变频器功率器件损耗计算-2010020

变频器功率器件损耗计算唐益宏2010-10-28目录•整流二极管损耗计算•IGBT模块损耗计算•电解电容损耗计算•电抗器损耗计算•反激电源主开关管损耗计算•反激电源变压器损耗计算•反激电源整流二极管损耗计算变频器主电路RSTUVWLinLdcLout整流二极管损耗计算•整流二极管主要是通态损耗，一个二极管的损耗表达式•电流较大时，二极管压降与电流近似成为线性关系，而二极管一般工作在此区域，线性近似二极管输出特性PD=1TVF(t)∙iF(t)dtT0VFt=VF0+rF∙iF(t)PD=1T[VF0+rF∙iFt]∙iF(t)dtT0=VF0∙1TiFtdt+rF∙1TiF(t)2T0dtT0=VF0∙iF(AVG)+rF∙iF(RMS)2整流二极管损耗计算•整流二极管的平均电流计算直流电流平均值•整流二极管的电流有效值计算PFin为输入功率因数dcoAVGdcVPI)(IFAVG=Idc(AVG)3IFRMS=Po6Vin∙PFin整流二极管损耗计算•输入功率因数计算带直流电抗器，且直流侧电流连续，电容的纹波电流为Uin为输入线电压的有效值，L为直流电抗器的电感量，C为母线电容量直流侧电流不连续，通过实测或仿真得到输入功率因数。22)()(955.0CAVGdcAVGdcinIIIPF)12112(21089.1)616(21072.722CLUCLUIininC整流二极管损耗计算•整流二极管起始电压VF0和通态电阻rF计算整流二极管VI特性曲线整流二极管损耗计算•整流二极管起始电压VF0和通态电阻rF计算在VI特性曲线上寻找2个点(一般选择Tvj=150℃或125℃的曲线)，器件额定点(VF1,IF1)和实际应用平均电流对应的点(VF2,IF2)，由此可得进一步求得2121FFFFFIIVVr110FFFFIrVVIGBT模块损耗计算RSTUVWLinLdcLoutIGBT模块损耗计算•IGBT模块损耗构成IGBT通态损耗：IGBT开关损耗：二极管通态损耗：二极管关断损耗：Pfw/T=1TVCE(t)∙iC(t)dtT0Psw=fs∙[EonTvdc,iC,Rg,TjT+EoffTvdc,iC,Rg,TjT]Pfw/D=1TVF(t)∙iF(t)dtT0Poff/D=fs∙Erec/D(vdc,iF,Rg,Tj/D)IGBT模块损耗计算(两电平)•正弦电流输出两电平电压型PWM逆变器或整流器的IGBT模块损耗Q1Q2Vo+Vdc/2-Vdc/2IoIGBT模块损耗计算(两电平)•SPWM调制时电压电流波形红色：输出对母线中点电压青色：输出电流蓝色：IGBTQ1电流IGBT模块损耗计算(两电平)•IGBT通态损耗计算IGBT两端压降与流过IGBT的电流近似为线性关系IGBT工作在开关状态，电流不连续，且一个电流周期中只有一半时间有电流流过，设IGBT的占空比为dIGBT，因为开关频率远大于输出电压、电流周期，IGBT通态损耗可以表示为Pfw/T=1TVCE(t)∙iC(t)dtT0VCEt=VCE0+rCE∙iC(t)PfwT=12π[VCE0+rCE∙iC(t)]∙iC(t)∙dIGBT∙dtπ0IGBT模块损耗计算(两电平)•IGBT占空比dIGBT计算输出电流采用SPWM调制，输出对母线中点电压为以上管IGBT为例，有如下关系式tIiposin)sin(20tVvo)1))(2/(()2/(IGBTdcoIGBTodcdVvdvV)sin(121tmdIGBT2/20dcVVmIGBT模块损耗计算(两电平)•IGBT通态损耗计算Vce0和rCE的获取方法与整流二极管VF0和rF的获取方法相同上下管IGBT互补工作，通态损耗相同。PfwT=12π[VCE0+rCE∙tIpsin]∙tIpsin∙)]sin(1[21tm∙dωtπ0)318(cos)4(212020pCEpCEpCEpCEIrIVmIrIVIGBT模块损耗计算(两电平)•IGBT开关损耗计算IGBT开关能量与电流近似成线性关系，当母线电压在IGBT额定工作电压（600VIGBT为300V，1200VIGBT为600V，1700VIGBT为900V，3300VIGBT为1800V）的±20%范围内时，IGBT开关能量与母线电压近似成线性关系，母线电压一般在这个范围内。IGBT开通能量还与驱动电阻有关，驱动电阻越大，开通能量越大，而驱动电阻对关断能量的影响很小。IGBT开关能量还与芯片结温有关，结温越高，开关能量越大，一般取125℃结温的数值进行计算。IGBT模块损耗计算(两电平)•IGBT开关损耗计算实际计算时，通过查一定结温下驱动电阻与开关能量的关系曲线获得额定工作电压、电流下的开关能量，然后通过下式计算实际工作电压、电流下的开关能量Ic用IGBT电流在一个电源周期内的平均值代替EonTVce,ic=EonTVnom,Inom,RG,Tj/T∙VdcVnom∙IcInomEoffTVce,ic=EoffTVnom,Inom,RG,Tj/T∙VdcVnom∙IcInomIc=12πIpsinωtdωtπ0=IpπIGBT模块损耗计算(两电平)•IGBT开关损耗计算PswT=1πfs∙[EonTVnom,Inom,RG,TjT+EoffTVnom,Inom,RG,TjT]∙VdcVnom∙IpInom上下管IGBT互补工作，开关损耗相同。IGBT模块损耗计算(两电平)•二极管通态损耗计算二极管两端压降与流过二极管的电流近似为线性关系与IGBT一样，二极管也工作在开关状态，电流不连续，且一个电流周期中只有一半时间有电流流过，设二极管的占空比为dDIODE，二极管通态损耗可以表示为VFt=VF0+rF∙iF(t)PfwD=12π[VF0+rF∙iF(t)]∙iF(t)∙dDIODE∙dtπ0Pfw/D=1TVF(t)∙iF(t)dtT0IGBT模块损耗计算(两电平)•二极管占空比dDIODE计算•二极管通态损耗VF0和rF的获取方法与整流二极管相同)sin(1211tmddIGBTDIODE2/20dcVVmPfwD=12π[VF0+rF∙tIpsin]∙tIpsin∙)]sin(1[21tm∙dωtπ0)318(cos)4(212020pFpFpFpFIrIVmIrIV上下二极管互补工作，通态损耗相同。IGBT模块损耗计算(两电平)•二极管关断损耗计算二极管关断损耗与电压、结温的关系与IGBT一致，但与驱动电阻成反比，驱动电阻越大，关断能量越小。二极管关断能量与电流不是线性关系。IGBT模块损耗计算(两电平)•二极管关断损耗计算因二极管关断能量与电流不是线性关系，通过查一定结温下驱动电阻与关断能量的关系曲线获得额定工作电压、电流下的开关能量，然后通过下式计算实际工作电压、电流下的关断能量关断损耗ErecDVF,iF=1πErecDVnom,Inom,RG,Tj/F∙VdcVnom∙(0.45IPInom+0.55)PoffD=1πfs∙ErecDVnom,Inom,RG,Tj/F∙VdcVnom∙(0.45IPInom+0.55)上下二极管互补工作，关断损耗相同。IGBT模块损耗计算(两电平)•采用SVPWM调制时输出对母线中点电压波形IGBT模块损耗计算(两电平)•采用SVPWM调制时的损耗SVPWM调制相当于基波SPWM调制加20%3次谐波调制，即输出电压为)](3sin[52)sin(200tVtVvo)1))(2/(()2/(IGBTdcoIGBTodcdVvdvV)](3sin[51)sin(121tmtmdIGBTIGBT模块损耗计算(两电平)•采用SVPWM调制时的损耗IGBT通态损耗二极管通态损耗IGBT和二极管的开关损耗与SPWM调制相同。22020751)318(cos)4(21pCEpCEpCEpCEpCEIrmIrIVmIrIVPfwT=12π[VCE0+rCE∙tIpsin]∙tIpsinπ0∙121+msinωt+φ+15msin3ωt+φdωt22020/751)318(cos)4(21pFpFpFpFpFDfwIrmIrIVmIrIVPIGBT模块损耗计算(两电平)•IGBT模块总损耗n为模块中封装的IGBT数量PQ=n∙(PfwT+PswT+PfwF+PoffF)IGBT模块损耗计算(两电平)•计算实例•结论SPWM调制与SVPWM调制损耗差异很小；带电抗器测试的损耗比带电机测试的损耗小。IGBT模块损耗计算(三电平)•正弦电流输出三电平电压型PWM逆变器或整流器的IGBT模块损耗D1D2D3D4T2T3VoT1T4D5D6IoIGBT模块损耗计算(三电平)•工作方式1（io0且vo0）D1D2D3D4T2T3T1T4D5D6D1D2D3D4T2T3T1T4D5D6IGBT模块损耗计算(三电平)•工作方式2（io0且vo0）D1D2D3D4T2T3T1T4D5D6D1D2D3D4T2T3T1T4D5D6IGBT模块损耗计算(三电平)•工作方式3（io0且vo0）D1D2D3D4T2T3T1T4D5D6D1D2D3D4T2T3T1T4D5D6IGBT模块损耗计算(三电平)•工作方式4（io0且vo0）D1D2D3D4T2T3T1T4D5D6D1D2D3D4T2T3T1T4D5D6IGBT模块损耗计算(三电平)•IGBTT1电流波形红色：输出对母线中点电压青色：输出电流蓝色：IGBTT1电流IGBT模块损耗计算(三电平)•IGBTT2电流波形红色：输出对母线中点电压青色：输出电流蓝色：IGBTT2电流IGBT模块损耗计算(三电平)•IGBTT3电流波形红色：输出对母线中点电压青色：输出电流蓝色：IGBTT3电流IGBT模块损耗计算(三电平)•IGBTT4电流波形红色：输出对母线中点电压青色：输出电流蓝色：IGBTT4电流IGBT模块损耗计算(三电平)•二极管D1、D2电流波形红色：输出对母线中点电压青色：输出电流蓝色：二极管D1、D2电流IGBT模块损耗计算(三电平)•二极管D3、D4电流波形红色：输出对母线中点电压青色：输出电流绿色：二极管D3、D4电流IGBT模块损耗计算(三电平)•二极管D5电流波形红色：输出对母线中点电压青色：输出电流蓝色：二极管D5电流IGBT模块损耗计算(三电平)•二极管D6电流波形红色：输出对母线中点电压青色：输出电流蓝色：二极管D6电流IGBT模块损耗计算(三电平)•IGBTT1占空比计算IGBTT1只在io0且vo0时有电流流过，设IGBTT1的占空比为dT1，有如下占空比关式系•二极管D1、D2占空比计算二极管D1、D2只在io0且vo0时有电流流过，占空比计算公式与IGBTT1相同，即)1()2/(11ToTodcdvdvV)sin(2/)sin(201tmVtVddcT)sin(21tmddDDIGBT模块损耗计算(三电平)•IGBTT4占空比计算IGBTT4只在io0且vo0时有电流流过，设IGBTT4的占空比为dT4，有如下占空比关式系•二极管D3、D4占空比计算二极管D3、D4只在io0且vo0时有电流流过，占空比计算公式与IGBTT4相同，即)1()2/(44ToTodcdvdvV)sin(4tmdT)sin(43tmddDDIGBT模块损耗计算(三电平)•二极管D5占空比计算二极管D5在io0时一直开关工作，在vo0时与IGBTT1互补工作，在vo0时与二极管D3、D4互补工作，因此占空比为•二极管D6占空比计算二极管D6在io0时一直开关工作，在