創統科技研發試驗室測試在同一IGBT模塊內封裝的IGBT器件和續流二極管主要工作的開關狀態,在每個開關狀態中,都會產生一部分熱損耗。這些損耗相加,即為開關器件的總損耗。IGBT和二極管損耗包括通態損耗和開關損耗。由于變流器結構是對稱的,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固定的相位差。因此,只要對一個IGBT和一個二極管進行分析,再將結果乘以變流器中相應的IGBT和二極管數量就可以得到變流器的總功耗。
在兆瓦級變流器中,為了降低功耗,常采用不高于5kHz的開關頻率,且隨著功率增加,開關頻率進一步降低,據此在功耗計算時,可以忽略開關時間和為保護模塊而額外增加的死區時間。為了保證輸出波形質量,IGBT模塊通常工作在線性調制區間,且系統穩定后結溫不隨時間變化。
在此前提下,IGBT飽和電壓VCEsat隨時間變化的表達式為:
其中VCE0為輸出電壓在io=0時的開啟電壓,rCE為IGBT的通態電阻(輸出特性的斜率),i0為流過器件電流。
二極管正向通態電壓VF隨時間變化的表達式為:
其中VF0為輸出電壓在i0=0時的開啟電壓,rF為二極管的通態電阻(輸出特性的斜率)。
考慮到占空比與時間之間的正弦關系,IGBT的通態損耗可由下式計算出:
IGBT的開關損耗是指其在開通和關斷過渡過程中的功率損耗。得到開關損耗最精確的方法是測量在開關過程中i0和VCE的波形,對其進行時間積分。
因為開關能耗和集電極電流之間存在著線性關系,且在一個電流周期的正弦半波內,IGBT的開關損耗可以用一個相應的直流電流所產生的開關損耗來等效,這個直流電流實質上是該正弦半波的平均值。則IGBT的總開關損耗可以根據這一簡化來由下式計算:
式中,fs為開關頻率,Eon_Tr為IGBT額定狀態下的單脈沖開通損耗,Eoff_Tr為IGBT額定狀態下的單脈沖關斷損耗。相應地,二極管的總開關損耗可表示為:
Eoff_D為二極管額定狀態下的單脈沖關斷損耗。
三相半橋變流器IGBT模塊總損耗為:
其中,n為每相并聯的IGBT模塊數量。該方法的最大優點是計算所需參數除開關頻率和輸出電流外都可從相應模塊參數表中找到。通過式可知,IGBT損耗影響因素除了器件本身參數外,在變流器系統功率一定的情況下,主要取決于IGBT器件開關頻率,為了減少損耗,需要采用優化的開關方式以減少開關次數。該計算方法和變流器工作狀態是整流或逆變無關。