模擬｜
逆變電路的優化
2025.12.10
透過逆變電路的損耗分析選擇合適元件
在研究逆變電路的損耗時，所使用的功率元件選型也非常重要。不僅要實現預期的電路工作和特性，同時還需要進行優化以將損耗降至更低。本文將功率元件的損耗分為開關損耗和導通損耗進行分析，以此介紹選擇合適元件的方法。
用於模擬的逆變電路
本次以Power Device Solution Circuit一覽中的逆變電路“B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW”為例（圖6）。透過更改該逆變電路中黃色框中的內容進行模擬，從而進行損耗分析並選擇合適元件。
圖6：Power Device Solution Circuit逆變電路B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW
損耗分析方法
為了說明損耗分析方法，首先以DC-DC轉換器為例進行說明。圖7展示了MOSFET在開關時VDS、ID、損耗（Pd）以及對損耗進行時間積分後的能量（E）的模擬波形。ROHM Solution Simulator中，可以用模擬結果顯示工具Waveform Viewer中的Waveform Analyzer的運算功能對損耗進行積分，並輕鬆輸出能量波形。
在圖7的能量波形中可以一目了然地看到開關區間（Eon、Eoff）和導通區間（Econd）的消耗能量。此外透過讀取游標的差值，還可以獲得數值。
對於像DC-DC轉換器這樣輸入輸出恒定的情況，可以透過1個週期的能量與開關頻率的乘積，分別計算出開關損耗和導通損耗。
圖7：DC-DC轉換器電路的MOSFET波形
然而在逆變電路中，如圖8所示，負載是波動的，因此僅看部分開關波形無法計算出整個電路工作的損耗。
對於這種元件損耗不恒定的電路工作，可以透過對損耗波形進行分段，提取任意部分，分別計算出導通損耗和開關損耗。
圖8：逆變電路的MOSFET波形
圖9左側的波形與圖8相同，是逆變電路的MOSFET波形，右側的波形是左側波形中藍色虛線部分的放大波形。右側波形圖中看到的黃色線波形是提取出的導通損耗波形。
為了僅提取導通損耗，此處的分段提取了“VGS為High”且“功率低於導通損耗最大值”時的功率。提取任意波形後，求出1個週期的平均值，分析損耗的比例。
圖9中，總損耗為29.5W，導通損耗為20.5W（從波形圖中的Average數值可知），因此開關損耗為9.0W。由此可知損耗比例為導通損耗70%，開關損耗30%。
圖9：從逆變電路的MOSFET波形中提取導通損耗（右側）
在本示例中，我們僅將損耗分為開關損耗和導通損耗，但透過更詳細地設置分段條件，還可以進一步細分為開通損耗、關斷損耗、反向恢復損耗、寄生二極體損耗等。
合適元件的探討
圖10展示了更換圖6所示的電路“B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW”中的功率元件MOSFET後各MOSFET的損耗分析結果。
圖10：逆變電路示例中各MOSFET的損耗分析結果
MOSFET型號名稱中的第三和第四位元數字（如R6050JNZ4中的“50”）表示電流額定值（ID）。即從左到右，同一系列MOSFET的ID分別為50A、42A、30A、20A。
從圖10可以看出，電流額定值越高，導通損耗（Conduction Loss）越低，而電流額定值越低，開關損耗（Switching Loss）越低。因此在圖1的電路中，可以選擇總損耗最小的R6030JNZ4作為合適元件。
半橋逆變電路與全橋逆變電路的特點
在進行電路設計和工作驗證時，需要瞭解其基本電路結構和工作特點。本節將分別介紹半橋逆變電路和全橋逆變電路的特點。
用於模擬的逆變電路
使用“Power Device Solution Circuit逆變電路一覽”中的以下2個電路。
B-3. Half-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A （圖11）
B-4. Full-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A （圖12）
從Solution Circuit的標題可以看出，B-3是半橋逆變電路，B-4是全橋逆變電路。電路圖如圖11和圖12所示。黃色框內是後續特性比較模擬中更改條件的部分。
圖11：Power Device Solution Circuit逆變電路B-3. Half-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A
圖12：Power Device Solution Circuit逆變電路B-4. Full-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A
半橋逆變電路與全橋逆變電路的優缺點
表1總結了半橋逆變電路和全橋逆變電路的優缺點。
| 優點 | 缺點 | |
|---|---|---|
半橋 |
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全橋 |
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表1：半橋逆變電路與全橋逆變電路的優缺點
雖然要看條件，但考慮到電路的特性，半橋電路適用於低電壓、大電流的應用場景，而全橋電路則適用于高電壓、大功率的應用場景。
半橋逆變電路與全橋逆變電路的工作比較
圖13展示了圖11（半橋）和圖12（全橋）各電路在初始條件（Vin=500V）下的模組損耗比較結果。輸出電流Io設置為在50～100A之間變動（電路圖中的黃色框）。這裡的模組指的是1個半橋電路，而全橋電路基本上由2個半橋電路組成。
圖13：半橋電路與全橋電路的模組損耗比較
透過模擬比較損耗可知，半橋電路由於開關元件要承受2個電源的電壓，開關損耗較大，單個模組的損耗也比全橋電路的大。然而從整個電路的損耗來看，全橋電路的2個模組的導通損耗比半橋電路的損耗大，因此全橋電路的損耗更大。
接下來，假設半橋電路的VIN =500V只有一個電源，將其分割為VIN =250V×2進行模擬（圖11黃色框中的輸入電壓）。
圖14展示了VIN=500V×2和VIN =250V×2情況下的輸出波形。從波形可以看出，VIN =250V×2時，VO在250V時達到上限。這是因為表1所示的半橋電路的缺點，即“最高只能輸出1個電源的電壓”。輸出電壓設定值VO =200V的有效峰值電壓為282V，因此VIN =250V×2的電壓是不夠的。
圖14：半橋電路VIN =500V×2和VIN =250V×2的輸出波形比較
由此可見，半橋逆變電路和全橋逆變電路各有優缺點，無法一概而論哪種更好。瞭解它們的特點並根據應用場景進行適當選擇非常重要。