导读
本文转载自《电源学报》2017年11月第15卷第6期。
【作者简介】
郑大为，男，硕士，担任伊顿电气集团亚太区关键能源事业部研发总监，负责规划亚太区能源解决方案规划，包括UPS，储能系统，逆变器等产品规划。E-mail：DavidZheng@Eaton.com
曹磊，男，本科，伊顿电气集团亚太区电能质量系统工程经理，主要从事UPS方面的开发研究工作。
徐忠勇，男，通信作者，硕士，高级工程师，伊顿电气集团亚太区关键能源事业部硬件经理，主要从事UPS方面的开发研究工作。
引言
绿色节能是开关电源、功率变换器的一大发展趋势，如何设计出高效的电源系统，也是电源设计关注重点之一[1]。针对设计高效的电源变换器，国内外学者主要针对电路拓扑，半导体器件，磁性元器件等方面进行了专题的研究。2015年Qiong Wang从拓扑角度对单相两电平及三电平无桥PFC、三相两电平整流、NPC整流及维也纳整流等AC/DC变换器分析比较了效率指标，指出三电平结合交错并联在效率上的优势[2]；2003年Bo Yang对双管正激、移相全桥、半桥及LLC等DC/DC拓扑分析比较了效率指标，证明LLC在DCDC高效需求应用中的有效性[3]；2005年R. Teichmann及S. Bernet等从拓扑角度对两电平、I型三电平及T型三电平等DC/AC变换器分析比较了效率指标，指出三电平在效率上的优势[4]。针对半导体器件的损耗评估，目前有PSIM，PLECS，PSPICE，Mathcad等仿真建模工具，并主要集中于三大类的比较研究(即不同状态下的半导体损耗分析以改善开关特性、不同器件对比研究以确定器件的适用场合、不同开关频率下的研究以确定频率特性及开关极限)[5]；熊妍等人也针对IGBT损耗计算及建模方法进行了综述和总结，将其分为基于物理结构的损耗模型及基于数学方法的损耗模型[6]。针对磁性元器件的研究，如范莉对高频磁性元件铁芯损耗及特性的研究[7]及旷建军对绕组损耗进行了分析和研究[8]。然而，由于功率变换器，特别是大功率变换器系统的复杂性，如何确定运行效率的影响要素，如何在设计阶段从系统角度考虑损耗评估与建模，确保设计评估系统效率与实际测试数据的一致性，一直是困扰电源设计开发的一个问题。目前UPS行业，普遍的运行效率为94%，从主功率拓扑、半导体器件、磁性元件、电阻性损耗及辅助电源中的风扇调速等系统角度考虑，还存在很大的效率改善空间。本文希望以Eaton业界最高运行效率3相UPS产品93PM开发为例，就如何进行高效功率变换器设计与损耗建模与评估，进行系统的分析。
高效系统设计
1主功率拓扑设计
主功率拓扑是功率变换器的系统损耗的主要来源，所以其设计是高效设计的关键。对于同一功率变换器来说可能有多个适用的备选拓扑，清楚基本拓扑的运行原理以及损耗详细分布，在此基础上再结合功率变换器的应用条件、成本、性能的综合考虑，才能实现最优设计。
以UPS为例，下图为在线式UPS系统框图，其中AC/DC+DC/AC（B2+B3，市电模式）与DC/DC+DC/AC（B4+B3，储能模式）为主功率回路。由于UPS绝大部分时间工作在市电模式，所以市电模式下系统运行效率才是客户关心的重点，也是UPS高效节能的关键指标。
图1. 在线式UPS系统框图
对于UPS整流（AC/DC）与逆变（DC/AC）来说，每部分都有多个备选拓扑：整流有半桥拓扑、双Boost拓扑、维也纳拓扑、三电平拓扑等；逆变有半桥拓扑、三电平拓扑等。根据电感电流续流回路来区分的话这些拓扑都可以分为两类：两电平拓扑与三电平拓扑。关于两电平与三电平，已有大量的研究和历史数据，三电平毫无争议比两电平更高效[4]。对于UPS主功率拓扑来说，整流与逆变都采用两电平在传统硅（Si）半导体开关器件下UPS系统最高效率能做到94%左右；而都采用三电平拓扑UPS系统效率能做到96%以上。事实上，三电平拓扑也是目前功率变换器的主流拓扑[9][10] 。
三电平变换器有两种基本类型：I型与T型。对于UPS整流器来说，其往往还有功率因数校正（PFC）的功能，其功率因数近似为1，整流器可认为工作在2、4象限。而UPS逆变器为电压源输出为全象限工作，对于有功区域，其工作在1、3象限；而对于无功区域，则工作在2、4象限。根据变换器电流回路分析与各器件电流分布，我们可以针对UPS功率拓扑作出如下定性分析：
(1) 由于整流器来说（2、4象限），I型与T型损耗的区别在于续流回路，在相同电流与目前硅器件工艺条件下，1个1200V二极管比两个串联二极管损耗更低，所以T型三电平对于整流器更具效率优势；
(2) 对于逆变器来说，虽然其为全象限工作，由于UPS负载功因一般在+0.7~-0.7之间，有功电流（1、3象限）相关的损耗才是开关器件损耗的主要部分。1、3象限内，I型与T型损耗的区别在于导通回路：I型–600V开关管导通损耗*2+600V开关管开关损耗*1；T型–(1200V开关管导通损耗+开关损耗)*1。导通回路中，T型导通损耗占优，I型开关损耗占优，而总损耗谁更优则取决于导通损耗与开关损耗的比例。据评估，若所有开关器件采用硅器件，分界频率点为10kHz左右，开关频率低于10kHz，T型三电平更具效率优势；开关频率高于10kHz，I型三电平更具效率优势。
从成本、行业现状与技术成熟度等方面综合考虑，93PM UPS开关器件采用硅IGBT与二极管，开关频率设置在20kHz，变换器采用三电平拓扑。从前面的分析可知，I型与T型在效率各有优势，对于UPS应用，一种改进型高效三电平拓扑被提出，其主要特点是在标准的I型三电平拓扑的桥臂中点与DC+/-之间增加了额外的单二极管的续流通道（如下图D1/D2所示）。该改进型高效三电平拓扑在2、4象限工作时电流环路与T型三电平类似；而1、3象限工作时电流环路则与T型三电平类似。所以其综合了I型三电平与T型三电平各自的效率优势，具有全象限最优效率特性。
2开关器件优化选型
93PM UPS主动率拓扑具体电路如下图所示，整流器与逆变器皆为改进型高效三电平拓扑，采用背靠背设计。
图2. 高效UPS三电平拓扑
图2所示的高效UPS三电平拓扑中，整流器部分D2/D3在T2/T3关断后自然关断，无反向恢复特性；逆变器部分T2/T3在有功区域为工频开关，其开关损耗可以忽略；而对于D1′’/D2′/D3′/D4′，其作用于抑制T1/T2/T3/T4开关过程中产生的反向电压从而保护T1/T2/T3/T4，它们并不是主续流回路，所以其特性对变换器效率影响可忽略；另整流器部分T1/T4仅在有功率回馈的情况下有电流通过，其特性对变换器效率影响也可忽略。针对这些特点，在开关器件选型设计时可以分成两类：
(1) 低导通电压器件，图3虚线方框所示，以低Vce(sat)与低Vf为优选方向；其中Vce(sat)为半导体开关器件的饱和导通压降，Vf为二极管正向导通压降。
(2) 快速开关特性器件，图3实线方框所示，以低Esw与低Qrr为优选方向；其中Esw为半导体开关器件的开关损耗，Qrr为二极管反向恢复电荷
图3. 基于高效UPS三电平拓扑开关优化选型
3功率电感设计
主功率电路中，功率电感往往为第二大损耗来源。对于开关电源设计来说，磁性元件设计是其核心内容之一。损耗仅仅是电感设计考量之一，开关频率、滤波器参数、绕线设计、散热、最大直流工作点、成本等都是电感设计制约因素，且都与损耗有着很强的耦合性：开关频率影响电感的磁芯损耗；滤波器参数与开关频率一起决定了感值大小与电感纹波电流，而感值影响电感的工频铜损，电感纹波电流影响电感的高频铜损；绕线设计决定了电感的高频特性，影响电感的高频铜损；散热设计决定了电感的工作温度，对电感铜损与铁损都有影响；最大直流工作点往往对磁芯材料与尺寸的选取有着决定性作用，从而影响电感的铜损与磁芯损耗；任何设计都有成本的约束，我们需要在性能与成本之间找到最佳平衡点。
磁芯的选型与设计则是电感设计的核心，而对于磁芯的选型，我们首先要确定是功率变换器的开关频率。总的来说，由于磁性材料的技术发展，功率变换器频率的提高，有利于降低电感元件的总损耗，但由于开关频率半导体开关器件的开关损耗为正比关系，在某一频率范围内增加开关频率带来的开关器件损耗的增加可能要大于电感损耗的降低，所以开关频率的确定与需半导体开关器件的选型综合来考虑。对于常规IGBT来说，通常在20kHz附近为优选开关频率；新一代Infineon H5 IGBT，其优选开关频率可达到40kHz左右，接近功率MOSFET；而对于超级结功率MOSFET，其优选开关频率可达80-100kHz；而对于产业化不久的碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）器件其优选开关频率则可进一步提高。
确定好开关频率后，磁芯选型与设计需要面对磁芯损耗与磁导率直流偏置这两个相互制约的特性。变换器实际运行区域可以分成两部分：正常运行区域与过载运行区域。正常运行区域为变换器的额定运行，绝大部分工作时间都位于此间，其运行效率才对用户有实际价值。高磁导率与低磁芯损耗是磁芯选型使降低电感损耗的途径；过载运行区域决定了换器中的最大直流工作点，其运行时间较短，该区域内关注的电感的直流偏置，若电感设计过分追求低损耗而使电感直流偏置下降太快太多，其后果是致命的，使得限流保护设计困难，严重的情况下甚至导致限流失败从而损坏变换器。各种常用的磁性材料中，铁氧体、钼坡莫合金、铁硅铝合金等磁性材料有着较小的磁芯损耗，但其饱和磁通密度较低；铁粉心、铁硅合金等磁性材料有着良好的磁导率直流偏置特性，但其磁性损耗偏大；有些磁性材料在两方面都有着良好特性（如非晶合金），但往往其成本比较高。
针对上述问题，为了实现损耗、饱和特性与成本之间最佳设计，混合磁芯技术最近几年得到广泛的研究与应用[11]。其核心原理将高饱和磁通密度磁芯（A部分，如铁硅、甚至空气）与高磁导率与低磁芯损耗磁芯（B部分，如铁氧体、铁硅铝）构成混合磁芯，其中A部分用于提供变换器在最大直流工作点时的必要感值以确保其可靠运行；B部分用于实现正常工作区域内的大电感值与小磁芯损耗。通过调整两部分磁芯尺寸比例，实现电感饱和曲线的优化（如下图4所示），在满足电感饱和特性的基础上最小化电感损耗。
图4. 混合磁芯电感方案直流偏置曲线
图5. 空气混合磁路电感（伊顿专利）
另外合理的绕线设计与良好的散热设计也是进一步降低电感损耗的有效途径。扁平线立绕、Liz多股并绕、渐进式绕线、线圈避开气隙等都是绕线设计很好的工程参考。
93PM UPS电感设计采用铁氧体+空气混合磁路开放式电感设计，具有低损耗、电感直流偏置好、易加工、低成本的特点。以图5中50kW 3相逆变电感为例，单体满载损耗为53W，比铁硅环形磁芯电感方案总损耗下降30%以上。
4风扇调速设计
在大功率变换器系统中，用于系统散热的风扇损耗也是一个不可忽略的因数。对于风扇来说，其选型设计往往是基于最恶劣的工作条件来做的，以确保系统在各种工况下可靠运行：如最大工作环温，过载需求，风扇冗余需求等等。而变换器在实际用户端段的工况绝大多数时间要好很多，如UPS典型应用来说，环温25⁰C左右，负载一般在30%~50%之间，这种情况UPS散热所需的风量（风速）要求远小于最大需求。而风扇的风速决定了风扇功率，所以根据最恶劣工作条件设计的风扇在变换器大部分工作时间处于能量浪费的状态。
针对与上述情况，为了进一步提高大功率变换器系统全范围内的运行效率，合理的风扇调速设计变得很有意义。我们可以通过精确的系统热流建模、仿真以及测试验证，得出在不同的环温与负载量下最优的风扇转速。系统控制单元实时侦测系统的运行环温与负载量，基于最优风扇转速曲线对系统风扇进行实时转速调控。风扇调速控制的好处除了改善系统全范围内运行效率特别是轻载下的运行效率外，还可以降低系统的运行噪音。
以93PM UPS为例，风扇调速设计在25%负载下可以提高系统运行效率达0.5个百分点(95.6% à 96.1%)。
系统损耗建模与评估
1系统损耗分类
从器件损耗的构成来看，功率变换器系统损耗可以分成一下几个大类。
（1）功率半导体开关器件损耗，含二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等，其往往为系统损耗最大来源。其往下可划分为两大类：导通损耗与开关损耗；
（2）功率磁性元件损耗，如电感、变压器等，其往往为系统损耗第二大来源。其往下划分为两大类：工频（或直流）损耗与高频损耗。工频（或直流）损耗为工频（或直流）电流有效值平方与DCR的乘积。高频损耗与开关频率相关，可分为高频铜损、涡流损耗、磁滞损耗等；
（3）电阻型损耗，系统布线、开关、断路器、继电器、熔断器、PCB走线铜箔等的损耗都属于电阻型损耗，此类损耗计算简单，其损耗为工作电流有效值平方与阻抗的乘积，
其中Ii为通过各电阻型器件的电流，Ri为各电阻型器件的阻抗。
（4）电容损耗，主要包含输入输出滤波电容损耗以及直流母线电容损耗。其损耗往往占系统总损耗比重不大，在设计过程中容易被忽略。但为了提高系统损耗评估精度，这部分也需要纳入系统损耗评估模型。电容损耗计算公式为
其中Ij为电容电流的各个频率下有效值，Rj为电容各个频率下等效内阻（ESR）。对于实际计算中，我们往往只需考虑占主要部分的几个频率点。
（5）辅助电源。对于系统来说，辅助电源功率属于纯损耗，其功率评估为输入功率，即系统辅助电路功率/辅助电源效率。
2功率半导体损耗建模
93PM UPS功率半导体采用IGBT与Diode，其损耗模型分别如式(3)与式(4)，
其中PIGBT为IGBT总损耗，PIGBT_con为导通损耗，PIGBT_sw为开关损耗；Vce(sat)为IGBT饱和导通压降，其曲线可从IGBT datasheet上查得，Ic为IGBT导通电流；Pon为开通损耗，Poff为关断损耗；Eon/Eoff为IGBT在一定驱动与母线电压下的开通/关断能量损耗，其曲线可从IGBT datasheet上查得；fs为开关频率，Vcc为IGBT对应的实际母线电压，Vcc datasheet为IGBT datasheet上测试Eon/Eoff情况下母线电压值；kg_on/kg_off为驱动电阻系数，该系数可通过IGBT datasheet上驱动电阻VSkg_on/kg_off曲线查得；T为市电周期，0.02或0.0167ms。
其中PD为二极管总损耗，PD_con为导通损耗，PD_sw为开关损耗；Vd为二极管饱和导通压降，其曲线可从其datasheet上查得，Id为二极管导通电流；VR为二极管反向接截至电压；Qrr为二极管反向恢复电荷，trr为二极管方向恢复时间（ta+tb），IRRm为最大方向恢复电流，其数值可以从datasheet上查得；k为开关损耗系数，其值可参考tb/trr的数值，若无tb/trr的数值，可大约取0.5用于损耗评估。
目前业界对于电力电子与开关电源电路损耗仿真，有一些方便快捷的仿真工具，如PSIM、PLECS等，我们通过建立相应器件损耗模型、热阻模型与电路控制模型，运行仿真可以自动得出近似实际运行条件的损耗数据。
根据IEC 62040-3[12]，确定损耗建模输入条件为：
(1) 环境温度为25度；
(2) 额定输入电压220Vac；
(3) 市电模式运行，充电器关闭；
(4) 输出为电阻负载，负载量分别为25%， 50%，75%，100%；
(5) 半导体结温运行稳定；
模型基于PLECS+MATLAB平台[13]，考虑了结温，驱动电阻，驱动电压因素对半导体器件损耗的影响。其模型如图6.
图6. 93PM UPS功率半导体损耗模型
图7. 93PM UPS逆变功率半导体损耗模型
图7为图6模型中UPM模块的展开，为逆变损耗模型。整流损耗模型与其类似。
图8、图9及图10为逆变变换器的运行及半导体损耗波形；图11、图12及图13为整流变换器的运行及半导体损耗波形。
3磁性元器件损耗评估
93PM UPS电感设计采用铁氧体+空气混合磁路开放式电感设计，其损耗模型如式(5)，
其中Pind为电感总损耗，Pfe为电感铁损，Pcu_lf为低频(工频)铜损，Pcu_hf为高频铜损；ε为铁损系数，针对铁氧体+空气混合磁路开放式电感取0.7，Pv为铁氧体单位体积铁损(可根据铁氧体规格书中Pv与频率的曲线查得)，Vcore为选取铁氧体磁心的体积；Irms_lf为电感流过的基波(工频)电流有效值，Rdc为电感的DCR，Rac为电感的高频等效电阻。
由于采用93PM 电感采用30AWG的Liz线，由趋肤效应和邻近效应引起的Rac可以忽略。而Rdc可以由如下(2)式获得，
其中ρ20为铜线20˚C时的电阻率，Tind为电感线圈温度，s为线圈铜线长度，为线圈铜线的截面积[14]。
4系统损耗模型
根据前面系统损耗的分类与各部分损耗建模，我们可以建立在不同负载条件下系统损耗模型，相关的损耗与效率理论计算公式如下：
(1) 电阻型损耗PR，计算公式为3.1节公式(1)；
(2) 电容型损耗PC，计算公式为3.1节公式(2)；
(3) 功率半导体损耗Psem，其损耗模型为3.2节公式(3)和(4)；
(4) 电感损耗Pind，其损耗模型为3.3节公式(5)和(6)；
(5) 辅助电源输入功率PPS，系统辅助电路功率/辅助电源效率；
(6) 系统总损耗Ptot与系统效率
其中PO为系统输出功率；
表1及图14是以93PM 50kW UPS为例，各类型损耗在不同负载下的评估数据以及系统的效率评估数据。
表1. 93PM 50kW系统损耗评估
从系统损耗评估结果可以看出，93PM的最高效率点在50%~75%负载区间，满载工作点效率有所下降，与UPS通常效率趋势相符。
实验验证或实验分析
以93PM 50kW样机为例，进行相关实验验证。实测效率数据如表2和图15所示。从表2和图15可以看出，实测数据与评估数据相差较小，效率曲线几乎重合，说明系统损耗模型的精确性高，具有工程设计参考意义。
表2. 93PM 50kW UPS效率评估与实测结果对比
图15. 93PM UPS系统损耗/效率评估与实测对比
结 论
本文从系统角度出发介绍了功率变换器高效系统设计的基本方法，并对系统的损耗进行分类。针对不同类型的损耗进行分析、建模，从而得到系统损耗及效率评估模型。最后以93PM 50kW UPS样机为实例，根据文中给出的系统损耗及效率评估模型以PLECS为仿真工具得出了在不同负载下各类损耗及系统效率数据，与UPS样机实测效率数据对比，误差在0.1%之内，验证了损耗模型的有效性。
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