35.100KW储能逆变器损耗计算及热仿真

0 CCEss 2 1 Pdtttitv tirVv CCECECE 0 第一章第一章 IGBT FF450R12ME4 功率损耗计算功率损耗计算 一个 IGBT 模块包括一个 IGBT 和一个并联二极管 IGBT 的损耗包括 通态损耗和开关损耗 二极管的损耗包括通态损耗和关断损耗 本文分别对这 四种损耗给出了计算公式并作了推导 然后再根据实际的实验所得的电流 电 压相关参数以及 IGBTFF450R12ME4 技术参数计算出了该型号 IGBT 的功率损 耗 1 IGBT 本身损耗计算 1 1 单个单个 IGBT 通态损耗通态损耗 因为单个 IGBT 模块只负责正半周波 或负半周波 电流流过 所以单个 IGBT 的通态损耗为 1 式中 端电压 电流 占空比 CE v C i t 与是非线性关系 这正是 IGBT 损耗难以精确计算的根源之一 CE v C i 与的典型曲线如图 1 所示 将与之间的关系用直线近似 则 CE v C i 2 式中 门槛电压 0CE V IGBT 通态等效电阻 可通过厂家提供的与的曲线 CE r CE v C i 获得 图 1 与的典型曲线图 CE v C i 2 sinM1 t t tIti CPC sin tVtv PCE sin 2 0 3 cos 8 1 8 cos 2 1 CPCECPCEss Ir M IV M P 0025 0 450 13 1 CE r A192 CP I V75 0 0 CE V 1cos 2 1920025 0 14 3 3 866 0 8 1 19275 0 8 866 0 14 32 1 ss P 占空比如下式所示 3 式中 M 调制比 电压电流相位差 设电流的时域表达式为 4 式中 电流峰值 CP I 则电压的时域表达式为 5 式中 电压峰值 P V 将 2 3 4 5 式依次代入 1 式 可得单个 IGBT 的通态损耗公式 为 6 根据 FF450R12ME4 数据手册以及实验平台所需的数据如下 M 0 866 故 单个 IGBT 的通态损耗为 W 5 5899 1948 38 ss P 1 2 单个单个 IGBT 开关损耗开关损耗 设开关频率为 则半个周期内单个 IGBT 模块要开通关断各次 故 SW f SW f 单个 IGBT 模块的开关损耗为 SW f n offSWonSWSW EEP 1 1 CEN dc CN CP poffSWponSWSWsw V V I I EEfP 1 KHZ10 SW f mJE ponSW 26 mJ5 55 poffSW E A192 CP I A450 CN I V645 dc V V600 CEN V W 0 119 600 645 450 192 10 5 8110 14 3 1 34 sw P 2 0 3 cos 8 1 8 cos 2 1 CPFCPFDC Ir M IV M P 式中 IGBT 开通一次损失的能量 onSW E IGBT 管段一次损失的能量 offSW E 和随电流的变化规律是非线性的 很难用解析表达式准确定量 onSW E offSW E C i 描述 厂家一般提供额定电流电压或少数几种模态下的和曲线 onSW E offSW E 经验表明 将和按线性化折算可以满足工程计算的需求 即 onSW E offSW E 式中 ponSW E 额定电流 ICN 和额定电压 VCEN 时 IGBT 开通一次损失的能量 额定电流 ICN 和额定电压 VCEN 时 IGBT 关断一次 poffSW E 损失的能量 直流母线电压 dc V 额定工作电流 CN I 额定工作电压 CEN V 根据 FF450R12ME4 数据手册以及实验平台所需的数据如下 故 2 并联二极管损耗计算 2 1 单个二极管通态损耗单个二极管通态损耗 同 IGBT 的通态损耗计算公式推导方法一致 可得出二极管的通态损耗计 算公式如下 001 0 450 42 0 F r V95 0 0 F V 2 DC 192001 0 14 3 3 866 0 8 1 19295 0 8 866 0 14 3 2 1 P W 5 1022 1 30 9 SS P CEN dc CN CP poffDiodeSWrr V V I I EfP 1 mJ5 48 CN Irec E W 2 123 600 645 55 0 450 192 45 0 105 4810 14 3 1 3 4 rr P 式中 二极管门槛电压 0F V 二极管通态等效电阻 可通过厂家提供的与的曲线获 F r F V C i 得 根据 FF450R12ME4 数据手册以及实验平台所需的数据如下 其余的数据由上节已经知道 故 2 2 单个二极管关断损耗单个二极管关断损耗 二极管的开通损耗可以忽略不计 仅计算其关断损耗 与 IGBT 的开关损耗 计算公式推导方法一样 可得出二极管的关断损耗计算公式为 式中 在额定电流和额定电压下二极管关断一次 poffDiode E CN I CEN V 损失的能量 因为在手册中不能查到的具体值 所以我们可以近似为 poffDiode E 根据 FF450R12ME4 数据手册所得 其余的数据由上节已经知道 故 CEN dc CN CP Irecswrr V V I I EfP CN 55 0 45 0 1 rrDCSWSSA PPPPP W3112 123 5 100 119 5 58 A P 3 一个 IGBT 模块的总损耗 根据以上原理及计算所得的结果可知 一个单独的 IGBTFF450R12ME4 模块的总损耗为 第二章第二章 功率模块热仿真功率模块热仿真 1 IGBT 模块每个功率 311W 散热器 290 200 82 西竹型 风扇为 80 80 38 每个风量为 102CFM 仿真结果如下 2 IGBT 模块每个功率 622W 散热器 290 200 82 西竹型 风扇为 80 80 38 每个风量为 189CFM 仿真结果如下 3 IGBT 模块每个功率 622W 散热器 290 200 82 插片型 风扇为 80 80 38 每个风量为 102CFM 仿真结果如下 4 IGBT 模块每个功率 622W 散热器 290 200 82 插片型 插片更加密集 风扇