鄭大為，曹 磊，徐忠勇

（伊頓電氣集團(tuán)山特電子（深圳）有限公司，深圳 518101）

高效功率變換器設(shè)計(jì)與損耗建模

鄭大為，曹 磊，徐忠勇

（伊頓電氣集團(tuán)山特電子（深圳）有限公司，深圳 518101）

綠色節(jié)能是開關(guān)電源、功率變換器的一大發(fā)展趨勢(shì)，如何設(shè)計(jì)出高效的電源系統(tǒng)，也是電源設(shè)計(jì)關(guān)注重點(diǎn)之一。以3相UPS系統(tǒng)為例，從功率拓?fù)洹雽?dǎo)體器件、磁性元件及輔助電源中的風(fēng)扇調(diào)速等系統(tǒng)角度出發(fā)，闡述了功率變換器高效系統(tǒng)設(shè)計(jì)；同時(shí)針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行損耗分類和各類損耗建模，從而導(dǎo)出系統(tǒng)損耗模型；最后，通過(guò)對(duì)額定電壓230 Vac、額定功率50 kW 三相UPS的損耗/效率仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際UPS損耗/效率測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了損耗模型的準(zhǔn)確性。

功率變換器；UPS；高效；損耗建模

綠色節(jié)能是開關(guān)電源、功率變換器的一大發(fā)展趨勢(shì)，如何設(shè)計(jì)出高效的電源系統(tǒng)，也是電源設(shè)計(jì)關(guān)注重點(diǎn)之一[1]。

針對(duì)設(shè)計(jì)高效的電源變換器，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)電路拓?fù)洹雽?dǎo)體器件和磁性元器件等方面進(jìn)行了專題研究。2015年Wang Qiong從拓?fù)浣嵌葘?duì)單相兩電平及三電平無(wú)橋PFC、三相兩電平整流、NPC整流及維也納整流等AC/DC變換器進(jìn)行分析并比較了效率指標(biāo)，指出三電平結(jié)合交錯(cuò)并聯(lián)在效率上的優(yōu)勢(shì)[2]；2003年Yang Bo對(duì)雙管正激、移相全橋、半橋及LLC等DC/DC拓?fù)浞治霰容^了效率指標(biāo)，證明LLC在DCDC高效需求應(yīng)用中的有效性[3]；2005年Teichmann及Bernet等從拓?fù)浣嵌葘?duì)兩電平、I型三電平及T型三電平等DC/AC變換器分析比較了效率指標(biāo)，指出三電平在效率上的優(yōu)勢(shì)[4]。針對(duì)半導(dǎo)體器件的損耗評(píng)估，目前有PSIM、PLECS、PSPICE和Mathcad等仿真建模工具，并主要集中于三大類的比較研究，即不同狀態(tài)下的半導(dǎo)體損耗分析以改善開關(guān)特性、不同器件對(duì)比研究以確定器件的適用場(chǎng)合、不同開關(guān)頻率下的研究以確定頻率特性及開關(guān)極限[5]。熊妍等也針對(duì)IGBT損耗計(jì)算及建模方法進(jìn)行了綜述和總結(jié)，將其分為基于物理結(jié)構(gòu)的損耗模型及基于數(shù)學(xué)方法的損耗模型[6]。針對(duì)磁性元器件，范莉研究了對(duì)高頻磁性元件鐵芯損耗及特性[7]；曠建軍分析和研究了繞組損耗[8]。然而，由于功率變換器，特別是大功率變換器系統(tǒng)的復(fù)雜性，如何確定運(yùn)行效率的影響要素，如何在設(shè)計(jì)階段從系統(tǒng)角度考慮損耗評(píng)估與建模，確保設(shè)計(jì)評(píng)估系統(tǒng)效率與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性，一直是困擾電源設(shè)計(jì)開發(fā)的一個(gè)問題。

目前UPS行業(yè)，普遍的運(yùn)行效率為94%，從主功率拓?fù)洹雽?dǎo)體器件、磁性元件、電阻性損耗及輔助電源中的風(fēng)扇調(diào)速等系統(tǒng)角度考慮，還存在很大的效率改善空間。本文以Eaton業(yè)界最高運(yùn)行效率3相UPS產(chǎn)品93PM開發(fā)為例，就如何進(jìn)行高效功率變換器設(shè)計(jì)與損耗建模與評(píng)估，進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

1 高效系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 主功率拓?fù)湓O(shè)計(jì)

主功率拓?fù)涫枪β首儞Q器的系統(tǒng)損耗的主要來(lái)源，其設(shè)計(jì)是高效設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。同一功率變換器可能有多個(gè)適用的備選拓?fù)洌诜治龌就負(fù)涞倪\(yùn)行原理以及損耗詳細(xì)分布的基礎(chǔ)上，再結(jié)合功率變換器的應(yīng)用條件，綜合考慮其成本及性能，才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

以UPS為例，圖1為在線式UPS系統(tǒng)框圖，其中，AC/DC+DC/AC（B2+B3，市電模式）與 DC/DC+DC/AC（B4+B3，儲(chǔ)能模式）為主功率回路。由于UPS絕大部分時(shí)間工作在市電模式，所以市電模式下系統(tǒng)運(yùn)行效率才是客戶關(guān)心的重點(diǎn)，也是UPS高效節(jié)能的關(guān)鍵指標(biāo)。

圖1 在線式UPS系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of online UPS system

對(duì)于 UPS整流（AC/DC）與逆變（DC/AC）來(lái)說(shuō)，每部分都有多個(gè)備選拓?fù)洹Ｕ饔邪霕蛲負(fù)?、雙Boost拓?fù)?、維也納拓?fù)浜腿娖酵負(fù)涞?；逆變有半橋拓?fù)浜腿娖酵負(fù)涞?。根?jù)電感電流續(xù)流回路將這些拓?fù)鋮^(qū)分為兩類：兩電平拓?fù)渑c三電平拓?fù)?，已有大量的研究和歷史數(shù)據(jù)表明三電平比兩電平更高效[4]。對(duì)于UPS主功率拓?fù)鋪?lái)說(shuō)，整流與逆變都采用兩電平在傳統(tǒng)硅（Si）半導(dǎo)體開關(guān)器件下UPS系統(tǒng)最高效率能做到94%左右；而都采用三電平拓?fù)銾PS系統(tǒng)效率能做到96%以上。事實(shí)上，三電平拓?fù)湟彩悄壳肮β首儞Q器的主流拓?fù)鋄9，10]。

三電平變換器有兩種基本類型：I型與T型。對(duì)于UPS整流器來(lái)說(shuō)，其往往還有功率因數(shù)校正PFC（power factor correction）的功能，其功率因數(shù)近似為1，整流器可認(rèn)為工作在2、4象限。而UPS逆變器為電壓源輸出時(shí)全象限工作，對(duì)于有功區(qū)域，其工作在1、3象限；而對(duì)于無(wú)功區(qū)域，則工作在2、4象限。根據(jù)變換器電流回路分析與各器件電流分布，針對(duì)UPS功率拓?fù)渥鞒鋈缦露ㄐ苑治觥?/p>

（1）由于整流器來(lái)說(shuō)（2、4 象限），I型與 T 型損耗的區(qū)別在于續(xù)流回路，在相同電流與目前硅器件工藝條件下，1個(gè)1 200 V二極管比2個(gè)串聯(lián)二極管損耗更低，所以T型三電平對(duì)于整流器更具效率優(yōu)勢(shì)。

（2）對(duì)于逆變器來(lái)說(shuō)，雖然其為全象限工作，由于UPS負(fù)載功率因數(shù)一般在+0.7～-0.7之間，有功電流（1、3象限）相關(guān)的損耗才是開關(guān)器件損耗的主要部分。1、3象限內(nèi)，I型與T型損耗的區(qū)別在于導(dǎo)通回路，即I型為600 V開關(guān)管導(dǎo)通損耗×2，+600 V開關(guān)管開關(guān)損耗×1；T型為（1 200 V開關(guān)管導(dǎo)通損耗+開關(guān)損耗）×1。導(dǎo)通回路中，T型導(dǎo)通損耗占優(yōu)，I型開關(guān)損耗占優(yōu)，而總損耗誰(shuí)更優(yōu)則取決于導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗的比例。據(jù)評(píng)估，若所有開關(guān)器件采用硅器件，分界頻率點(diǎn)為10 kHz左右，開關(guān)頻率低于10 kHz，T型三電平更具效率優(yōu)勢(shì)；開關(guān)頻率高于10 kHz，I型三電平更具效率優(yōu)勢(shì)。

從成本、行業(yè)現(xiàn)狀與技術(shù)成熟度等方面綜合考慮，93 PM UPS開關(guān)器件采用硅IGBT與二極管，開關(guān)頻率設(shè)置在20 kHz，變換器采用三電平拓?fù)?。從前面的分析可知，I型與T型在效率各有優(yōu)勢(shì)，對(duì)于UPS應(yīng)用，一種改進(jìn)型高效三電平拓?fù)浔惶岢觯渲饕攸c(diǎn)是在標(biāo)準(zhǔn)的I型三電平拓?fù)涞臉虮壑悬c(diǎn)與DC+/-之間增加了額外的單二極管的續(xù)流通道（如圖2 D1/D2所示）。該改進(jìn)型高效三電平拓?fù)湓?、4象限工作時(shí)電流環(huán)路與T型三電平類似；而1、3象限工作時(shí)電流環(huán)路則與T型三電平類似。所以其綜合了I型三電平與T型三電平各自的效率優(yōu)勢(shì)，具有全象限最優(yōu)效率特性。

1.2 開關(guān)器件優(yōu)化選型

93 PM UPS主動(dòng)率拓?fù)渚唧w電路如圖2所示，整流器與逆變器皆為改進(jìn)型高效三電平拓?fù)?，采用背靠背設(shè)計(jì)。

圖2 高效UPS三電平拓?fù)銯ig.2 High efficiency UPS three-level topology

圖2所示的高效UPS三電平拓?fù)渲?，整流器部分D2/D3在T2/T3關(guān)斷后自然關(guān)斷，無(wú)反向恢復(fù)特性；逆變器部分T2/T3在有功區(qū)域?yàn)楣ゎl開關(guān)，其開關(guān)損耗可以忽略；而對(duì)于其作用于抑制T1/T2/T3/T4開關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的反向電壓從而保護(hù)T1/T2/T3/T4，它們并不是主續(xù)流回路，所以其特性對(duì)變換器效率影響可忽略；另整流器部分T1/T4僅在有功率回饋的情況下有電流通過(guò)，其特性對(duì)變換器效率影響也可忽略。

針對(duì)上述這些特點(diǎn)，對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行優(yōu)化選型設(shè)計(jì)，如圖3所示。可以分成兩類：

（1）低導(dǎo)通電壓器件，如圖3虛線方框所示，以低半導(dǎo)體開關(guān)器件飽和導(dǎo)通壓降Vce（sat）與低二極管正向?qū)▔航礦f為優(yōu)選方向。

（2）快速開關(guān)特性器件，如圖3實(shí)線方框所示，以低半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)損耗Esw與低二極管反向恢復(fù)電荷Qrr為優(yōu)選方向。

圖3 基于高效UPS三電平拓?fù)溟_關(guān)優(yōu)化選型Fig.3 Switch optimized selection based on high efficiency UPS three-level topology

1.3 功率電感設(shè)計(jì)

主功率電路中，功率電感往往為第二大損耗來(lái)源。對(duì)于開關(guān)電源設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，磁性元件設(shè)計(jì)是其核心內(nèi)容之一。損耗僅僅是電感設(shè)計(jì)考量之一，開關(guān)頻率、濾波器參數(shù)、繞線設(shè)計(jì)、散熱、最大直流工作點(diǎn)和成本等都是電感設(shè)計(jì)制約因素，且都與損耗有著很強(qiáng)的耦合性。開關(guān)頻率影響電感的磁芯損耗；濾波器參數(shù)與開關(guān)頻率一起決定了電感感值與電感紋波電流，而感值影響電感的工頻銅損，電感紋波電流影響電感的高頻銅損；繞線設(shè)計(jì)決定了電感的高頻特性，影響電感的高頻銅損；散熱設(shè)計(jì)決定了電感的工作溫度，對(duì)電感銅損與鐵損都有影響；最大直流工作點(diǎn)往往對(duì)磁芯材料與尺寸的選取有著決定性作用，從而影響電感的銅損與磁芯損耗；任何設(shè)計(jì)都有成本的約束，需要在性能與成本之間找到最佳平衡點(diǎn)。

磁芯的選型與設(shè)計(jì)則是電感設(shè)計(jì)的核心，而對(duì)于磁芯的選型，首先要確定功率變換器的開關(guān)頻率。磁性材料的技術(shù)發(fā)展和功率變換器頻率的提高，有利于降低電感元件的總損耗，但由于開關(guān)頻率與半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)損耗呈正比關(guān)系，在某一頻率范圍內(nèi)增加開關(guān)頻率帶來(lái)開關(guān)器件損耗的增加可能要大于電感損耗的降低，所以開關(guān)頻率的確定需與半導(dǎo)體開關(guān)器件的選型來(lái)綜合考慮。常規(guī)IGBT，通常在20 kHz附近為優(yōu)選開關(guān)頻率；新一代Infineon H5 IGBT，其優(yōu)選開關(guān)頻率可達(dá)到40 kHz左右，接近功率MOSFET；超級(jí)結(jié)功率MOSFET，其優(yōu)選開關(guān)頻率可達(dá)80～100 kHz；而產(chǎn)業(yè)化不久的碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）器件其優(yōu)選開關(guān)頻率則可進(jìn)一步提高。

確定好開關(guān)頻率后，磁芯選型與設(shè)計(jì)需要面對(duì)磁芯損耗與磁導(dǎo)率直流偏置這兩個(gè)相互制約的特性。變換器實(shí)際運(yùn)行區(qū)域可以分成兩部分：正常運(yùn)行區(qū)域與過(guò)載運(yùn)行區(qū)域。正常運(yùn)行區(qū)域?yàn)樽儞Q器的額定運(yùn)行，絕大部分工作時(shí)間都位于此間，其運(yùn)行效率對(duì)用戶才有實(shí)際價(jià)值。高磁導(dǎo)率與低磁芯損耗是磁芯選型中使降低電感損耗的途徑；過(guò)載運(yùn)行區(qū)域決定了換器中的最大直流工作點(diǎn)，其運(yùn)行時(shí)間較短，該區(qū)域內(nèi)關(guān)注的是電感的直流偏置，若電感設(shè)計(jì)過(guò)分追求低損耗而使電感直流偏置下降太快、太多，其后果是致命的，使得限流保護(hù)設(shè)計(jì)困難，嚴(yán)重的情況下甚至導(dǎo)致限流失敗從而損壞變換器。各種常用的磁性材料中，鐵氧體、鉬坡莫合金、鐵硅鋁合金等磁性材料有著較小的磁芯損耗，但其飽和磁通密度較低；鐵粉心、鐵硅合金等磁性材料有著良好的磁導(dǎo)率直流偏置特性，但其磁性損耗偏大；有些磁性材料在兩方面都有著良好特性（如非晶合金），但往往其成本比較高。

針對(duì)上述問題，為了實(shí)現(xiàn)損耗、飽和特性與成本之間最佳設(shè)計(jì)，混合磁芯技術(shù)最近幾年得到廣泛的研究與應(yīng)用[11]。其核心原理將高飽和磁通密度磁芯（A部分，如鐵硅、甚至空氣）與高磁導(dǎo)率與低磁芯損耗磁芯（B部分，如鐵氧體、鐵硅鋁）構(gòu)成混合磁芯，其中A部分用于提供變換器在最大直流工作點(diǎn)時(shí)的必要感值以確保其可靠運(yùn)行；B部分用于實(shí)現(xiàn)正常工作區(qū)域內(nèi)的大電感與小磁芯損耗。通過(guò)調(diào)整兩部分磁芯尺寸比例，實(shí)現(xiàn)電感飽和曲線的優(yōu)化（如圖4所示），在滿足電感飽和特性的基礎(chǔ)上最小化電感損耗。

另外合理的繞線設(shè)計(jì)與良好的散熱設(shè)計(jì)也是進(jìn)一步降低電感損耗的有效途徑。扁平線立繞、Liz多股并繞、漸進(jìn)式繞線、線圈避開氣隙等都是繞線設(shè)計(jì)很好的工程參考。

93PM UPS電感設(shè)計(jì)采用鐵氧體+空氣混合磁路開放式電感設(shè)計(jì)，具有低損耗、電感直流偏置好、易加工、低成本的特點(diǎn)。以圖5所示的3相50 kW逆變電感為例，單體滿載損耗為53 W，比鐵硅環(huán)形磁芯電感方案總損耗下降30%以上。

圖4 混合磁芯電感方案直流偏置曲線Fig.4 DC bias curve of hybrid core solution inductor

圖5 空氣混合磁路電感（伊頓專利）Fig.5 Hybrid air/magnetic core inductor（Eaton patent）

1.4 風(fēng)扇調(diào)速設(shè)計(jì)

在大功率變換器系統(tǒng)中，用于系統(tǒng)散熱的風(fēng)扇損耗也是一個(gè)不可忽略的因數(shù)。對(duì)于風(fēng)扇來(lái)說(shuō)，其選型設(shè)計(jì)往往是基于最惡劣的工作條件，如最大工作環(huán)溫、過(guò)載需求、風(fēng)扇冗余需求等等，以確保系統(tǒng)在各種工況下可靠運(yùn)行。而變換器在實(shí)際用戶端段的工況絕大多數(shù)時(shí)間要好很多，如UPS典型應(yīng)用中，環(huán)溫25℃左右，負(fù)載一般在30%～50%之間，這種情況UPS散熱所需的風(fēng)量（風(fēng)速）要求遠(yuǎn)小于最大需求。而風(fēng)扇的風(fēng)速?zèng)Q定了風(fēng)扇功率，所以根據(jù)最惡劣工作條件設(shè)計(jì)的風(fēng)扇在變換器大部分工作時(shí)間處于能量浪費(fèi)的狀態(tài)。為了進(jìn)一步提高大功率變換器系統(tǒng)全范圍內(nèi)的運(yùn)行效率，合理的風(fēng)扇調(diào)速設(shè)計(jì)變得很有意義。通過(guò)精確的系統(tǒng)熱流建模、仿真以及測(cè)試驗(yàn)證，得出在不同的環(huán)溫與負(fù)載量下最優(yōu)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)控制單元實(shí)時(shí)偵測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)溫與負(fù)載量，基于最優(yōu)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速曲線對(duì)系統(tǒng)風(fēng)扇進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)控。風(fēng)扇調(diào)速控制的好處除了改善系統(tǒng)全范圍內(nèi)運(yùn)行效率特別是輕載下的運(yùn)行效率外，還可以降低系統(tǒng)的運(yùn)行噪音。

以93PM UPS為例，風(fēng)扇調(diào)速設(shè)計(jì)在25%負(fù)載下系統(tǒng)運(yùn)行效率可以提高達(dá)0.5個(gè)百分點(diǎn)（95.6%→ 96.1%）。

2 系統(tǒng)損耗建模與評(píng)估

2.1 系統(tǒng)損耗分類

從器件損耗的構(gòu)成來(lái)看，功率變換器系統(tǒng)損耗可以分成以下5大類。

（1）功率半導(dǎo)體開關(guān)器件含二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等損耗，為系統(tǒng)損耗最大來(lái)源，可分為導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗兩大類。

（2）功率磁性元件如電感、變壓器等損耗，其往往為系統(tǒng)損耗第二大來(lái)源，分為工頻（或直流）損耗與高頻損耗兩大類。工頻（或直流）損耗為工頻（或直流）電流有效值平方與DCR的乘積；高頻損耗與開關(guān)頻率相關(guān)，可分為高頻銅損、渦流損耗、磁滯損耗等。

（3）電阻型損耗，系統(tǒng)布線、開關(guān)、斷路器、繼電器、熔斷器、PCB走線銅箔等的損耗都屬于電阻型損耗，此類損耗計(jì)算簡(jiǎn)單，其值為工作電流有效值平方與阻抗的乘積，即

式中：Ii為通過(guò)各電阻型器件的電流；Ri為各電阻型器件的阻抗。

（4）電容損耗，主要包含輸入、輸出濾波電容損耗以及直流母線電容損耗。其損耗往往占系統(tǒng)總損耗比重不大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中容易被忽略。但為了提高系統(tǒng)損耗評(píng)估精度，這部分也需要納入系統(tǒng)損耗評(píng)估模型。電容損耗計(jì)算公式為

式中：Ij為電容電流在各個(gè)頻率下的有效值；Rj為電容各個(gè)頻率下等效內(nèi)阻（ESR）。對(duì)于實(shí)際計(jì)算中，只需考慮占主要部分的幾個(gè)頻率點(diǎn)。

（5）輔助電源，對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輔助電源功率屬于純損耗，其功率評(píng)估為輸入功率，即系統(tǒng)輔助電路功率/輔助電源效率。

2.2 功率半導(dǎo)體損耗建模

93PM UPS功率半導(dǎo)體采用IGBT與Diode，其損耗模型分別如下：

（1）IGBT 損耗模型為

式中：PIGBT為IGBT總損耗；PIGBT-con為導(dǎo)通損耗；PIGBT-sw為開關(guān)損耗；Vce（sat）為 IGBT 飽和導(dǎo)通壓降，其曲線可從IGBT datasheet上查得；Ic為IGBT導(dǎo)通電流；Pon為開通損耗；Poff為關(guān)斷損耗；Eon/Eoff為 IGBT在一定驅(qū)動(dòng)電壓與母線電壓下的開通/關(guān)斷能量損耗，可從 IGBT datasheet查得；fs為開關(guān)頻率；Vcc為IGBT對(duì)應(yīng)的實(shí)際母線電壓；Vccdatasheet為IGBT datasheet上測(cè)試Eon/Eoff情況下母線電壓；kg_on/kg_off為驅(qū)動(dòng)電阻系數(shù)，可通過(guò)IGBT datasheet上驅(qū)動(dòng)電阻vskg_on/kg_off曲線查得；T為市電周期，0.02或0.0167ms。

（2）Diode損耗模型為

式中：PD為二極管總損耗；PD-con為導(dǎo)通損耗；PD-sw為開關(guān)損耗；Vd為二極管飽和導(dǎo)通壓降，可從其datasheet上查得；Id為二極管導(dǎo)通電流；VR為二極管反向接截至電壓；Qrr為二極管反向恢復(fù)電荷；trr為二極管方向恢復(fù)時(shí)間，trr＝（ta+tb）；IRRM為最大方向恢復(fù)電流，其數(shù)值可以從datasheet上查得；k為開關(guān)損耗系數(shù)，其值可參考tb/trr的數(shù)值，若無(wú)tb/trr的數(shù)值，可大約取0.5用于損耗評(píng)估。

目前業(yè)界對(duì)于電力電子與開關(guān)電源電路損耗仿真，有一些方便快捷的仿真工具，如PSIM、PLECS等，通過(guò)建立相應(yīng)器件損耗模型、熱阻模型與電路控制模型，仿真自動(dòng)得出近似實(shí)際運(yùn)行條件的損耗數(shù)據(jù)。

根據(jù)IEC 62040-3[12]，確定損耗建模輸入條件為：環(huán)境溫度25℃；額定輸入電壓220 Vac；市電模式運(yùn)行，充電器關(guān)閉；輸出為電阻負(fù)載，負(fù)載量分別為25%、50%、75%、100%；半導(dǎo)體結(jié)溫運(yùn)行穩(wěn)定。

基于PLECS+MATLAB平臺(tái)[13]，考慮了結(jié)溫、驅(qū)動(dòng)電阻、驅(qū)動(dòng)電壓因素對(duì)半導(dǎo)體器件損耗的影響，其模型如圖6所示。圖7為逆變損耗模型，為圖6模型中UPM模塊的展開。整流損耗模型與其類似。

圖8～圖10為逆變變換器的運(yùn)行及半導(dǎo)體損耗波形；圖11～圖13為整流變換器的運(yùn)行及半導(dǎo)體損耗波形。

2.3 磁性元器件損耗評(píng)估

93PM UPS電感設(shè)計(jì)采用鐵氧體+空氣混合磁路開放式電感設(shè)計(jì)，其損耗模型為

圖6 93PM UPS功率半導(dǎo)體損耗模型Fig.6 Loss model of 93PM UPS power semiconductor

圖7 93PM UPS逆變功率半導(dǎo)體損耗模型Fig.7 Loss model of 93PM UPS inverter power semiconductor

圖8 UPS逆變部分母線、輸出電壓及電感電流波形Fig.8 Waveforms of DC-link voltage,output voltage and inductor current in UPS inverter

圖9 UPS逆變部分IGBT損耗波形Fig.9 UPS inverter IGBT loss waveforms

圖10 UPS逆變部分二極管損耗波形Fig.10 UPS inverter diode loss waveforms

圖11 UPS整流部分母線、輸入電壓及電感電流波形Fig.11 UPS rectifier DC-link voltage,input voltage and inductor current waveforms

圖12 UPS整流部分IGBT損耗波形Fig.12 UPS rectifier IGBT loss waveforms

圖13 UPS整流部分二極管損耗波形Fig.13 UPS rectifier diode waveforms

式中：Pind為電感總損耗；Pfe為電感鐵損；Pcu_lf為低頻（工頻）銅損；Pcu_hf為高頻銅損；ε為鐵損系數(shù)，針對(duì)鐵氧體+空氣混合磁路開放式電感取0.7；Pv為鐵氧體單位體積鐵損（可根據(jù)鐵氧體規(guī)格書中Pv與頻率的曲線查得）；Vcore為選取鐵氧體磁心的體積；Irms_lf為電感流過(guò)的基波（工頻）電流有效值；Rdc為電感的DCR；Rac為電感的高頻等效電阻。

93PM電感采用30AWG的Liz線，由趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)引起的Rac可以忽略，Rdc為

式中：ρ20為20℃時(shí)銅線的電阻率；Tind為電感線圈溫度；l為線圈銅線長(zhǎng)度；s為線圈銅線的截面積[14]。

2.4 系統(tǒng)損耗模型

根據(jù)系統(tǒng)損耗的分類與各部分損耗建模，可以建立在不同負(fù)載條件下系統(tǒng)損耗模型，相關(guān)的損耗如：電阻型損耗PR、電容型損耗PC、功率半導(dǎo)體損耗 Psem、電感損耗 Pind，其損耗模型分別為式（1）～式（6）；輔助電源輸入功率PPS為系統(tǒng)輔助電路功率/輔助電源效率；系統(tǒng)總損耗Ptot與系統(tǒng)效率eff分別為，其中PO為系統(tǒng)輸出功率。

表1 93PM 50 kW系統(tǒng)損耗評(píng)估Tab.1 93PM 50 kW UPS system losses estimation W

以93PM 50 kW UPS為例，各類型損耗在不同負(fù)載下的評(píng)估數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)的效率評(píng)估數(shù)據(jù)如表1所示。

從系統(tǒng)損耗評(píng)估結(jié)果可以看出，93PM的最高效率點(diǎn)在50%～75%負(fù)載區(qū)間，滿載工作點(diǎn)效率有所下降，與UPS通常效率趨勢(shì)相符。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以93PM 50 kW樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)測(cè)效率數(shù)據(jù)如表2和圖14所示。從圖14可以看出，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與評(píng)估數(shù)據(jù)相差較小，效率曲線幾乎重合，說(shuō)明系統(tǒng)損耗模型的精確性高，具有工程設(shè)計(jì)參考意義。

表2 93PM 50 kW UPS效率評(píng)估與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.2 93PM 50 kW UPS efficiency comparison between estimation and real test results（%）

圖14 93PM UPS系統(tǒng)損耗/效率評(píng)估與實(shí)測(cè)對(duì)比Fig.14 93PM UPS system loss/efficiency comparison between estimation and real test results

4 結(jié)論

本文從系統(tǒng)角度出發(fā)介紹了功率變換器高效系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法，并對(duì)系統(tǒng)的損耗進(jìn)行分類。針對(duì)不同類型的損耗進(jìn)行分析、建模，從而得到系統(tǒng)損耗及效率評(píng)估模型。最后以93PM 50 kW UPS樣機(jī)為實(shí)例，根據(jù)文中給出的系統(tǒng)損耗及效率評(píng)估模型以PLECS為仿真工具得出了在不同負(fù)載下各類損耗及系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)，與UPS樣機(jī)實(shí)測(cè)效率數(shù)據(jù)對(duì)比，誤差在0.1%之內(nèi)，驗(yàn)證了損耗模型的有效性。

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鄭大為

鄭大為（1978-），男，中國(guó)電源學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，碩士，研發(fā)總監(jiān)，研究方向：UPS、儲(chǔ)能系統(tǒng)、逆變器等產(chǎn)品規(guī)劃，E-mail：Dav idZheng@Eaton.com。

曹磊（1982-），男，本科，工程師，研究方向：UPS 開發(fā)，E-mail：LeisureCao@Eaton.com。

徐忠勇（1983-），男，通信作者，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：UPS開發(fā)，E-mail：JohnXu@eaton.com。

High Efficiency Power Converter Design and Loss Modeling

ZHENG Dawei,CAO Lei,XU Zhongyong
（EATON Group-SANTAK Electronic（Shenzhen） Co.,Ltd.,Shenzhen 518101,China）

The green and energy saving is development trend of switching power supply and power converter.How to design a high efficiency power system is the one focus of power design.This paper expatiates how to design high efficiency power converter system based on power topology,semiconductor,magnetic component and fan speed control for reducing assistant power supply etc.from the system view in three phase UPS.Then,the system loss is decomposed to semiconductor loss,magnetic loss,resistive loss,capacitor loss and assistant power supply loss,every kind of loss model is set up and system loss model is concluded.Finally,system loss and efficiency is simulated in 3-phase UPS of 230 Vac voltage and 50 kW rated power,and compared with the real test data.The precision and effectiveness of the system loss model are validated.

power converter;UPS;high efficiency;loss modeling

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.155

TM743

A

2015-12-01；

2016-03-07