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1、 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 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 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 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
2、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 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 IGBT模块损耗计算 IGBT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 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
3、流器的IGBT模块损耗 IGBT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 IGBT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 IGBT模块损耗计算 两电平 IGBT通态损耗
4、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 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
5、 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 IGBT模块损耗计算 两电平 IGBT开关损耗计算 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 IGBT
6、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 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 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
7、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 IGBT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 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 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
8、IGBT模块损耗计算 三电平 工作方式1 io 0且vo 0 IGBT模块损耗计算 三电平 工作方式2 io 0且vo 0 IGBT模块损耗计算 三电平 工作方式3 io 0且vo 0 IGBT模块损耗计算 三电平 工作方式4 io0 IGBT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
9、 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IGBT
10、T1只在io 0且vo 0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时有电流流过 占空比计算公式与IGBTT1相同 即 IGBT模块损耗计算 三电平 IGBTT4占空比计算IGBTT4只在io0且vo 0时有电流流过 占空比计算公式与IGBTT4相同 即 IGBT模块损耗计算 三电平 二极管D5占空比计算二极管D5在io 0时一直开关工作 在vo 0时与IGBTT1互补工作 在vo0时与二极管D1 D2互补工作 因此占空比为 IGBT模块损耗计算 三电平 IGBTT2占空比计算IGBTT2在IGBTT1工作时一直导通 在
11、二极管D3 D4工作时与D3 D4互补导通 占空比为IGBTT3占空比计算IGBTT3在IGBTT4工作时一直导通 在二极管D1 D2工作时与D1 D2互补导通 占空比为 IGBT模块损耗计算 三电平 IGBTT1 T4通态损耗计算 IGBT模块损耗计算 三电平 IGBTT2 T3通态损耗计算 IGBT模块损耗计算 三电平 二极管D1 D2 D3 D4的通态损耗 IGBT模块损耗计算 三电平 二极管D5 D6的通态损耗 IGBT模块损耗计算 三电平 开关损耗IGBTT1 T4在半个电源周期中的开关工作的时间较长 二极管D5 D6在半个电源周期中一直开关工作 其他管子的开关工作时间很短 为简化计
12、算 可假设T1 T2 D5 D6在半个电源周期中一直开关工作 其他管子不开关工作 开关损耗计算公式与两电平逆变器相似 只是管子两端电压是母线电压的一半 计算公式如下 IGBT模块损耗计算 三电平 SVPWM调制时的损耗SVPWM调制时输出对母线中点电压波形与两电平相同 SVPWM调制与SPWM调制损耗差异很小 IGBT模块损耗计算 三电平 一个桥臂的总损耗 IGBT模块损耗计算 三电平 计算实例结论三电平拓扑开关器件总损耗比两电平少 使用三电平拓扑可以提升系统的效率 电解电容损耗计算 电解电容损耗计算 损耗计算公式ESR 额定频率 100Hz或120Hz 和一定温度 20 或25 下电容等效串
13、联阻抗 ESR随温度升高而降低 使用20 或25 下的值计算的损耗偏大 IC 电容纹波电流折算到额定频率下的有效值纹波电流折算系数 举例 电解电容损耗计算 纹波电流换算方法将纹波电流进行傅里叶分解 得到不同频率下正弦分量的有效值IC f IC n 为频率纹波电流换算后的有效值 有如下关系式 电解电容损耗计算 二极管整流滤波电容纹波电流计算带直流电抗器 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 此时IC的主要频率成分是6倍和12倍的电源频率 直流侧电流不连续 电容纹波电流通过仿真或实测得到 此时IC的频率成分比较丰富 为6 n n 1
14、10 倍的电源频率 电解电容损耗计算 计算实例380V55kW机型使用5600uF400V电容四个 两串两并 该电容在120Hz 25 下的ESR为26m 不带直流电抗器 仿真得到一个电容的电流波形如下 电解电容损耗计算 计算实例各频率成分电流有效值及折算折算后总纹波电流有效值电容损耗 电解电容损耗计算 计算实例带200uH直流电抗器 仿真得到一个电容的电流波形如下 电解电容损耗计算 计算实例各频率成分电流有效值及折算折算后总纹波电流有效值电容损耗 电抗器损耗计算 电抗器损耗计算 电抗器损耗包含铜损和铁损 即线包损耗和铁心损耗铜损RL DC 线包的直流阻抗IL 流过线包的电流有效值铁损W kg
15、 铁芯的每公斤损耗WFe 铁芯重量 电抗器损耗计算 W kg的获取方法W kg与频率f以及磁感应强度变化量 B有关 在已知f和 B的情况下 可以查铁芯的损耗曲线获得W kg 也可以通过下式近似计算Ptest 铁芯数据手册中给出的在测试磁感应强度和频率下的每公斤损耗值 损耗随频率和磁感应强度变化的系数 与铁芯材料有关铁芯中磁通的频率成分不止一种时 铁芯损耗是各频率铁芯损耗之和 电抗器损耗计算 硅钢片的Ptest Ptest可以从硅钢片的牌号中获得举例 电抗器损耗计算 硅钢片的Ptest 正弦波条件下 硅钢片的磁滞损耗与频率成正比 与磁感应强度的平方成正比 涡流损耗与频率的平方成正比 与磁感应强度
16、的平方成正比 磁滞损耗和涡流损耗所占比重随频率变化 下图是涡流损耗所占百分比与频率的关系曲线 可见低频下主要是磁滞损耗 高频下主要是涡流损耗 是综合系数 在低频下取 1 2 2 高频下取 2 电抗器损耗计算 磁感应强度变化量的计算L 电感量 单位mH Bf 频率为f的电流引起的磁感应强度变化量 单位T IL f 频率为f的电流峰值 单位A N 线圈匝数 Ae 铁芯截面积 单位mm2 铁芯重量计算VFe 铁芯体积 m3 Fe 铁芯密度 硅钢片一般为7650kg m3 电抗器损耗计算 计算实例380V37kW变频器输入电抗器的电感量为0 16mH 线包直流电阻为12m 铁芯截面积900mm2 匝数20 铁芯体积5 274 10 4m3 使用硅钢片型号DW470 50 满载时电流波形如下 电抗器损耗计算 计算实例 反激电源主电路 反激电源MOS管损耗计算 MOS管损耗构成通态损耗 开关损耗 驱动损耗Vdc 输入直流电压Vo 1 主反馈输出电压Rdson MOS管通态电阻fs 开关频率Ids MOS管电流有效值Ipk 原边电流峰值Po 总输出功率Ib MOS管导通时原边电流最小值 电源效率Vd
