三相维也纳PFC功率器件损耗分析

时间： 2024-10-23 来源：瑶芯微电子公众号

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三相维也纳PFC是一种三电平PWM整流器拓扑，旨在提高电源系统的效率和功率因数。因其所需的开关器件少，单个功率器件所承受的最大电压为输出母线电压的一半，无需设置驱动死区时间，无桥臂直通问题等特点得到广泛应用。维也纳PFC整流器功率半导体器件主要由6个绝缘栅型晶体管（IGBT）和12个快恢复二极管（FRD）组成。在该拓扑应用中，所有IGBT和FRD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。通过计算导通电流与器件饱和（通态）电压计算器件导通损耗。

三相维也纳PFC基本工作机理

对于三相三线制Vienna整流器，A、B和C三相中的任意一相均可以与另外两相构成闭合回路，下面以A相为例分析电流的换流路径

当A相电流为正时：

1电平：当开关管Sa1关断时，A相输出为正电平，即UAN=Udc/2, 其中Udc为正母线p、负母线n之间的电压。电流的流通路径为：从A相电网正极流出，经过电感La，再经过二极管Da1流到直流侧电容C1，最终通过另外两相回到A相电网，具体流通路径如图2(a)所示。此阶段，电感La和电网Ea向电容充电，同时为后级负载供电。

0电平：当开关管Sa1导通时，A相输出为零电平，即UAN=0。电流的流通路径为：从A相电网正极流出，经过电感La，再经过开关管Sa1和开关管Sa2的反向二极管流到直流侧中点N，最终通过另外两相回到A相电网，具体流通路径如图2(b)所示。此阶段，电感La充电，储存能量，直流输出电容为后级负载供电。

当A相电流为负时：

-1电平：当开关管Sa2关断时，A相输出为负电平，即UAN=-Udc/2。电流经过续流二极管Da2，电感La，最终流入电网Ea，具体流通路径如图3(a)所示。此阶段，电感La和电网Ea向电容充电，同时为后级负载供电。

0电平：当开关管Sa2导通时，A相输出为零电平，即UAN=0。电流经过开关管Sa2和开关管Sa1的反向二极管流，电感La，最终流入电网Ea，具体流通路径如图3(b)所示。此阶段，电感La反向充电，储存能量，电容为后级负载供电。

IGBT损耗分析

IGBT模块主要由IGBT和FRD组成，其相应地也会产生两部分损耗。如图4所示，IGBT损耗主要包含开关损耗和通态损耗，FRD主要包含反向恢复损耗以及通态损耗。通态损耗的产生是由电流正向流经IGBT或者FRD上产生一定的压降，损耗就是正向电流和器件两端正向压降的乘积，开关损耗和反向恢复损耗则是跟开关过程中的直流电压和开关电流有关。对于IGBT和FRD，影响其通态损耗的主要因素有：通态电流、结温和开关占空比；影响其开关损耗的主要因素有：集电极电流、结温、驱动电阻、寄生电容和开关频率器件截止时承受的电压。

下面以30kW充电桩模块三相维也纳为例分别计算IGBT和FRD损耗。

IGBT总损耗：

FRD损耗：

总结：在30kW充电桩中，IGBT主要损耗来源导通损耗占比较大，总损耗主要由高温下Vcesat决定。

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型号- 2SK2225-80-E,TFLEX HD300,CMS-R010-1.0,U9507C,TPCM 780,10-FZ074PA0XXSM-LXXXF08,SPFJ160,PS9402,BVE-A-R002-1.0,MLX91208,10-FZ07ANAXXSM-LE2XL08,PS9031,LSIC2SD120E30CC,SI8235BD-D-IS,SI8233BD-D-IS,10-FZ071SA050SM02-L524L18,KSU60D60N,92ML,10-FZ07ANA75SM-LE28L08,10-FZ07ANA150SM-LE20L08,0505030.MX52LEP,RC12-6-01LS,10-FY074PA100SM-L583F08,10-FZ071SA100SM02-L526L18,SMBJ18CA,ADP32F12A,PS9531L3,10-FZ071SA075SM02-L525L18,RBN75H65T1GPQ-A0,C4D30120D,KSF60F60B,SID1152K,SI8621BD-B-IS,10-FZ07ANA100SM-LE29L08,10-FZ074PA050SM-L624F08,10-FZ074PA075SM-L625F08,SGM2019

ISABELLENHUETTE,LITTELFUSE,LAIRD,SILICON LABS,ADVANCECHIP,RENESAS,VINCOTECH,II-VI MARLOW,WOLFSPEED,LONGSUNG,KYOCERA,PI,ROGERS,MELEXIS,SGMICRO - 优选器件方案 - V1.1

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