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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，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：IGBT Q1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（600V IGBT为300V，1200V IGBT为600V，1700V IGBT为900V，3300V IGBT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 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)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 IGBT模块损耗计算(三电平)工作方式1（io0且vo0）IGBT模块损耗计算(三电平)工作方式2（io0且vo0）IGBT模块损耗计算(三电平)工作方式3（io0且vo0）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)IGBT T1电流波形 红色：输出对母线中点电压 青色：输出电流 蓝色：IGBT T1电流IGBT模块损耗计算(三电平)IGBT T2电流波形 红色：输出对母线中点电压 青色：输出电流 蓝色：IGBT T2电流IGBT模块损耗计算(三电平)IGBT T3电流波形 红色：输出对母线中点电压 青色：输出电流 蓝色：IGBT T3电流IGBT模块损耗计算(三电平)IGBT T4电流波形 红色：输出对母线中点电压 青色：输出电流 蓝色：IGBT T4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)IGBT T1占空比计算 IGBT T1只在io0且vo0时有电流流过，设IGBT T1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IGBT T1相同，即 IGBT模块损耗计算(三电平)IGBT T4占空比计算 IGBT T4只在io0且vo0且vo0时一直开关工作，在vo0时与IGBT T1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)IGBT T2占空比计算 IGBT T2在IGBT T1工作时一直导通，在二极管D3、D4工作时与D3、D4互补导通，占空比为IGBT T3占空比计算 IGBT T3在IGBT T4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)IGBT T1、T4通态损耗计算 IGBT模块损耗计算(三电平)IGBT T2、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 IGBT T1、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）频率(Hz)50/601203001k10k系数kf0.711.11.31.4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=1,10）倍的电源频率。电解电容损耗计算计算实例 380V 55kW机型使用5600uF 400V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 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 f(Hz)300600IC(f)(A)363.6kf1.11.1IC(n)(A)32.73.3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：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：类型牌号测试频率测试磁感应强度无取向硅钢片新：厚度值的100倍+代号+铁损值的100倍旧：代号+铁损值的100倍-厚度值的100倍50/60Hz1.5T取向硅钢片50/60Hz1.7T类型牌号W/kg厚度无取向硅钢片50W470（DW470-50）4.7W/kg0.5mm取向硅钢片30Q130（DQ130-30）1.3W/kg0.3mm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 380V 37kW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900 mm2，匝数20，铁芯体积5.27410-4 m3，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 Rds on：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 Vds：MOS管两端电压 Lm：原边电感量 Np：原边匝数 D：占空比 Vf(1)：主反馈整流二极管正向压降 Ns(1)：主反馈副边匝数反激电源MOS管损耗计算MOS管通态损耗 断续模式：连续模式：反激电源MOS管损耗计算MOS管开关损耗 反激电源MOS管损耗计算MOS管开关损耗 开通损耗：包括开通过程中电压电流重叠引起的损耗和MOS管输出电容Coss能量通过MOS管泄放引起的损耗。由于开通时MOS管的电流较小(断续模式时电流为0)，一般只计算Coss能量泄放损耗。关断损耗：只计算密勒平台期间的损耗，设密勒电容电荷为Qgd，MOS管驱动电阻为Rg。反激电源MOS管损耗计算MOS管驱动损耗 Qg：门极总电荷 反激电源变压器损耗计算反激变压器损耗包含线包损耗和磁芯损耗线包损耗（不考虑趋肤效应和邻近效应）RP：原边线包的直流电阻 Ids：原边线包电流有效值 Rs(n)：副边线包的直流电阻，n=1，2，3，Is(n)：副边线包电流有效值，n=1，2，3，磁芯损耗 Pcore：磁芯损耗密度 Ve：磁芯体积 反激电源变压器损耗计算变压器线包损耗 线包电流有效值计算 原边电流有效值与MOS管电流有效值相同，副边电流有效值为 ks(n)：副边输出功率百分比 Vo(n)：副边输出电压 Vf(n)：副边输出整流二极管正向压降 VRO：反激期间副边反馈到原边的电压 Ps(n)：副边输出功率 反激电源变压器损耗计算变压器磁芯损耗 磁芯磁感应强度变化量 Ae：磁芯截面积 通过B和fs查磁芯损耗曲线获得磁芯损耗密度Pcore，乘以磁芯体积即为变压器磁芯损耗。反激电源变压器损耗计算变压器磁芯损耗 磁芯磁感应强度变化量 Ae：磁芯截面积 通过B和fs查磁芯损耗曲线获得磁芯损耗密度Pcore，乘以磁芯体积即为变压器磁芯损耗。反激电源整流二极管损耗计算整流二极管损耗构成 整流二极管损耗包括通态损耗和反向恢复损耗。对于低电压输出的反激电源，反向恢复损耗较小，可以忽略。通态损耗计算公式 IF(AV)：二极管正向电流的平均值，等于电源输出电流平均值Io(AV)VF：二极管正向压降 反激电源MOS管和变压器损耗计算反激电源MOS、变压器和整流二极管损耗计算实例
