变频器逆变端的损耗估算
逆变器IGBT损耗计算及冷却装置设计_白保东
1 T
0 VF (t ) I F (t ) DD (t )dt
T
（ 4）
1 = T
式中，VF( t)为 Diode 导通压降；I F( t)为流过 Diode （ 1） 的电流； D D (t) 为 Diode 占空比。 2.4 Diode 的关断损耗 与二极管的开通损耗相比，关断损耗要比其
最后得到占空比 D( t) 函数可表示为
从式（ 5 ）可以看出，二极管的反向恢复损耗 与门极开通电阻呈现反比例关系。其中，
0 D(t ) 1 DA (t )
DA (t )Tsw Tsp DA (t )Tsw Tsp 其他
（ 10）
Erec ( Rgon_Test) 为产品测试时 IGBT 额定电流时门极
63sin23sin2dtmtdtmt????????????????令dutdt有7uvw13221322dtdtdtdtdtdtdtdt??????????????对式7取最大值与最小值有8????maxuvwminuvwmaxminddtdtdtddtdtdt???????令9maxmintemptempua3213dddtdtdtdt?????????????最后得到占空比dt函数可表示为10aswspaswspa01dtttdtdtttdt?????????他他式中tsw为开关周期
国家自然科学基金（ 51277122 ），教育部博士点基金（ 20122102 130001 ），教育部创新团队（ IRT1072 ）和辽宁省教育厅创新团队 项目（ 2207T123 ）资助项目。 收稿日期 2012-09-13 改稿日期 2013-03-21
1
引言
变频器供电交流电动机的损耗、 确定各负载点损耗和效率的范例
=0.0032×5 500=18
=42/(42+18)=70.3%
=1 400/3 000=0.4667
=5/17.5=0.2856
0.0182
=0.0182×5 500=100
=733/(733+100)=88.0%
=2 800/3 000=0.9333
=1/17.5=0.8568
0.0747
=0.00747×5 500=411
c） 总绕组损耗按公式（A.3）计算
2
2
LSR (，) = LS (N ，N ) ∙ [( 0 ) + (1 − ( 0 ) ) ∙ 2 ] + LR (N ，N ) ∙ 2 ··············· (A.3)
N
N
A.3 铁耗 PLfe
铁耗可分为两部分，可按公式（A.4）计算：
额定转速（r/min）
cfw
（1-cfw）
3 000至3 600
0.7
0.3
1 500至1 800
0.5
0.5
1 000至1 200
0.3
0.7
＜1 000
0.2
0.8
当电动机带有辅助风扇（IC 416）时，风耗是固定的，与转速无关。风耗可以由风扇电机的输出功
率和效率来计算。
Lfw (，) = Lfw ∙ Lfw (N ，N ) ∙ + (1 − Lfw ) ∙ Lfw (N ，N ) ∙ 3 ··················· (A.6)
运行点7（750 r/min、4.38 Nm）
P7
69
=69/5 500=0.01255
变频器功率器件损耗计算优质课件专业知识讲座
• 整流二极管的平均电流计算
直流电流平均值
Idc( AVG)
Po Vdc
IF AVG
=
Idc
(AVG
3
)
• 整流二极管的电流有效值计算
IF RMS =
Po 6Vin ∙ PFin
PFin为输入功率因数
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变频器主电路
Lin
Ldc
R
S
T
Lout U V W
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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
1T PD = T 0 VF(t) ∙ iF (t)dt
• 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
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
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IGBT模块损耗计算(两电平)
• IGBT通态损耗计算
1T
Pfw /T = T
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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
变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计
变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计一、本文概述随着电力电子技术的快速发展，变频器作为电能转换与控制的核心设备，在工业自动化、新能源发电、电动汽车等领域得到了广泛应用。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为变频器的关键功率器件，其性能直接影响到变频器的效率和可靠性。
IGBT模块的损耗计算和散热系统设计是变频器设计中的重要环节，对于提高变频器性能、降低运行成本、延长设备寿命具有重要意义。
本文旨在探讨变频器中IGBT模块的损耗计算方法和散热系统设计原则。
我们将分析IGBT模块的工作原理和损耗产生机制，包括通态损耗、开关损耗等。
在此基础上，我们将介绍损耗计算的数学模型和计算方法，以及如何通过实验手段验证计算结果的准确性。
我们将重点讨论散热系统的设计原则和优化方法，包括散热器结构设计、散热风扇的选择与控制、散热系统的热仿真分析等。
本文将总结一些实际应用中的经验教训，提出针对IGBT模块损耗计算和散热系统设计的优化建议，为变频器设计工程师提供有益的参考。
通过本文的研究，我们期望能够为变频器设计中的IGBT模块损耗计算和散热系统设计提供理论支持和实践指导，推动变频器技术的持续发展和应用创新。
二、IGBT模块损耗计算绝缘栅双极晶体管（IGBT）是变频器中的关键元件，其性能直接影响变频器的效率和可靠性。
IGBT模块的损耗计算是散热系统设计的基础，对于确保变频器的稳定运行具有重要意义。
IGBT模块的损耗主要包括通态损耗和开关损耗两部分。
通态损耗是指IGBT在导通状态下，由于电流通过而产生的热量损耗。
开关损耗则发生在IGBT的开通和关断过程中，由于电压和电流的乘积在时间上的积分不为零，导致能量损失。
通态损耗的计算公式为：Pcond = Icoll * Vce(sat)，其中Icoll 为集电极电流，Vce(sat)为饱和压降。
饱和压降是IGBT导通时电压降的一个重要参数，它与集电极电流、结温和门极电流等因素有关。
变频器功率器件损耗计算
vo 2V0 sin(t )
(
V
/
2
v
)
d
(
v
(
V
/
2
))(
1
d
)
dc
o
IGBT
o
dc
IGBT
1
d
1
m
sin(
t
)
IGBT
2
2V 0
m
V dc / 2
IGBT模块损耗计算(两电平)
•
IGBT通态损耗计算
Pfw
T
1
=
2π
π
0
[VCE 0 + rCE ∙ I p sin t ] ∙ I p sin t ∙
应的点(VF2,IF2)，由此可得
进一步求得
rF
VF1 VF2
IF1 IF2
V
V
r
IF1
F
0
F
1
F
IGBT模块损耗计算
Lin
Ldc
Lout
R
U
S
V
T
W
IGBT模块损耗计算
•
IGBT模块损耗构成
IGBT通态损耗：
IGBT开关损耗：
Pfw /T
1
=
T
T
0
VCE (t) ∙ iC (t)dt
1
二极管通态损耗
IGBT和二极管的开关损耗与SPWM调制相同。
2
I
I
1I
p
p
p1 2 1
2
P
浅议大功率三电平变频器损耗计算及散热分析
浅议大功率三电平变频器损耗计算及散热分析摘要：准确的算出大功率的三电平变频机的损耗，能够使变频机的散热系统得到优化。
变频器的导通和开关对温度的变化十分敏感，在进行大功率三电平变频器损耗计算的时候，一定要考虑温度变化所带来的影响。
本文重点介绍了大功率三电平变频器的导通和开关的变化方式，并且通过研究整理出了一套能够计算损耗的方法。
对一台大功率三电平变频器在逆变和整流这两种情况下进行了研究和讨论。
关键词：三电平变频器；损耗；计算大功率变频器由于采用了多变频技术，从而改善了输出性能，由于电平数量的增多，其相连的变频器的功率部件也会随之上升。
所以无论从哪一个方面看三电平变频器优势都十分明显。
变频器的数量增加，其变频器的功率部件也在不断的损耗，所以在过程中出现的散热问题，已经成为了大功率三电平变频器制作过程中，可能出现的核心问题。
1.NPC三电平变频器的开关状态问题NPC因为钳位二极管的原因，可以输出三种开关状态分别是P、O、N这三种状态。
其三种开关状态对应的开关序列和输出的电压可以参照表1所示。
从负载电流的流向能够看出，状态不同的情况下有两种不同电流通过，本文把电流流出变频器的方向看成正，流入变频器的方向是负[1]。
2.损耗计算方法VT1在同一个调制周期的内的导通损耗及开关损耗的计算方法：开关的频率比调制频率要高的时候，开关的损耗的计算方法可以用连续积分来表达，还能重新表达为：3.普遍的功率器件散热方式3.1空气中散热空气中散热是指不用任何外力来提高能量进行发热，而是不停的向周围环境散发热量，从而达到能够控制其温度的目的。
传热方式有对流、传导、辐射等等传播方式，自然对流是主要的传播方式。
对温度要求不高的耗电器件不需要其他的冷却器件，采用在空气中散热就可以[2]。
3.2风冷散热空气中散热的方式如果完全不起作用，就要借助其外力来加强空气流动，器件发出的热流传给了周围。
这种方式简单便捷，而且十分便宜，技术已经成熟，工作原理安全，是散热方式中最普遍的一种。
变频器功率器件损耗计算-2010020
2 Ip Ip Ip 1 1 2 (VF 0 rF ) m cos (VF 0 rF I p ) 2 4 8 3
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。
Vdc Ic ∙ Vnom Inom
T
T
Vdc Ic ∙ ∙ Vnom Inom
Ic用IGBT电流在一个电源周期内的平均值代替
1 Ic = 2π
π 0
Ip sinωtdωt =
Ip π
IGBT模块损耗计算(两电平)
• IGBT开关损耗计算
Psw
T
1 = fs ∙ [Eon π
T
Vnom , Inom , R G , Tj
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
Lin R S T
Ldc
Lout U V W
整流二极管损耗计算
1 1 d IGBT 1 m sin(t ) m sin[3(t )] 2 5
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 采用SVPWM调制时的损耗 IGBT通态损耗
Pfw
T
1 = 2π
π 0
变频器损耗计算及散热分析
变频器损耗计算及散热分析作者：杨斌韩飞来源：《科技风》2017年第03期摘要：变频器的损耗计算和散热，是比较重要的两项内容，分析好损耗与散热，才能保证变频器的有效性，避免增加变频器的能耗。
本文主要结合变频器运行，探讨损耗计算与散热。
关键词：变频器；损耗计算；散热随着我国经济事业的发展，能耗以及能源价格等，也得到了明显的提升，直接增加了企业的消耗成本。
基于节能降耗的思想，变频器方面，提高了对损耗计算以及散热分析的重视度，一方面研制节能降耗型的变频器，另一方面提高维护变频器的性能，延长其在行业中的使用寿命，避免变频器运行中出现安全问题。
一、变频器的系统分析（一）环境设定变频器的机箱外部，如环境温度是35℃，而空气之间的换热系数，就要设计成5W/m2·K，絮流的气流状态，速度是0.5m/s，按照变频器的系统设计，求出环境设定的数值，其中求解过程中，箱体的体系是定义的10倍，迭代求解的次数是400。
（二）建立模型变频器的损耗计算与散热分析中，构建系统化的模型，包括变频器建模、散热器建模以及风扇建模，目的是利用建模实现变频器的准确研究[ 1 ]。
例如：变频器的系统建模，会根据实际变频器的参数，输入到模型中，如变频器的底面，选用铝或铜的材料，厚度是3mm，等，在建模后，变频器的一面，必须紧紧贴着散热器，散热器的建模中，选用的是肋片结构，每个肋片的间距是7mm，根部的厚度，保持在15mm，可使用的规格为675.6mm×652mm×73mm。
（三）划分网格变频器系统中，通过网格规划，研究散热器与热源的关系，可以使用粗糙网格的方式，规划好变频器系统中对应的网格，加强整体网格划分后的分布与控制情况，规避网格划分中潜在的误差，进而优化变频器的系统研究。
二、变频器的损耗计算变频器损耗计算时，需要建立相关的损耗模型，根据变频器的各个开关，构建复杂的数学模型，期间涉及到大规模的计算量[ 2 ]。
大功率三电平变频器损耗计算及散热分析
2011年2月电工技术学报Vol.26 No. 2 第26卷第2期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2011大功率三电平变频器损耗计算及散热分析景巍谭国俊叶宗彬（中国矿业大学信息与电气工程学院徐州 221008）摘要准确计算功率器件损耗可优化变频器的散热设计。
功率器件的导通和开关特性对温度比较敏感，损耗计算必须考虑结温的影响。
本文分析了中点钳位式（NPC）三电平变频器功率器件导通和开关规律，在此基础上建立了一套实用的损耗计算方法。
通过热阻等效电路计算了功率器件的结温。
对一台1MVA NPC三电平变频器在逆变和整流两种典型工况下进行了试验分析，采用红外热成像仪对功率器件的温度进行测量，计算和测量结果误差率在5%以内，验证了损耗计算的准确性。
关键词：三电平变频器 IGBT模块损耗结温散热热阻中图分类号：TM464Losses Calculation and Heat Dissipation Analysis ofHigh-Power Three-Level ConvertersJing Wei Tan Guojun Ye Zongbin（China University of Mining and Technology Xuzhou 221008 China）Abstract Thermal design of the converter can be optimized if the power losses are precisely known. The device’s conduction and switching characteristics are very sensitive to the temperatures, so the influence of junction temperatures must be taken into consideration when calculating the power losses. In this paper, a practical loss calculation method is derived based on the analysis of the conduction and switching principles of the neutral point clamping three-level converters. Using thermal resistance equivalent circuit, the devices junction temperatures are acquired. An 1MVA NPC converter is tested in inverter and rectifier operating modes, and the infrared thermal imager is used to measure the devices temperatures. The error rates between measured and calculated temperatures are within 5% range and thus the validity of the loss calculation method is verified.Keywords：Three-level converter, IGBT module, loss, junction temperature, heat dissipation, thermal resistance1引言大功率变频器采用多电平技术可有效地降低变频器输出电压的谐波成分，改善其输出性能[1]。
交流电动机传动用电压源逆变器损耗的分析
交流电动机传动用电压源逆变器损耗的分析工业变频器/电压源逆变器/功率器件功耗/调制算法1引言三相交流供电的工业变频器在各行各业都得到了广泛的应用，带来了巨大的经济效益和社会效益，变频调速技术始终是电力电子变换技术的一个重要方面。
变频器设计涉及多个重要方面，其中包含散热处理，散热处理的好坏直接影响着安全运行。
由于实际采用的功率开关器件并非理想器件，必然存在着通态损耗和开关损耗，引起器件发热，因此变频器设计时必须考虑功率损耗的存在，以便设计合理的散热技术，减少热处理成本和提高运行可靠性。
目前工业变频器功率开关阵列包括整流器和逆变器，前者包括二极管整流器、电压源整流器和电流源整流器，后者主要包括电压源逆变器。
决定整流器损耗大小因素非常多：整流器型式、输入功率因数、调制算法、负载轻重和甚至电路参数设置等因素，决定逆变器损耗大小因素非常多：逆变器型式、输出功率因数、调制算法、负载轻重等因素。
本文在分析几种常用调制算法基础上，推导出几种逆变器调制策略功率损耗的计算公式，进行仿真分析，并以22kW工业变频器为例进行初步模拟计算。
2电压源逆变器功率损耗的分析功能最全面的、三相交流供电的交直交变频器的功率电路如图1所示，图1中发热开关器件主要包括不控整流桥二极管、制动器IGBT、和逆变器IGBT和续流二极管FWD。
整流桥的损耗与二极管的导通角、通过电流波形、负载大小、二极管的开关特性、电解电容容量等因素有关，逆变器的损耗与负载大小、负载特性、IGBT与续流二极管的开关特性、开关频率和调制算法等因素有关。
鉴于整流桥的损耗为不可控，因此本文只关心逆变器的损耗。
分析时忽略输出LC滤波器存在，认为逆变器输出交流电流为正弦波型。
忽略断态损耗后，IGBT的损耗主要包括通态损耗、开通损耗、关断损耗。
续流二极管的损耗主要包括通态损耗、关断损耗。
图1 三相不控整流器-电压源逆变器-异步电动机传统系统此外，还有IGBT的驱动损耗。
驱动损耗计算公式为=[(+Ugs)+(-Ugs)]Qg．fc （1）式中Q g表示全部栅极电荷，可以查阅IGBT参数，f c表示开关频率，+U gs表示开通驱动电压，-U gs表示关断驱动电压。
电动汽车逆变器功率损耗计算
电动汽车逆变器功率损耗计算【摘要】针对目前电动汽车电机驱动系统中广泛使用的逆变器，提出一种在不同功率因数角范围内的逆变器中绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和续流二级管的导通功率损耗的计算方法。
该文是对论文[1]中提出的计算公式的补充，能更精确的计算IGBT以及续流二极管上功率的损失。
该方法是基于目前电机控制中普遍运用的空间电压矢量调制（SVPWM）7段式的方法计算得出的，最终推导出了在不同的功率因数角范围内逆变器中IGBT和续流二级管上的导通功率损耗的计算表达式。
本文给出的计算表达式可以为设计合适的散热装置提供一定的数学理论基础。
【关键词】逆变器;IGBT;续流二级管;空间电压矢量调制;功率因数角1.前言在逆变器中，其功率损耗主要出现在绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和续流二级管上。
IGBT具有驱动功率低，工作频率高，通态电流大和通态电阻小等优点，已成为当前电力电子装置中的主导器件，因此也成为学者研究的热点。
当前，对IGBT/DIODE功率损耗研究的方法主要分为基于物理结构的损耗模型和基于数学方法的损耗模型。
通过物理结构计算IGBT功率损耗时，需要通过分析IGBT/DIODE的物理结构和内部载流子的工作情况，采用电容，电阻，电感，电流源，电压源等一些相对简单的元件模拟出IGBT/DIODE的特性。
这种损耗模型的准确程度取决于器件物理模型的准确程度，因此实现起来非常困难。
相反，通过数学模型的IGBT/DIODE功率损耗模型则是利用相关实验数据，推导出电流，电压与IGBT自身参数之间的数学关系，该方法易于实现且通用较强。
在已有的论文中，也有类似的功率损耗计算，但表达式不够精准，且没有在常见的功率因数角范围内分段推导得出。
本文推导了SVPWM 7段调制情况下，在不同的功率因数角范围内，逆变器中IGBT和续流二级管的导通功率损耗公式。
2.逆变器的功率损耗模型逆变器的功率损耗主要集中在IGBT和续流二极管上。
变频器节能效率评估与计算
变频不是到处可以省电，有不少场合用变频并不一定能省电。
作为电子电路，变频器本身也要耗电（约额定功率的3-5%）。
一台1.5匹的空调自身耗电算下来也有20-30W,相当于一盏长明灯. 变频器在工频下运行，具有节电功能，是事实。
但是他的前提条件是：第一,大功率并且为风机/泵类负载；第二，装置本身具有节电功能（软件支持）；第三，长期连续运行。
这是体现节电效果的三个条件。
除此之外，无所谓节不节电，没有什么意义。
变频节能什么是变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
PWM和PAM的不同点是什么PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。
PAM是英文Pulse Amplitude Modulation (脉冲幅度调制) 缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。
电压型与电流型有什么不同变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波石电感。
为什么变频器的电压与电流成比例的改变异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。
因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。
这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。
电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加；对于变频器驱动，如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？频率下降（低速）时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电流几乎不变。
采用变频器对电机影响采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样？采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同，为125%~200%)。
逆变电感损耗计算
逆变电感损耗计算
逆变电感损耗是一种电子元件，它可以将电能转换成磁能，也可以将磁能转换成电能。
它是电子设备中常用的一种元件，可以用来滤波、限流和电流检测等。
计算逆变电感损耗非常重要，因为它可以帮助设计者更好地了解电子元件的性能。
计算逆变电感损耗的方法有很多，其中最常用的是根据电感的电阻和电压来计算。
需要确定电感的电阻和电压，然后根据电阻和电压来计算损耗，最后得到损耗值。
另外，还可以根据电感的频率和电流来计算损耗，这种方法更加精确。
计算逆变电感损耗是一项重要的工作，它可以帮助电子设计者更好地了解电子元件的性能，并且可以根据电阻、电压、频率和电流等多种参数来计算损耗值，从而更好地满足电子设计的需求。
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不同於直流對直流功率轉換的操作模式，縱使在穩態的操作下逆 變三相轉換器的功率開關的在每一載頻的切換週期並不像直流對直 流功率轉換一樣維持恆定，而是隨調制方式與調制頻率的不同而發不 同。所以除了導通損耗無法只利用一次開關切換週期的平均來求得， 切換損失也會在同一完整的調製週期隨著電流的變化而產生不同的 交疊，所以我們必須將計算的公式加以確立。圖3一個開關組在弦波 調制下，流經IGBT和FWD的示意圖。
逆變轉換器中開關元件功率損耗計算的探討
戴志展 國立台灣科技大學電機工程研究所 Starpower Semiconductor
摘要 不同於直流對直流功率轉換器的功率損耗計算，逆變轉換器中功 率開關導通的時間在連續的切換週期內並不會維持恆定，所以除了導 通損耗無法只利用一次開關切換週期的平均來求得外，切換損失也會 隨著電流的變化而變化。如果進一步將半導體的溫度與因封裝所引入 的雜散效應產生的影響也一併考慮進來，則計算的工作量就會變得非 常的龐大甚至無法處理，所以適度的假設來簡化計算公式為探討這一 方面文獻慣用的技巧。 但不適切的假設與簡化有時會讓計算的結果偏離實際的情況很 遠進而造成錯判。所以此篇報告針對目前計算導通損耗的三種近似方 法進行了探討，同時簡單的說明了利用比例法的方式來推估切換損耗 所必須注意的事項，希望能提供設計者對逆變轉換器中開關元件的功 耗估算有比較清晰的認知。 一、前言 因為系統設計者很難在設計的開始即可掌握所有的材料特性與 系統參數，所以對一個馬達驅動器的設計而言，粗略界定功率開關元 件的電壓與電流額定是電力電路設計的第一步，之後引用足夠精確的 損 耗 的 估測 方法 後 結 合 熱模 擬分析 來 界 定功 率開關 的 截 面溫 度 (Junction temperature)是否在安全工作範圍是最常見的做法 。 所以估測 功率元件的損耗便成為一個系統設計中很重要但其實也是很難掌握 的課題之一。 因為複雜所以有很多的公式充斥其中，在估測公式的推導中比較 容易被有心或無意遺漏的條件是溫度與雜散電感效應的影響。理由是 雖然大家都知道半導體的導通或切換的特性與與電子和電洞的遷移 率有很大的關係，而在材料與製程確定後，溫度則會成為影響遷移率 的關鍵因子之一。定性上來說如果導通的電流大到IGBT的導通特性呈 現正溫度系數的條件時，溫度的上昇代表導通電壓會伴隨上昇但開關 速度會呈現下降的趨勢，亦即導通損與切換損會同步增加。可是功率 開關的截溫是開關功耗與系統熱設計平衡的結果，除非很清楚掌握了 模塊的結構與材料特性與系統熱設計所有的參數，否則很難能提前預 測。所以如果假設的溫度與最終穩定的溫度不能契合的話，那就必須 再次疊代直到收斂至可接受的誤差以內，而通常投入這樣的計算是否 真的值得，很容易導致工程人員的顧慮(Concern)。
1 N
N k
(E
N 1
on, IGBT
Eoff ,IGBT Eoff ,FWD ) --------------------- (1.9)
圖4 (a) IGBT 在Turn off 的暫態所產生的功耗 (b) IGBT 在Turn on 暫態所產生 的功耗
Pav,one period 1 2 TD
E conduction,total ( Econdution,IGBT Econdution,FWD ) -------------- (1.4)
N 1 N 1 N k N k
P conduction,average
1 Econdution,total ---------------------- (1.5) N TD
去逼近，也可視為Vce(t)是電流的線性函數，斜率可定義為RCE(等同 MOSFET的Rdson)。對IGBT飽合壓降的近似方法中，最簡單的方式是我 們把將飽合壓降視為一個定值，如圖5(a)中黑線所標示。可看出這樣 的近似方式雖然與真正的輸出特性曲線有明顯偏離，但在電流大到一 定程度時，其誤差並不會太大。第二種近似方法是直接將IGBT的輸出 特性的VTO視為0，所以飽合電壓的函數可視為原點出發的一條斜線， 如圖5(b)的藍線所標示。如果能有IGBT的規格書，或在使用前可以做 定性的量測則第三種近似方式則將VCE (t)會表示成在一個固定值加 上隨電流增加比例作增加的曲線，如圖5(b)的紅線。當然也可視計算 準確性的須要，利用二次甚至三次式曲線去逼近輸出特性曲線。
一般定義功率開關上產生的損耗主要來自兩個地方，第一稱為導
通損耗，發生於功率元件在穩態導通電流時所產生的功率損耗，第二 稱為切換損耗，發生於當功率元件在開通與關斷的瞬態動作時因電壓 與電流交疊所產生的功率損耗。一般文獻大都會假設功率開關完全處 於關斷狀態時就不會有任何損耗的產生，本報告特別指出這樣的假 設，只會成立在功率開關的截面溫度處於熱穩定的狀態。如果不是則 功率開關既使在完全關斷的情況下也會產生很大的漏電流，進而貢獻 很大的功率損耗，如無法在短時間內達到熱平衡的，更甚者會導致所 謂的漏電流引發熱逃脫(leakage induced thermal run away)的失效。
圖 1 (a) 三相逆變器之電力電路架構 (b)開關單元
一個逆變的三相電路雖有3個臂6個開關單元，但6個開關單元的 動作其實互為對稱，所以我們可以僅探討當中一個動作開關單元在一 個完整的調制週期所產生的損耗，即可將結果等同至其餘的五個開關
單元，開關單元如圖1(b)所示。以弦波調制的硬體線路十分成熟與穩 定，但如果用MCU或DSP來實現，則會有等效脈寬輸精確程度與所須計 算量大小兩個制約條件的權衡(trade-off)。以下將幾種作法簡單介 紹。
Tb Tb T1
----------------------------- (1.6)
Poff , IGBT
----------------------------- (1.7)
Poff ,FWD
E sw,av
1 VF (t ) i(t )dt ------------------------------- (1.8) TD Ta
(a)
(b)
圖 5(a) 對導通壓降的不同近似法 (b) 命令波在與調制的關係圖
在此將切換頻率假設為足夠高或電機之等效電感足夠大，能讓相電流 接近理想的弦波電流的條件下。相電流可以表示為一正弦波的函數
ˆ sin wt i(t) i 。
： 接下來定義函數函數 ˆ(t ) x
ˆ(t：＝ )
(1 D y ) TD
0
整週的週期視與希望得到輸出電壓的主頻有關，在特定載頻的調制下 有整個週期N個不等導通時間的切換，須說明的是每個開關單元只須 處理半週的輸出電流。以50Hz電角度的輸出主頻而言整個調制週期為 20ms，但僅有10ms有功耗產生。所以將IGBT與FWD的導通時間結合後 可將簡化公式描述如下:
雜散電感效應的影響無疑也是很顯著的，特別是在追求更高的切 換頻率來降低儲能元件體積進而將系統小型化的趨勢下，愈來愈快的 開關速度，代表了開關的切換會導致更高的dv/dt和di/dt，通過線路 及元件本身的雜散電容所引與雜散電感來反應，而飄移電流與引發的 感應電勢又會和驅動電壓交互影響，讓真正跨降於功率開關的驅動電 壓變得更加難以預測。事實上對於雜散電感效應所導致的功耗計算誤 差的問題，在直流對直流轉換器已有大量的文獻在探討。但因為逆變 轉換的功耗計算光簡化的公式都已經讓人望而生畏，所以工程應用上 有心或無意的忽視可以理解。。 此外在傳統調制的策略下尋求愈高的調制載頻進而將整個驅動 系統的體積小型化是最常見的須求，但愈高的調制載頻代表愈小的開 關週期。所以同樣的切換能量下，平均功耗會隨之上昇，所以會引用 柔性切換的技術來降低開關損耗。還有為了克服傳統弦波調制低電壓 利用率所發展出來的各種調變方式都會進一步增加功耗計算的困難 度。 貼近實務的功耗估算如此多變複雜，所以適度的假設來簡化計算 公式為探討此方面文獻慣用的技巧。但不適切的假設與簡化往往會讓 計算的結果偏離實際的情況很遠。篇幅的限制不可能討論完所有參數 的影響，所以此篇報告僅專注不同近似的導通壓降函數對導通損耗所 帶來的影響，希望透過一些簡單的探討，能提供設計者對直流轉交流 功耗的估算有比較清晰的認知。 二、調制策略介紹 圖1.1為一三相逆變轉換器的基本電路架構，普遍的應用在三相 電機的驅動或三相電力的變換。
和導通損耗一樣，IGBT在整個調製週期π中的會有N個切換週期；在
開通過程中電壓視為DC-link 電壓隨時間掉落的函數，在關過程中電 壓過程中視為IGBT C-E電壓上昇的函數，特定週期的平均功率可用公 式表達如下:
Pon, IGBT 1 VDC (t ) i (t )dt TD T0 1 VCE (t ) i(t )dt TD Ta
ˆ(t ) x ： 為IGBT或FWD的導通狀態，
1 IGBT導通 , FWD導通 0 IGBT截止 , FWD導通
ˆ(t ) x ：為0或1由電壓命令msinwt和載頻調制波的在時間軸上的相對位
置決定。 x：可為IGBT或FWD。 在一般文獻中大都沒有較仔細的交待 IGBT在正弦波調制下導通 的函數是如何求得，所以在此花一點時間來交待一下公式的推導。事 實上我們常見的導通損的公式中所用的調變函數是在雙極性調制的
方式下採用平均採樣規則得到的結果。事實上因為不對稱如果調制的 方式不同則調變函數也會跟著不同，積分後的公式自然不同。 五、SPWM調制函數的推導與不同 在弦波調制的方式下命令波與調制波的相對關係圖形如圖5(b)，在命 令波在經過a點前ˆ(t ) IGBT 為0，經過a點後，ˆ(t ) IGBT 為1。假設三角波的頻 率足夠大或以平均對稱調制的方式來看待，在一個調制週期內的另一 個Ts/2的週期會有同樣的導通時間，所以利用相似三角形的關係可以 將從e點到d點間IGBT的導通時間，利用線段比例的關係求出，而將此 結果延伸至另一Ts/2的時間，可得IGBT導通的函數為式(1.12)
圖3 開關單元利用SPWM 調制換時在IGBT及對應之FWD電流分配的示意圖