創(chuàng)統(tǒng)科技研發(fā)試驗(yàn)室測(cè)試在同一IGBT模塊內(nèi)封裝的IGBT器件和續(xù)流二極管主要工作的開關(guān)狀態(tài),在每個(gè)開關(guān)狀態(tài)中,都會(huì)產(chǎn)生一部分熱損耗。這些損耗相加,即為開關(guān)器件的總損耗。IGBT和二極管損耗包括通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。由于變流器結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的,各相IGBT模塊的電流和電壓曲線的形狀是相同的,兩者相互間僅存在一個(gè)固定的相位差。因此,只要對(duì)一個(gè)IGBT和一個(gè)二極管進(jìn)行分析,再將結(jié)果乘以變流器中相應(yīng)的IGBT和二極管數(shù)量就可以得到變流器的總功耗。
在兆瓦級(jí)變流器中,為了降低功耗,常采用不高于5kHz的開關(guān)頻率,且隨著功率增加,開關(guān)頻率進(jìn)一步降低,據(jù)此在功耗計(jì)算時(shí),可以忽略開關(guān)時(shí)間和為保護(hù)模塊而額外增加的死區(qū)時(shí)間。為了保證輸出波形質(zhì)量,IGBT模塊通常工作在線性調(diào)制區(qū)間,且系統(tǒng)穩(wěn)定后結(jié)溫不隨時(shí)間變化。
在此前提下,IGBT飽和電壓VCEsat隨時(shí)間變化的表達(dá)式為:
其中VCE0為輸出電壓在io=0時(shí)的開啟電壓,rCE為IGBT的通態(tài)電阻(輸出特性的斜率),i0為流過器件電流。
二極管正向通態(tài)電壓VF隨時(shí)間變化的表達(dá)式為:
其中VF0為輸出電壓在i0=0時(shí)的開啟電壓,rF為二極管的通態(tài)電阻(輸出特性的斜率)。
考慮到占空比與時(shí)間之間的正弦關(guān)系,IGBT的通態(tài)損耗可由下式計(jì)算出:
IGBT的開關(guān)損耗是指其在開通和關(guān)斷過渡過程中的功率損耗。得到開關(guān)損耗最精確的方法是測(cè)量在開關(guān)過程中i0和VCE的波形,對(duì)其進(jìn)行時(shí)間積分。
因?yàn)殚_關(guān)能耗和集電極電流之間存在著線性關(guān)系,且在一個(gè)電流周期的正弦半波內(nèi),IGBT的開關(guān)損耗可以用一個(gè)相應(yīng)的直流電流所產(chǎn)生的開關(guān)損耗來等效,這個(gè)直流電流實(shí)質(zhì)上是該正弦半波的平均值。則IGBT的總開關(guān)損耗可以根據(jù)這一簡(jiǎn)化來由下式計(jì)算:
式中,fs為開關(guān)頻率,Eon_Tr為IGBT額定狀態(tài)下的單脈沖開通損耗,Eoff_Tr為IGBT額定狀態(tài)下的單脈沖關(guān)斷損耗。相應(yīng)地,二極管的總開關(guān)損耗可表示為:
Eoff_D為二極管額定狀態(tài)下的單脈沖關(guān)斷損耗。
三相半橋變流器IGBT模塊總損耗為:
其中,n為每相并聯(lián)的IGBT模塊數(shù)量。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算所需參數(shù)除開關(guān)頻率和輸出電流外都可從相應(yīng)模塊參數(shù)表中找到。通過式可知,IGBT損耗影響因素除了器件本身參數(shù)外,在變流器系統(tǒng)功率一定的情況下,主要取決于IGBT器件開關(guān)頻率,為了減少損耗,需要采用優(yōu)化的開關(guān)方式以減少開關(guān)次數(shù)。該計(jì)算方法和變流器工作狀態(tài)是整流或逆變無關(guān)。