计算,电感损耗较大,因此升压电感安装在风道中进行散热 ,如图10所示 。

以上就是关于一个20kW维也纳PFC的主要功率器件的计算及热设计过程。  

参考资料,Design and Implementation of Forced Air-cooled,140kHz, 20kW SiC MOSFET based Vienna PFC

来源:电源漫谈
电源电路半导体电力电子新能源芯片UM理论PFC材料热设计科普控制Origin
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首次发布时间:2024-06-17
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