三相维也纳PFC的主要功率器件损耗计算和热设计

维也纳PFC整流器的主要损耗是由功率半导体器件，升压电感器和共模电感组成。热设计的关键是功率半导体器件损耗计算。在此设计中，所有12 个MOSFET 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。

根据相关文献，基于数据表和曲线拟合方法构建，通过查表找得到Eon(ID;VDS) Eoff(ID;VDS)的值，用于计算某些中间的值。平均二极管电流 IFav、均方根二极管电流 IFrms ，和均方根漏极电流 IDrm，这些电流量可以用来计算器件传导损耗。从相关文献得到，IFav=IL M/4 、IFrms = IL q 2M /3Π、IDrms = IL q 1/ 4-2M/ 3Π. 其中M 是调制指数，IL 是电感电流的幅度。二极管导通损耗PCD 为表示为如图公式1所示。值得注意的是，除了二极管的正向压降和电流导致的损耗之外，还需要考虑二极管的阻性损耗。

MOSFET导通损耗PCM表示为公式2所示，体现为纯阻性损耗。

MOSFET 开关损耗PCM 计算如下如公式3所示。

因此，半导体器件的总损耗为公式4所示。

此拓扑设计中，有6个功率二极管，每一相两个，所以共6个二极管的损耗，而SiC MOSFET每一相为四个,所以共12个SiC MOSFET,均体现在上述公式中。

表2显示了Vienna PFC的样机在满负荷20kW运行条件下损耗计算结果。

上表分析了维也纳PFC设计的各个部分的损耗，由此看出SiC DIODE部分的损耗较为明显，处于第二位的损耗是SiC MOSFET的开关损耗，所以优化系统效率的方面可以从这两部分着手。

功率半导体器件的工作结温选择是功率器件散热设计的关键，这涉及到一个最差的情况，从效率的角度来看，传导损耗随着结温的增加而增加，因为RDSon 的温度系数为正，SiC MOSFET 的导通损耗随着温度的升高先下降后增加。

在本文中，考虑一定的降额，工作结温设定为 105℃，设计中使用了散热器，每个相腿均使用一个独立的散热器，当我们计算出各个器件的损耗后，基于此就可以进行热计算。从损耗计算来看，最大设计热阻抗如下公式5所示。

对于散热器的选择和热阻抗设计，采用一维热等效电路模型，等效热阻由器件封装热阻抗、散热器等的热阻抗 ,热界面材料组成，这几部分热阻需要达到充分的值。图8所示为功率半导体器件的热结构，及其相应的一维热等效电路如图9所示。

从芯片内部产生损耗，热量由内到外经由封装热阻，热界面材料，散热器等若干材料部分的热阻，最终耗散到空气，形成一个串联回路。

强制风冷条件下散热器的热阻为0.35K/W，来冷却 SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二极管。AlN 热界面从器件到散热器传导热量，并提供高压绝缘，这两点功能普遍存在于功率器件的散热设计中。此外，还采用新型相变材料来代替导热硅脂，因其较低的热阻，可长期热稳定性高，热容量大等优势，各个部分的热阻列于如下表三中。