維也納PFC整流器的主要損耗是由功率半導(dǎo)體器件，升壓電感器和共模電感組成。熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是功率半導(dǎo)體器件損耗計(jì)算。在此設(shè)計(jì)中，所有12 個(gè)MOSFET 均為硬開關(guān)，通過開通能量Eon 和關(guān)斷能量Eoff 來計(jì)算功率器件開關(guān)損耗。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，基于數(shù)據(jù)表和曲線擬合方法構(gòu)建，通過查表找得到Eon(ID;VDS) Eoff(ID;VDS)的值，用于計(jì)算某些中間的值。平均二極管電流 IFav、均方根二極管電流 IFrms ，和均方根漏極電流 IDrm，這些電流量可以用來計(jì)算器件傳導(dǎo)損耗。從相關(guān)文獻(xiàn)得到，IFav=IL M/4 、IFrms = IL q 2M /3Π、IDrms = IL q 1/ 4-2M/ 3Π. 其中M 是調(diào)制指數(shù)，IL 是電感電流的幅度。二極管導(dǎo)通損耗PCD 為 表示為如圖公式1所示。值得注意的是，除了二極管的正向壓降和電流導(dǎo)致的損耗之外，還需要考慮二極管的阻性損耗。

MOSFET導(dǎo)通損耗PCM表示為公式2所示，體現(xiàn)為純阻性損耗。

MOSFET 開關(guān)損耗PCM 計(jì)算如下如公式3所示。

因此，半導(dǎo)體器件的總損耗為公式4所示。

此拓?fù)湓O(shè)計(jì)中，有6個(gè)功率二極管，每一相兩個(gè)，所以共6個(gè)二極管的損耗，而SiC MOSFET每一相為四個(gè),所以共12個(gè)SiC MOSFET,均體現(xiàn)在上述公式中。

表2顯示了Vienna PFC的樣機(jī)在滿負(fù)荷20kW運(yùn)行條件下?lián)p耗計(jì)算結(jié)果。

上表分析了維也納PFC設(shè)計(jì)的各個(gè)部分的損耗，由此看出SiC DIODE部分的損耗較為明顯，處于第二位的損耗是SiC MOSFET的開關(guān)損耗，所以優(yōu)化系統(tǒng)效率的方面可以從這兩部分著手。

功率半導(dǎo)體器件的工作結(jié)溫選擇是功率器件散熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這涉及到一個(gè)最差的情況，從效率的角度來看，傳導(dǎo)損耗隨著結(jié)溫的增加而增加，因?yàn)?/span>RDSon 的溫度系數(shù)為正，SiC MOSFET 的導(dǎo)通損耗隨著溫度的升高先下降后增加。

在本文中， 考慮一定的降額，工作結(jié)溫設(shè)定為 105℃，設(shè)計(jì)中使用了散熱器，每個(gè)相腿均使用一個(gè)獨(dú)立的散熱器，當(dāng)我們計(jì)算出各個(gè)器件的損耗后，基于此就可以進(jìn)行熱計(jì)算。從損耗計(jì)算來看，最大設(shè)計(jì)熱阻抗如下公式5所示。

對于散熱器的選擇和熱阻抗設(shè)計(jì)，采用一維熱等效電路模型，等效熱阻由 器件封裝熱阻抗、散熱器等的熱阻抗 ,熱界面材料組成，這幾部分熱阻需要達(dá)到充分的值。圖8所示為功率半導(dǎo)體器件的熱結(jié)構(gòu)，及其相應(yīng)的一維熱等效電路如圖9所示。

從芯片內(nèi)部產(chǎn)生損耗，熱量由內(nèi)到外經(jīng)由封裝熱阻，熱界面材料，散熱器等若干材料部分的熱阻，最終耗散到空氣，形成一個(gè)串聯(lián)回路。

強(qiáng)制風(fēng)冷條件下散熱器的熱阻為0.35K/W， 來冷卻 SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二極管。AlN 熱界面從器件到散熱器傳導(dǎo)熱量，并提供高壓絕緣，這兩點(diǎn)功能普遍存在于功率器件的散熱設(shè)計(jì)中。此外，還采用新型相變材料來代替導(dǎo)熱硅脂，因其較低的熱阻，可長期熱穩(wěn)定性高 ，熱容量大等優(yōu)勢，各個(gè)部分的熱阻列于如下表三中。

可以看到總的熱阻為0.797K/W，小于計(jì)算的需求最大熱阻0.91K/W。

除了半導(dǎo)體功率器件之外，升壓電感的損耗也是重要的一部分損耗，它包括磁芯損耗和銅損，其中磁芯損耗曲線擬合公式如式(6)所示。對于 60u 高磁導(dǎo)率的磁芯，相關(guān)常數(shù)為a=2.284，b=3.050，c=0.0023，d=2.397。

磁芯損耗主要分為兩部分：高頻開關(guān)電流紋波和基波電流引起的磁芯損耗，可以根據(jù)兩部分電流導(dǎo)致的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化來計(jì)算磁損，第二個(gè)影響磁芯損耗的因素是開關(guān)頻率。

高頻開關(guān)電流紋波引起的磁通量B-hf的變化為，如公式7所示。

基波電流紋波引起的磁通B-hf的變化為，公式8所示。

因此，總的電感磁芯損耗如公式9所示。

升壓電感的銅損計(jì)算公式為10所示。

因此，每個(gè)升壓電感器的總損耗為公式11所示，可以看出磁芯損耗和銅損耗比較均衡。

根據(jù)上面的損耗計(jì)算，電感損耗較大，因此升壓電感安裝在風(fēng)道中進(jìn)行散熱 ，如圖10所示 。

以上就是關(guān)于一個(gè)20kW維也納PFC的主要功率器件的計(jì)算及熱設(shè)計(jì)過程。

參考資料，Design and Implementation of Forced Air-cooled,140kHz, 20kW SiC MOSFET based Vienna PFC