基于IGBT选型的整流器、逆变器损耗计算新方法研究

随着“双碳”概念深入人心,为满足企业对于节能减排、绿色发展的要求,以1 140 V/75 kW变频调速系统为研究对象,提出一种新颖的整流器和逆变器IGBT计算损耗方法,用于IGBT的选择和电力电子散热装置的设计。在实现过程中,考虑栅极驱动电阻和直流母线电压对损耗的影响,给出IGBT的导通损耗、总开关损耗、效率和结温的分析方法。基于IGBT损耗与结温的相互作用,得出IGBT结温曲线。并对IGBT进行了选择校核,仿真及实验验证了所提方案的正确性。     

基于开关周期的IGBT模块功率损耗和结温计算

<正>为计算逆变器IGBT模块功率损耗和结温,通过分析逆变器中IGBT模块的工作方式,建立了基于开关周期平均功率损耗的IGBT模块电热耦合模型。该模型以IGBT开关周期为基本单位,结合IGBT功率损耗计算方法,通过分析每个开关周期     

IGBT损耗和温度估算

为获得绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在工作过程中准确的功率损耗,基于数学模型及测试,建立了一种准确计算功率逆变器损耗模型的方法。通过双脉冲测试对影响IGBT开关损耗的参数(E_on、E_off和E_rec)进行准确测量,建立了一种通用的功率器件导通损耗和开关损耗模型。在考虑IGBT芯片间热偶合影响基础上提出了一种结温估算数学模型。搭建三相电感结温测试平台,通过结温试验验证了IGBT模块损耗模型和结温预估算型准确性。该损耗模型及结温估算的方法对于提高功率模块可靠性及降低成本具有较大工程实际意义。     

SPWM模式下逆变器中IGBT结温的快速评估方法

为了提高采用正弦脉冲宽度调制(SPWM)方式的逆变器中绝缘栅双极晶体管(IGBT)结温的仿真计算速度,采用高斯赛德尔迭代法对IGBT结温计算进行了研究。分析了开关周期的结温计算方法,然后使用迭代算法计算了工频周期的结温,并且将该计算方法与利用电热耦合模型仿真得出的结温和利用光纤测量实验得到的结温进行对比。结果表明:在保证精度的同时,同样是获取40 s时间的结温,仿真大约需要15 min时间,而结温迭代算法只需要20 s时间,其计算速度要比仿真快将近50倍。结温迭代法计算速度的提高,满足了逆变器中IGBT模块长期结温评估的要求,对于完成IGBT的寿命预测具有重要意义。     

基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因,计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况,首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型,然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型,进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型,最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明,由于IGBT和FWD处于开关状态,两者的结温波形均呈波动形状,且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值,所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态;由于IGBT的开关损耗比FWD大,使得IGBT结温受开关频率的影响较大。     

三相电压源逆变器内部IGBT模块温度的求解及评估

三相电压源逆变器的工作性能、使用寿命等方面均与其内部绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块温度直接相关,故求解及评估该逆变器中IGBT模块的温度对于确保逆变器系统的安全可靠运行具有重要意义。针对现有模型及方法难以求解IGBT模块温度的问题,本文借鉴直接法的思想,提出了一种新的简单实用的IGBT模块温度求解算法。基于拟合及插值算法,推导并建立了IGBT模块功率损耗模型;基于电热比拟理论,探讨并建立了集中参数的IGBT模块等效Cauer传热网络模型,并将传热微分方程差分化;最终,在同一电路仿真器中构建出IGBT模块温度的求解算法。在三相电压源逆变器的算例中,通过与英飞凌IPOSIM的温度计算结果对比,表明本文算法最大误差为3.01%,且温度变化趋势与IPOSIM基本一致,最后利用该算法评估了逆变器在不同负载工况下的IGBT模块温度,所得结果可为合理地进行三相电压源逆变器的散热设计、长期可靠性评估等服务。     

基于格林函数的逆变器IGBT实时温升建模

车用电驱动系统的逆变器通常工作于复杂工况,因此需要对其瞬态结温进行实时预测.基于格林函数方法,在形式上推导出逆变器的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)瞬时温升的解析模型,并采用数值仿真的方法,拟合得到模型所需的单位温度冷却函数和单位阶跃响应函数.最后通过电驱动系统逆变器IGBT结温试验,验证了该模型的有效性.所提模型兼具数值仿真方法的精确度以及解析模型的计算效率,因此适用于逆变器IGBT实时温升预测和热管理.     

光伏逆变器实时能效分析

讨论光伏逆变器系统的能量损耗,从机理角度研究了系统中各部分损耗来源,给出了计算方法及其在逆变器实时损耗分析中的应用。首先介绍了常用三相光伏逆变器的基本结构,从其结构可以看出,可能的损耗来源是IGBT、反向二极管、直流侧电容、LCL滤波器、升压变压器、控制电路及冷却系统等。其次,对各部分损耗来源进行了分析,并给出了一套简单精确的计算方案,用于实时计算逆交器损耗。最后,通过实验和仿真评估了计算方案的精确性和实时性,并根据光伏系统的光照度、温度曲线计算了逆变器各部分日损耗曲线。本文提出的计算方法为逆变器的设计提供了一定的依据。     

高功率密度电机控制器的IGBT模块损耗及结温计算

为设计可靠性高的高功率密度电机控制器,计算绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的损耗和结温至关重要。以某电动汽车用高功率密度电机控制器为研究对象,分析了利用数据手册计算IGBT模块损耗和结温的方法,利用FLUENT软件计算出实际冷却水温度下的热阻值,解决了数据手册中热性能数据不完善的问题。基于Matlab软件的M语言开发了损耗及结温计算程序,可以计算出不同工况下的损耗和结温等重要参数,为电机控制器的热设计提供指导。     

MMC阀子模块IGBT损耗与结温计算

模块化多电平整流器(modular multilevel converter,MMC)子模块具有承受高电压、大电流等特点,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)又是子模块的关键器件,而IGBT的损耗和结温计算方法决定IGBT的热设计和选型,是影响其在MMC工程应用的关键因素。文中首先对MMC稳态运行时子模块承受的应力进行了分析,其次,结合通态电流、子模块的投切和结温估算模型,设计了一种IGBT损耗和结温的计算方法,最后在搭建的试验系统中进行验证,结果证明了所给出的计算方法有效可行。     

模块化多电平换流阀IGBT器件功率损耗计算与结温探测

半桥子模块是柔性直流输电系统中模块化多电平换流阀(MMC)的核心单元,根据运行工况参数计算半桥子模块器件的功率损耗是进行绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块结温探测的关键,准确的结温波动信息对MMC换流阀系统的可靠性研究和安全运行尤为重要。与一般的两电平逆变器不同,MMC系统中桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性。该文提出了一种基于电热耦合模型的半桥子模块中IGBT器件功率损耗与瞬态结温计算的数学解析方法。首先研究半桥子模块中各导通器件电流复现方法,建立基于开关周期的平均功率损耗计算模型,基于瞬态热阻抗建立半桥子模块中IGBT器件的热网络模型;然后通过一个2MW的柔性直流输电系统算例,计算子模块中上下管开关器件的功率损耗和瞬态结温变化,计算速度是时域仿真模型的1 000倍;最后通过有限元模型验证了文中所提电热耦合模型的有效性。     

基于矢量控制的光伏逆变器IGBT损耗计算

为精确计算光伏逆变器的IGBT损耗,指导系统热设计,提出了一种IGBT损耗精确计算的实用方法。以可视化的工程计算工具MathCAD为载体,基于SVPWM矢量控制原理,建立了光伏逆变器IGBT实际工作的动态电流函数,并以该电流函数为核心,建立了IGBT损耗、反并联二极管损耗与电路中电流、电压等强相关参数的准确模型,通过编辑IGBT通态饱和压降与电流的函数;IGBT开、关损耗与电流及工作电压的函数;反并联二极管通态压降与电流的函数;反并联二极管反向恢复损耗与电流等的函数;利用积分及线性插值函数求和的形式计算出IGBT及其反并联二极管的损耗。利用该精确方法与传统的经验公式分别对损耗进行计算,逆变器IGBT温升试验结果与经验公式计算结果有一定的差异,与计算方法结果完全一致。结果表明,建立在IGBT及反并联二极管实际开关动作的损耗计算,在工程上等效于真实的工况,可以精确反应IGBT的损耗。     

风电变流器IGBT模块损耗及结温的计算与分析

针对双馈风电变流器IGBT模块在交变热应力的长期作用下导致故障频发的问题,提出其损耗与结温的准确计算模型及不同工况下两者变化规律的研究。首先,建立了机侧及网侧变流器在整流或逆变模式下IGBT模块损耗及结温的计算模型;其次,对机组在不同运行工况下,其损耗和稳态结温进行分析。结果表明,随风速的增大,机侧与网侧变流器IGBT模块的损耗变化规律不同;机侧变流器IGBT模块的结温波动剧烈,尤其是在同步风速附近区域。     

大功率H桥逆变器损耗的精确计算方法及其应用

大功率H桥逆变器中广泛采用IGBT作为开关器件,传统的IGBT开关损耗计算是基于供应商提供的开关能量曲线,而该曲线上所提供的开关能量与逆变器实际运行时的数据有较大出入。为此,提出了一套完整的大功率H桥逆变器的损耗分析与精确计算方法。逆变器损耗主要包括IGBT损耗和电解电容损耗,而IGBT损耗又包括导通损耗、开通损耗、关断损耗和反向恢复损耗。给出了各类损耗的定量计算方法,并且采用了双脉冲测试方法获得实际开关能量曲线,因此计算结果更加精确。搭建了一台3.45kVA的实验样机,1kHz开关频率下满载运行时,计算损耗为218W,实测损耗为210W。实验结果验证了所提出的分析与计算方法的准确性。     

绝缘栅双极晶体管模块温度的快速求解算法

在绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的高效散热设计、变流器系统的长期可靠性评估等方面,通常需要了解IGBT模块温度,而现有模型及方法仿真耗时严重,难以实现IGBT模块温度的快速求解。针对该问题,文中借鉴直接法的思想,提出了一种新的IGBT模块温度快速求解算法。基于拟合及插值算法,推导并建立了IGBT模块功率损耗模型;基于电热比拟理论,探讨并建立了集中参数的IGBT模块等效Cauer传热网络模型,并将传热微分方程差分化;最终,在同一电路仿真器中构建出IGBT模块温度的快速求解算法。在两电平三相逆变器的算例中,通过与英飞凌IPOSIM的温度计算结果对比,表明文中算法最大误差为3.01%,且温度变化趋势与IPOSIM基本一致;通过与传统基于IGBT器件物理模型、热网络组件模型的计算时间对比,表明文中算法计算速度提高了近1 255倍。     

双馈风电机组变流器IGBT结温计算与稳态分析

针对双馈风电机组机侧变流器长期处于低频下运行导致故障率高的机理问题,提出其功率器件绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)结温准确计算方法及其变化规律的研究。首先基于不同损耗分析方法,结合IGBT热网络,建立了IGBT结温计算模型,并对一个实际IGBT在不同结温计算方法下的稳态结温进行比较。其次,结合双馈风电机组运行特性,分别建立其全范围工况下机侧变流器IGBT的结温计算模型。最后,分析了双馈风电机组在不同风速下机侧变流器IGBT稳态结温变化规律及其影响因素。结果表明,基于开关周期损耗的结温计算方法更适合较低频率运行下IGBT结温的准确计算;双馈风电用机侧变流器IGBT稳态结温波动幅值随变流器输出频率的降低而增大。     

输出频率对IGBT元件结温波动的影响

为分析输出频率对结温波动的影响,开发了基于模型降阶方法的程序,运用该程序对IGBT元件的热模型进行了计算,将得到的温度计算结果与ANSYS稳态计算结果进行比较,结果的一致性证明该方法是有效的。在此基础上,利用该程序计算得到了不同输出频率下IGBT元件的结温波动曲线。通过瞬态温度与基于平均损耗计算的稳定温度对比可知:1 Hz输出频率时半正弦波损耗产生的温度波动范围为-7.2%~7.6%,方波损耗产生的温度波动范围为-3.9%~6.5%,输出频率对温度波动的影响显著;50 Hz输出频率时对温度波动的影响较小,可以忽略;半正弦波损耗产生的温度波动大于方波损耗。分析结果可为IGBT元件瞬态温度计算提供参考,基于模型降阶的程序可以进一步运用于其他电力电子器件瞬态温度的计算。     

计及热阻与发射极电感匹配的并联IGBT芯片稳态结温均衡方法

在大量芯片并联的IGBT器件内部,热阻和发射极寄生电感是决定芯片稳态结温分布的关键参数。因此,合理设计芯片并联支路的热阻和发射极寄生电感,对均衡并联芯片的稳态结温非常重要。为此,该文首先建立两IGBT并联芯片的电热模型,研究并联IGBT芯片动态损耗与结温、发射极寄生电感之间的规律。并通过瞬态电热耦合计算,研究热阻和发射极寄生电感对并联芯片结温分布的影响。在此基础上,提出计及热阻与发射极电感匹配的并联IGBT芯片稳态结温均衡方法,可通过联立方程得到热阻或发射极寄生电感的参考值,从而避免复杂的电热瞬态计算。最后以两IGBT并联芯片为例,给出不同工作频率下并联芯片的稳态结温,表明了该文所提稳态结温均衡方法的有效性。     

MMC-HVDC系统功率器件的结温估算研究

柔性直流输电系统采用模块化多电平结构,包含数量庞大的半桥功率模块,此处提出了一种功率模块器件的损耗与结温估算方法.首先研究了半桥功率模块的功率损耗计算方法,并根据功率模块内含绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、二极管、散热器的布局,建立功率器件级的热阻模型.然后,由于IGBT为密封器件,无法直接测量器件内部温度,通过测量与之压接相连散热器的表面壳温来间接推导器件结温.最后,开展了功率模块的加载实验工作,所述结温估算方法的仿真与实验结果基本一致.     

T型三电平逆变器功率器件结温控制研究

三电平逆变器系统中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的结温及其幅值变化直接影响器件热失效等可靠性问题。以T型三电平逆变器为对象,结合IGBT的开关损耗模型及结温热模型,推导出其开关损耗、结温与开关频率之间的定量关系。提出采用多重化结构对逆变系统中T型三电平逆变器拓扑进行重构,在不影响系统输出性能的前提下有效地降低了功率器件的开关损耗和结温,提高系统的可靠性。仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。