變頻器功率器件損耗計算-2010020

1、變頻器功率器件損耗計算唐益宏2010-10-28目錄整流二極管損耗計算IGBT模塊損耗計算電解電容損耗計算電抗器損耗計算反激電源主開關(guān)管損耗計算反激電源變壓器損耗計算反激電源整流二極管損耗計算變頻器主電路整流二極管損耗計算整流二極管主要是通態(tài)損耗，一個二極管的損耗表達(dá)式電流較大時，二極管壓降與電流近似成為線性關(guān)系，而二極管一般工作在此區(qū)域，線性近似二極管輸出特性整流二極管損耗計算整流二極管的平均電流計算 直流電流平均值 整流二極管的電流有效值計算 PFin為輸入功率因數(shù)dcoAVGdcVPI)(整流二極管損耗計算輸入功率因數(shù)計算 帶直流電抗器，且直流側(cè)電流連續(xù)，電容的紋波電流為 Uin為輸入線

2、電壓的有效值，L為直流電抗器的電感量，C為母線電容量 直流側(cè)電流不連續(xù)，通過實(shí)測或仿真得到輸入功率因數(shù)。 22)()(955. 0CAVGdcAVGdcinIIIPF)12112(21089. 1)616(21072. 722CLUCLUIininC整流二極管損耗計算整流二極管起始電壓VF0和通態(tài)電阻rF計算 整流二極管VI特性曲線 整流二極管損耗計算整流二極管起始電壓VF0和通態(tài)電阻rF計算 在VI特性曲線上尋找2個點(diǎn)(一般選擇Tvj=150或125的曲線)，器件額定點(diǎn)(VF1,IF1)和實(shí)際應(yīng)用平均電流對應(yīng)的點(diǎn)(VF2,IF2)，由此可得 進(jìn)一步求得 2121FFFFFIIVVr110FF

3、FFIrVVIGBT模塊損耗計算IGBT模塊損耗計算IGBT模塊損耗構(gòu)成 IGBT通態(tài)損耗： IGBT開關(guān)損耗： 二極管通態(tài)損耗： 二極管關(guān)斷損耗： IGBT模塊損耗計算(兩電平)正弦電流輸出兩電平電壓型PWM逆變器或整流器的IGBT模塊損耗 IGBT模塊損耗計算(兩電平)SPWM調(diào)制時電壓電流波形 紅色：輸出對母線中點(diǎn)電壓 青色：輸出電流 藍(lán)色：IGBT Q1電流 IGBT模塊損耗計算(兩電平)IGBT通態(tài)損耗計算 IGBT兩端壓降與流過IGBT的電流近似為線性關(guān)系 IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，電流不連續(xù)，且一個電流周期中只有一半時間有電流流過，設(shè)IGBT的占空比為 dIGBT，因?yàn)殚_關(guān)頻率遠(yuǎn)大

4、于輸出電壓、電流周期， IGBT通態(tài)損耗可以表示為 IGBT模塊損耗計算(兩電平)IGBT占空比dIGBT計算 輸出電流 采用SPWM調(diào)制，輸出對母線中點(diǎn)電壓為 以上管IGBT為例，有如下關(guān)系式 tIiposin)1)(2/()2/(IGBTdcoIGBTodcdVvdvV)sin(121tmdIGBT2/20dcVVm IGBT模塊損耗計算(兩電平)IGBT通態(tài)損耗計算 Vce0和rCE的獲取方法與整流二極管VF0和rF的獲取方法相同 上下管IGBT互補(bǔ)工作，通態(tài)損耗相同。 )318(cos)4(212020pCEpCEpCEpCEIrIVmIrIVIGBT模塊損耗計算(兩電平)IGBT開關(guān)

5、損耗計算 IGBT開關(guān)能量與電流近似成線性關(guān)系，當(dāng)母線電壓在IGBT額定工作電壓（600V IGBT為300V，1200V IGBT為600V，1700V IGBT為900V，3300V IGBT為1800V）的20%范圍內(nèi)時，IGBT開關(guān)能量與母線電壓近似成線性關(guān)系，母線電壓一般在這個范圍內(nèi)。IGBT開通能量還與驅(qū)動電阻有關(guān)，驅(qū)動電阻越大，開通能量越大，而驅(qū)動電阻對關(guān)斷能量的影響很小。IGBT開關(guān)能量還與芯片結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，開關(guān)能量越大，一般取125結(jié)溫的數(shù)值進(jìn)行計算。 IGBT模塊損耗計算(兩電平)IGBT開關(guān)損耗計算 實(shí)際計算時，通過查一定結(jié)溫下驅(qū)動電阻與開關(guān)能量的關(guān)系曲線獲得額定工

6、作電壓、電流下的開關(guān)能量，然后通過下式計算實(shí)際工作電壓、電流下的開關(guān)能量 Ic用IGBT電流在一個電源周期內(nèi)的平均值代替 IGBT模塊損耗計算(兩電平)IGBT開關(guān)損耗計算 上下管IGBT互補(bǔ)工作，開關(guān)損耗相同。IGBT模塊損耗計算(兩電平)二極管通態(tài)損耗計算 二極管兩端壓降與流過二極管的電流近似為線性關(guān)系 與IGBT一樣，二極管也工作在開關(guān)狀態(tài)，電流不連續(xù)，且一個電流周期中只有一半時間有電流流過，設(shè)二極管的占空比為 dDIODE，二極管通態(tài)損耗可以表示為 IGBT模塊損耗計算(兩電平)二極管占空比dDIODE計算二極管通態(tài)損耗 VF0和rF的獲取方法與整流二極管相同 )sin(1211tmd

7、dIGBTDIODE2/20dcVVm )318(cos)4(212020pFpFpFpFIrIVmIrIV上下二極管互補(bǔ)工作，通態(tài)損耗相同。IGBT模塊損耗計算(兩電平)二極管關(guān)斷損耗計算 二極管關(guān)斷損耗與電壓、結(jié)溫的關(guān)系與IGBT一致，但與驅(qū)動電阻成反比，驅(qū)動電阻越大，關(guān)斷能量越小。二極管關(guān)斷能量與電流不是線性關(guān)系。 IGBT模塊損耗計算(兩電平)二極管關(guān)斷損耗計算 因二極管關(guān)斷能量與電流不是線性關(guān)系，通過查一定結(jié)溫下驅(qū)動電阻與關(guān)斷能量的關(guān)系曲線獲得額定工作電壓、電流下的開關(guān)能量，然后通過下式計算實(shí)際工作電壓、電流下的關(guān)斷能量 關(guān)斷損耗 上下二極管互補(bǔ)工作，關(guān)斷損耗相同。IGBT模塊損耗計

8、算(兩電平)采用SVPWM調(diào)制時輸出對母線中點(diǎn)電壓波形 IGBT模塊損耗計算(兩電平)采用SVPWM調(diào)制時的損耗 SVPWM調(diào)制相當(dāng)于基波SPWM調(diào)制加20% 3次諧波調(diào)制，即輸出電壓為 )(3sin52)sin(200tVtVvo)1)(2/()2/(IGBTdcoIGBTodcdVvdvV)(3sin51)sin(121tmtmdIGBTIGBT模塊損耗計算(兩電平)采用SVPWM調(diào)制時的損耗 IGBT通態(tài)損耗 二極管通態(tài)損耗 IGBT和二極管的開關(guān)損耗與SPWM調(diào)制相同。 22020751)318(cos)4(21pCEpCEpCEpCEpCEIrmIrIVmIrIV22020/751)

9、318(cos)4(21pFpFpFpFpFDfwIrmIrIVmIrIVPIGBT模塊損耗計算(兩電平)IGBT模塊總損耗 n為模塊中封裝的IGBT數(shù)量 IGBT模塊損耗計算(兩電平)計算實(shí)例 結(jié)論 SPWM調(diào)制與SVPWM調(diào)制損耗差異很小； 帶電抗器測試的損耗比帶電機(jī)測試的損耗小。 IGBT模塊損耗計算(三電平)正弦電流輸出三電平電壓型PWM逆變器或整流器的IGBT模塊損耗 IGBT模塊損耗計算(三電平)工作方式1（io0且vo0 ） IGBT模塊損耗計算(三電平)工作方式2（io0且vo0 ） IGBT模塊損耗計算(三電平)工作方式3（io0且vo0 ） IGBT模塊損耗計算(三電平)工

10、作方式4（io0 ） IGBT模塊損耗計算(三電平)IGBT T1電流波形 紅色：輸出對母線中點(diǎn)電壓 青色：輸出電流 藍(lán)色：IGBT T1電流IGBT模塊損耗計算(三電平)IGBT T2電流波形 紅色：輸出對母線中點(diǎn)電壓 青色：輸出電流 藍(lán)色：IGBT T2電流IGBT模塊損耗計算(三電平)IGBT T3電流波形 紅色：輸出對母線中點(diǎn)電壓 青色：輸出電流 藍(lán)色：IGBT T3電流IGBT模塊損耗計算(三電平)IGBT T4電流波形 紅色：輸出對母線中點(diǎn)電壓 青色：輸出電流 藍(lán)色：IGBT T4電流IGBT模塊損耗計算(三電平)二極管 D1、D2電流波形 紅色：輸出對母線中點(diǎn)電壓 青色：輸出電流

11、 藍(lán)色：二極管 D1、D2電流IGBT模塊損耗計算(三電平)二極管 D3、D4電流波形 紅色：輸出對母線中點(diǎn)電壓 青色：輸出電流 綠色：二極管 D3、D4電流IGBT模塊損耗計算(三電平)二極管 D5電流波形 紅色：輸出對母線中點(diǎn)電壓 青色：輸出電流 藍(lán)色：二極管 D5電流IGBT模塊損耗計算(三電平)二極管 D6電流波形 紅色：輸出對母線中點(diǎn)電壓 青色：輸出電流 藍(lán)色：二極管 D6電流IGBT模塊損耗計算(三電平)IGBT T1占空比計算 IGBT T1只在io0且vo0時有電流流過，設(shè)IGBT T1的占空比為 dT1，有如下占空比關(guān)式系二極管 D1、D2占空比計算 二極管 D1、D2只在i

12、o0時有電流流過，占空比計算公式與IGBT T1相同，即 )1 ()2/(11ToTodcdvdvV)sin(2/)sin(201tmVtVddcT)sin(21tmddDDIGBT模塊損耗計算(三電平)IGBT T4占空比計算 IGBT T4只在io0且vo0且vo0時一直開關(guān)工作，在vo0時與IGBT T1互補(bǔ)工作，在vo0時與二極管D3、D4互補(bǔ)工作，因此占空比為二極管D6占空比計算 二極管D6在io0時一直開關(guān)工作，在vo0時與二極管D1、D2互補(bǔ)工作，因此占空比為 )sin(15tmdD)sin(15tmdD0v0o 且oi0v0o 且oi)sin(16tmdD)sin(16tmdD

13、0v0o 且oi0v0o 且oiIGBT模塊損耗計算(三電平)IGBT T2占空比計算 IGBT T2在IGBT T1工作時一直導(dǎo)通，在二極管D3、D4工作時與D3、D4互補(bǔ)導(dǎo)通，占空比為IGBT T3占空比計算 IGBT T3在IGBT T4工作時一直導(dǎo)通，在二極管D1、D2工作時與D1、D2互補(bǔ)導(dǎo)通，占空比為 12Td)sin(12tmdT0v0o 且oi0v0o 且oi13Td)sin(13tmdT0v0o 且oi0v0o 且oiIGBT模塊損耗計算(三電平)IGBT T1、T4通態(tài)損耗計算 220)cos1 (6sincos)(4pCEpCEIrmIVmIGBT模塊損耗計算(三電平)I

14、GBT T2、T3通態(tài)損耗計算 IGBT模塊損耗計算(三電平)二極管D1、D2、D3、D4的通態(tài)損耗 IGBT模塊損耗計算(三電平)二極管D5、D6的通態(tài)損耗 IGBT模塊損耗計算(三電平)開關(guān)損耗 IGBT T1、T4在半個電源周期中的開關(guān)工作的時間較長，二極管D5、D6在半個電源周期中一直開關(guān)工作，其他管子的開關(guān)工作時間很短，為簡化計算，可假設(shè)T1、T2、D5、D6在半個電源周期中一直開關(guān)工作，其他管子不開關(guān)工作，開關(guān)損耗計算公式與兩電平逆變器相似，只是管子兩端電壓是母線電壓的一半，計算公式如下 IGBT模塊損耗計算(三電平)SVPWM調(diào)制時的損耗 SVPWM調(diào)制時輸出對母線中點(diǎn)電壓波形

15、與兩電平相同， SVPWM調(diào)制與SPWM調(diào)制損耗差異很小。 IGBT模塊損耗計算(三電平)一個橋臂的總損耗 IGBT模塊損耗計算(三電平)計算實(shí)例結(jié)論 三電平拓?fù)溟_關(guān)器件總損耗比兩電平少，使用三電平拓?fù)淇梢蕴嵘到y(tǒng)的效率； 電解電容損耗計算電解電容損耗計算損耗計算公式 ESR：額定頻率（100Hz或120Hz）和一定溫度（20或25）下電容等效串聯(lián)阻抗，ESR隨溫度升高而降低，使用20或25下的值計算的損耗偏大。 IC：電容紋波電流折算到額定頻率下的有效值紋波電流折算系數(shù)（舉例） 頻率(Hz)50/601203001k10k系數(shù)kf0.711.11.31.4電解電容損耗計算紋波電流換算方法 將

16、紋波電流進(jìn)行傅里葉分解，得到不同頻率下正弦分量的有效值IC(f)， IC(n)為頻率紋波電流換算后的有效值，有如下關(guān)系式 電解電容損耗計算二極管整流濾波電容紋波電流計算 帶直流電抗器，且直流側(cè)電流連續(xù)，電容的紋波電流為 Uin為輸入線電壓的有效值，L為直流電抗器的電感量，C為母線電容量，此時IC的主要頻率成分是6倍和12倍的電源頻率。 直流側(cè)電流不連續(xù)，電容紋波電流通過仿真或?qū)崪y得到，此時IC的頻率成分比較豐富，為6*n（n=1,10）倍的電源頻率。 )12112(21089. 1)616(21072. 722CLUCLUIininC電解電容損耗計算計算實(shí)例 380V 55kW機(jī)型使用5600

17、uF 400V電容四個，兩串兩并，該電容在120Hz，25下的ESR為26m。不帶直流電抗器，仿真得到一個電容的電流波形如下 電解電容損耗計算計算實(shí)例 各頻率成分電流有效值及折算 折算后總紋波電流有效值 電容損耗 f(Hz)30060090012001500180021002400IC(f)(A)5723128.75.44.432.6kf1.11.11.31.31.31.31.31.3IC(n)(A)51.820.99.26.74.23.42.32電解電容損耗計算計算實(shí)例 帶200uH直流電抗器，仿真得到一個電容的電流波形如下 電解電容損耗計算計算實(shí)例 各頻率成分電流有效值及折算 折算后總紋波

18、電流有效值 電容損耗 f(Hz)300600IC(f)(A)363.6kf1.11.1IC(n)(A)32.73.3電抗器損耗計算電抗器損耗計算電抗器損耗包含銅損和鐵損，即線包損耗和鐵心損耗銅損 RL(DC)：線包的直流阻抗 IL：流過線包的電流有效值鐵損 W/kg：鐵芯的每公斤損耗 WFe：鐵芯重量 電抗器損耗計算W/kg的獲取方法 W/kg與頻率f以及磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量B有關(guān)，在已知f和B的情況下，可以查鐵芯的損耗曲線獲得W/kg，也可以通過下式近似計算 Ptest：鐵芯數(shù)據(jù)手冊中給出的在測試磁感應(yīng)強(qiáng)度和頻率下的每公斤損耗值 ， ：損耗隨頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的系數(shù)，與鐵芯材料有關(guān) 鐵芯中磁通

19、的頻率成分不止一種時，鐵芯損耗是各頻率鐵芯損耗之和 電抗器損耗計算硅鋼片的Ptest 、 、 Ptest可以從硅鋼片的牌號中獲得舉例： 類型牌號測試頻率測試磁感應(yīng)強(qiáng)度無取向硅鋼片新：厚度值的100倍+代號+鐵損值的100倍舊：代號+鐵損值的100倍-厚度值的100倍50/60Hz1.5T取向硅鋼片50/60Hz1.7T類型牌號W/kg厚度無取向硅鋼片50W470（DW470-50）4.7W/kg0.5mm取向硅鋼片30Q130（DQ130-30）1.3W/kg0.3mm電抗器損耗計算硅鋼片的Ptest 、 、 正弦波條件下，硅鋼片的磁滯損耗與頻率成正比，與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比，渦流損耗與頻率

20、的平方成正比，與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比。磁滯損耗和渦流損耗所占比重隨頻率變化，下圖是渦流損耗所占百分比與頻率的關(guān)系曲線，可見低頻下主要是磁滯損耗，高頻下主要是渦流損耗。 、是綜合系數(shù)，在低頻下取=1.2， =2，高頻下取= =2 2004006008001000103050700.5T1.0T1.5T%Hz電抗器損耗計算磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量的計算 L：電感量，單位mH； Bf：頻率為f的電流引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量，單位T； IL(f)：頻率為f的電流峰值，單位A； N：線圈匝數(shù)； Ae：鐵芯截面積，單位mm2。鐵芯重量計算 VFe：鐵芯體積，m3； Fe：鐵芯密度，硅鋼片一般為7650kg/m3

21、電抗器損耗計算計算實(shí)例 380V 37kW變頻器輸入電抗器的電感量為0.16mH，線包直流電阻為12m，鐵芯截面積900 mm2，匝數(shù)20，鐵芯體積5.27410-4 m3，使用硅鋼片型號DW470-50。滿載時電流波形如下 電抗器損耗計算計算實(shí)例 反激電源主電路反激電源MOS管損耗計算MOS管損耗構(gòu)成 通態(tài)損耗、開關(guān)損耗、驅(qū)動損耗 Vdc：輸入直流電壓 Vo(1)：主反饋輸出電壓 Rds on：MOS管通態(tài)電阻 fs：開關(guān)頻率 Ids：MOS管電流有效值 Ipk：原邊電流峰值 Po：總輸出功率 Ib：MOS管導(dǎo)通時原邊電流最小值 ：電源效率 Vds：MOS管兩端電壓 Lm：原邊電感量 Np：原邊匝數(shù) D：占空比 Vf(1)：主反饋整流二極管正向壓降 Ns(1)：主反饋副邊匝數(shù)反激電源MOS管損耗計算MOS管通態(tài)損耗 斷續(xù)模式： 連續(xù)模式： 反激電源MOS管損耗計算MOS管開關(guān)損耗 反激電源MOS管損耗計算MOS管開關(guān)損耗 開通損耗：包括開通過程中電壓電流重疊引起的損耗和MOS管輸出電容Coss能量通過MOS管泄放引起的損耗。由于開通時MOS管的電流較小(斷續(xù)模式