如何优化PWM信号与开关损耗？

电力半导体器件不是理想开关。由于器件中载流子通路的欧姆效应以及固定的结电压等，电力半导体器件在导通电流时存在导通损耗；而器件在换流过程中存在一个短时间尺度的瞬态过程，主电压和电流同时存在于器件上，产生对应的开关损耗。相比较而言，器件的导通损耗与负载的相关度较高，而开关损耗由于其本质上的非线性，与调制方式紧密相关。电力半导体的损耗不但影响电能转换的效率，而且还会给器件带来热应力，并决定了热管理元件如散热器等的设计。

电力电子变换器的功率损耗主要由电力半导体的导通损耗和开关损耗组成。开关损耗随开关动作进行累积，脉宽调制方法决定了其累积的次数和位置，是开关损耗的决定因素之一。对于导通损耗而言，脉宽调制方式也存在一定的影响。因为脉宽调制方式影响电流纹波的大小，也间接影响了电流纹波在电力半导体器件中的导通损耗。尤其是在电流过零点附近，由于电流在器件中正向和反向的导通机理不同，电流纹波影响电流方向对导通损耗的影响更明显。但是一般情况下，导通损耗的主要成分还是由负载决定的，而主电流与调制方法关系不大。在全部功率损耗中脉宽调制对于导通损耗的影响比较小。本章主要讨论的是脉宽调制对开关损耗的影响。

图3-2所示是典型电压型变换器的一个桥臂及其开关过程中器件的电压和电流波形。图3-2a定义了桥臂中的两个开关S₁和S₂及其承载的电压（V₁，V₂）和电流（I₁，I₂）方向。直流母线电压为V_dc，负载电流为I_load，由于直流母线解耦电容和负载电感的存在，在换流的瞬态过程中V_dc和I_load保持不变。因此根据基尔霍夫电压和电流定律，根据S₁在换流过程中的电压、电流波形，可以得到S₂同步的电压和电流波形，如图3-2b和c所示。在图3-2b、c中，两个电力电子器件都存在电流、电压交叠区域。图3-2b显示的是S₁开通、S₂关断的波形：t₀时刻电流I₁开始上升并伴随二极管的反向恢复过程，t₁时刻管压降V₁开始从V_dc下降，在t₂时刻完成换压，反向恢复过程在t₃时刻结束，电流I₁与负载电流I_load平衡，换流结束。与此同步的是S₂的换流过程，根据V₁+V₂=V_dc和I₁-I₂=I_load可以得到V₂和I₂的波形。图3-2c显示的是S₁关断、S₂开通的波形：t₄时刻S₁的电流I₁从稳态负载电流I_load开始缓慢下降，同时电压V₁开始上升，当t₅时刻电压上升到稳态V_dc后，I₁开始加速下降，到t₆时刻下降到0，换流完成。与图3-2b类似，也可以根据电压、电流关系得到对应的S₂的电压、电流波形^[1]。

图3-2 电压型变换器桥臂及其开关波形

a）桥臂 b）S₁开通、S₂关断 c）S₁关断、S₂开通(www.xing528.com)

根据焦耳定律，在换流过程中器件的电压、电流乘积对时间的积分就是这次换流过程中的开关损耗。因此，对每次开关过程桥臂中的两个器件做电压、电流乘积并对时间进行积分再求和，就得到了桥臂在这次开关过程中的总能量损耗，即

式（3-1）中，影响每次开关的损耗有三个主要变量：电压、电流和时间。在电压型变换器中，直流母线电压是固定值；电流随负载电流变化；开关时间由门极驱动与器件本身决定。若要计算整个电力电子变换器的开关损耗，则需要对整个基波周期的开关损耗进行累加。将一整个基波周期根据开关频率分成N个开关周期，变换器的总开关损耗是这N个周期内所有桥臂开关的损耗之和。E_sw，x（n）是第x桥臂（x=a，b，c）在第n次开关周期的开关损耗。E_sw，x（n）与相电流的绝对值|i_x（n）|成正比。如果定义单位负载电流下一个桥臂的开关损耗为e_unit，则整个基波周期内三相开关能量损耗之和表达为式（3-2）。而功率损耗则可以表示为P_sw=E_swf，f是基波频率。

由式（3-2）可以推论出减小系统开关损耗的几种策略。首先是减小标幺开关损耗e_unit，这主要是通过选取快速开关的器件和设计快速门极驱动来实现的。另一种渠道是减小开关等效次数N，以及每次开关时能够选取的负载电流|i_x（n）|。这些是由脉宽调制算法直接影响的。开关频率降低可以有效地减小开关损耗，而在合适的时刻开关能进一步减小开关损耗。但是开关频率还决定了变换器的输出电能质量，不能随意下降。因此，在研究了脉宽调制对开关损耗的影响后，还需要进一步研究脉宽调制对其他因素的影响。