變頻器功率器件損耗計(jì)算課件

變頻器功率器件損耗計(jì)算2010-10-28變頻器功率器件損耗計(jì)算目錄整流二極管損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算電解電容損耗計(jì)算電抗器損耗計(jì)算反激電源主開關(guān)管損耗計(jì)算反激電源變壓器損耗計(jì)算反激電源整流二極管損耗計(jì)算變頻器功率器件損耗計(jì)算變頻器主電路變頻器功率器件損耗計(jì)算整流二極管損耗計(jì)算整流二極管主要是通態(tài)損耗，一個(gè)二極管的損耗表達(dá)式電流較大時(shí)，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變頻器功率器件損耗計(jì)算整流二極管損耗計(jì)算整流二極管的平均電流計(jì)算

直流電流平均值

整流二極管的電流有效值計(jì)算PFin為輸入功率因數(shù)變頻器功率器件損耗計(jì)算整流二極管損耗計(jì)算輸入功率因數(shù)計(jì)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為母線電容量直流側(cè)電流不連續(xù)，通過實(shí)測(cè)或仿真得到輸入功率因數(shù)。

變頻器功率器件損耗計(jì)算整流二極管損耗計(jì)算整流二極管起始電壓VF0和通態(tài)電阻rF計(jì)算整流二極管VI特性曲線

變頻器功率器件損耗計(jì)算整流二極管損耗計(jì)算整流二極管起始電壓VF0和通態(tài)電阻rF計(jì)算

在VI特性曲線上尋找2個(gè)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(duì)應(yīng)的點(diǎn)(VF2,IF2)，由此可得

進(jìn)一步求得

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)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：

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)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

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)SPWM調(diào)制時(shí)電壓電流波形紅色：輸出對(duì)母線中點(diǎn)電壓青色：輸出電流藍(lán)色：IGBTQ1電流

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)IGBT通態(tài)損耗計(jì)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(gè)電流周期中只有一半時(shí)間有電流流過，設(shè)IGBT的占空比為

dIGBT，因?yàn)殚_關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸出電壓、電流周期，IGBT通態(tài)損耗可以表示為

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)IGBT占空比dIGBT計(jì)算

輸出電流采用SPWM調(diào)制，輸出對(duì)母線中點(diǎn)電壓為

以上管IGBT為例，有如下關(guān)系式

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)IGBT通態(tài)損耗計(jì)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。

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)IGBT開關(guān)損耗計(jì)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（600VIGBT為300V，1200VIGBT為600V，1700VIGBT為900V，3300VIGBT為1800V）的±20%范圍內(nèi)時(shí)，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(gè)范圍內(nèi)。IGBT開通能量還與驅(qū)動(dòng)電阻有關(guān)，驅(qū)動(dòng)電阻越大，開通能量越大，而驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)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(jì)算。

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)IGBT開關(guān)損耗計(jì)算

實(shí)際計(jì)算時(shí)，通過查一定結(jié)溫下驅(qū)動(dòng)電阻與開關(guān)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(jì)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(gè)電源周期內(nèi)的平均值代替

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)IGBT開關(guān)損耗計(jì)算

上下管IGBT互補(bǔ)工作，開關(guān)損耗相同。變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)二極管通態(tài)損耗計(jì)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(gè)電流周期中只有一半時(shí)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

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)二極管占空比dDIODE計(jì)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

上下二極管互補(bǔ)工作，通態(tài)損耗相同。變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)二極管關(guān)斷損耗計(jì)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(dòng)電阻成反比，驅(qū)動(dòng)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。

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)二極管關(guān)斷損耗計(jì)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(dòng)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(jì)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。變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)采用SVPWM調(diào)制時(shí)輸出對(duì)母線中點(diǎn)電壓波形

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)采用SVPWM調(diào)制時(shí)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

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)采用SVPWM調(diào)制時(shí)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。

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)IGBT模塊總損耗n為模塊中封裝的IGBT數(shù)量

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(兩電平)計(jì)算實(shí)例

結(jié)論SPWM調(diào)制與SVPWM調(diào)制損耗差異很?。?/p>

帶電抗器測(cè)試的損耗比帶電機(jī)測(cè)試的損耗小。

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)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

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)工作方式1（io>0且vo>0）

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)工作方式2（io>0且vo<0）

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)工作方式3（io<0且vo<0）

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)工作方式4（io<0且vo>0）

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)IGBTT1電流波形

紅色：輸出對(duì)母線中點(diǎn)電壓青色：輸出電流藍(lán)色：IGBTT1電流變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)IGBTT2電流波形

紅色：輸出對(duì)母線中點(diǎn)電壓青色：輸出電流藍(lán)色：IGBTT2電流變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)IGBTT3電流波形

紅色：輸出對(duì)母線中點(diǎn)電壓青色：輸出電流藍(lán)色：IGBTT3電流變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)IGBTT4電流波形

紅色：輸出對(duì)母線中點(diǎn)電壓青色：輸出電流藍(lán)色：IGBTT4電流變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)二極管D1、D2電流波形

紅色：輸出對(duì)母線中點(diǎn)電壓青色：輸出電流藍(lán)色：二極管D1、D2電流變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)二極管D3、D4電流波形

紅色：輸出對(duì)母線中點(diǎn)電壓青色：輸出電流綠色：二極管D3、D4電流變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)二極管D5電流波形

紅色：輸出對(duì)母線中點(diǎn)電壓青色：輸出電流藍(lán)色：二極管D5電流變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)二極管D6電流波形

紅色：輸出對(duì)母線中點(diǎn)電壓青色：輸出電流藍(lán)色：二極管D6電流變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)IGBTT1占空比計(jì)算

IGBTT1只在io>0且vo>0時(shí)有電流流過，設(shè)IGBTT1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(jì)算二極管D1、D2只在io<0且vo>0時(shí)有電流流過，占空比計(jì)算公式與IGBTT1相同，即

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)IGBTT4占空比計(jì)算

IGBTT4只在io<0且vo<0時(shí)有電流流過，設(shè)IGBTT4的占空比為

dT4，有如下占空比關(guān)式系二極管D3、D4占空比計(jì)算二極管D3、D4只在io>0且vo<0時(shí)有電流流過，占空比計(jì)算公式與IGBTT4相同，即

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)二極管D5占空比計(jì)算

二極管D5在io>0時(shí)一直開關(guān)工作，在vo>0時(shí)與IGBTT1互補(bǔ)工作，在vo<0時(shí)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(jì)算二極管D6在io<0時(shí)一直開關(guān)工作，在vo<0時(shí)與IGBTT4互補(bǔ)工作，在vo>0時(shí)與二極管D1、D2互補(bǔ)工作，因此占空比為

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)IGBTT2占空比計(jì)算IGBTT2在IGBTT1工作時(shí)一直導(dǎo)通，在二極管D3、D4工作時(shí)與D3、D4互補(bǔ)導(dǎo)通，占空比為IGBTT3占空比計(jì)算

IGBTT3在IGBTT4工作時(shí)一直導(dǎo)通，在二極管D1、D2工作時(shí)與D1、D2互補(bǔ)導(dǎo)通，占空比為

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)IGBTT1、T4通態(tài)損耗計(jì)算

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)IGBTT2、T3通態(tài)損耗計(jì)算

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)二極管D1、D2、D3、D4的通態(tài)損耗

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)二極管D5、D6的通態(tài)損耗

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)開關(guān)損耗

IGBTT1、T4在半個(gè)電源周期中的開關(guān)工作的時(shí)間較長(zhǎng)，二極管D5、D6在半個(gè)電源周期中一直開關(guān)工作，其他管子的開關(guān)工作時(shí)間很短，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可假設(shè)T1、T2、D5、D6在半個(gè)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(jì)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(jì)算公式如下

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)SVPWM調(diào)制時(shí)的損耗SVPWM調(diào)制時(shí)輸出對(duì)母線中點(diǎn)電壓波形

與兩電平相同，SVPWM調(diào)制與SPWM調(diào)制損耗差異很小。

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)一個(gè)橋臂的總損耗

變頻器功率器件損耗計(jì)算IGBT模塊損耗計(jì)算(三電平)計(jì)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；

變頻器功率器件損耗計(jì)算電解電容損耗計(jì)算變頻器功率器件損耗計(jì)算電解電容損耗計(jì)算損耗計(jì)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(jì)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)50/601203001k≥10k系數(shù)kf0.711.11.31.4變頻器功率器件損耗計(jì)算電解電容損耗計(jì)算紋波電流換算方法

將紋波電流進(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

變頻器功率器件損耗計(jì)算電解電容損耗計(jì)算二極管整流濾波電容紋波電流計(jì)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(shí)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(cè)得到，此時(shí)IC的頻率成分比較豐富，為6*n（n=1,…,10）倍的電源頻率。

變頻器功率器件損耗計(jì)算電解電容損耗計(jì)算計(jì)算實(shí)例380V55kW機(jī)型使用5600uF400V電容四個(gè)，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(gè)電容的電流波形如下

變頻器功率器件損耗計(jì)算電解電容損耗計(jì)算計(jì)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變頻器功率器件損耗計(jì)算電解電容損耗計(jì)算計(jì)算實(shí)例帶200uH直流電抗器，仿真得到一個(gè)電容的電流波形如下

變頻器功率器件損耗計(jì)算電解電容損耗計(jì)算計(jì)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)300600IC(f)(A)363.6kf1.11.1IC(n)(A)32.73.3變頻器功率器件損耗計(jì)算電抗器損耗計(jì)算變頻器功率器件損耗計(jì)算電抗器損耗計(jì)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

變頻器功率器件損耗計(jì)算電抗器損耗計(jì)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(jì)算

Ptest：鐵芯數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的在測(cè)試磁感應(yīng)強(qiáng)度和頻率下的每公斤損耗值

α，β：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)

鐵芯中磁通的頻率成分不止一種時(shí)，鐵芯損耗是各頻率鐵芯損耗之和

變頻器功率器件損耗計(jì)算電抗器損耗計(jì)算硅鋼片的Ptest、

α、βPtest可以從硅鋼片的牌號(hào)中獲得舉例：

類型牌號(hào)測(cè)試頻率測(cè)試磁感應(yīng)強(qiáng)度無取向硅鋼片新：厚度值的100倍+代號(hào)+鐵損值的100倍舊：代號(hào)+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(hào)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變頻器功率器件損耗計(jì)算電抗器損耗計(jì)算硅鋼片的Ptest、

α、β

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。

α、β是綜合系數(shù)，在低頻下取α=1.2，β=2，高頻下取α=β=2

變頻器功率器件損耗計(jì)算電抗器損耗計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量的計(jì)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(jì)算

VFe：鐵芯體積，m3；

ρFe：鐵芯密度，硅鋼片一般為7650kg/m3

變頻器功率器件損耗計(jì)算電抗器損耗計(jì)算計(jì)算實(shí)例380V37kW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900mm2，匝數(shù)20，鐵芯體積5.274×10-4m3，使用硅鋼片型號(hào)DW470-50。滿載時(shí)電流波形如下

變頻器功率器件損耗計(jì)算電抗器損耗計(jì)算計(jì)算實(shí)例

變頻器功率器件損耗計(jì)算反激電源主電路變頻器功率器件損耗計(jì)算反激電源MOS管損耗計(jì)算MOS管損耗構(gòu)成

通態(tài)損耗、開關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)損耗Vdc：輸入直流電壓Vo(1)：主反饋輸出電壓Rdson：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(shí)原邊電流最小值

δ：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)變頻器功率器件損耗計(jì)算反激電源MOS管損耗計(jì)算MOS管通態(tài)損耗

斷續(xù)模式：連續(xù)模式：

變頻器功率器件損耗計(jì)算反激電源MOS管損耗計(jì)算MOS管開關(guān)損耗

變頻器功率器件損耗計(jì)算反激電源MOS管損耗計(jì)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(shí)MOS管的電流較小(斷續(xù)模式時(shí)電流為0)，一般只計(jì)算Coss能量泄放損耗。關(guān)斷損耗：只計(jì)算密勒平臺(tái)期間的損耗，設(shè)密勒電容電荷為Qgd，MOS管驅(qū)動(dòng)電阻為Rg。

變頻器功率器件損耗計(jì)算反激電源MOS管損耗計(jì)算MOS管驅(qū)動(dòng)損耗

Qg：門極總電荷

變頻器功率器件損耗計(jì)算反激電源變壓器損耗計(jì)算反激變壓器損耗包含線包損耗和磁芯損耗線包損耗（不考慮趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)）RP：原邊線包的