变频器功率器件选型与损耗计算
变频器功率计算
3、电磁调速系统电磁调速系统由鼠笼异步电机、转差离合器、测速电机和控制装置组成，通过改变转差离合器的激磁电流来实现调速。
转差离合器的本身的损耗是由主动部分的风阻､磨擦损耗及从动部分的机械磨擦损所产生的。
如果考虑这些损耗与转差离合器的激磁功率相平衡，且忽略不计的话，转差离合器的输入､输出功率可由下式计算：电动机轴输出功率式中：T2—转差离合器的输出转矩n2 –-转差离合器的输出轴转速电动机的输出功率，即为转差离合器的输入功率。
对于恒转矩负载，T= T1 = T2=常数，所以，转差离合器的效率：电磁调速电机为鼠笼式电机，由于输入功率和转矩均保持不变，鼠笼式电机的功率保持不变。
损耗以有功的形式表达出来，损耗功率通过转差离合器涡流发热并由电枢上的风叶散发出去。
由损耗功率公式(10)可以清楚看到，电磁调速电机的转速越低，浪费能源越大，然而生产机械的转速通常不在最大转速下运行，变频调速是一种改变旋转磁场同步速度的方法，是不耗能的高效调速方式，因此改用变频调速的方式会有非常好的节能效果，节省的能量直接可用(10)式计算。
4､液力偶合器调速系统液力偶合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量，电动机通过液力偶合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力偶合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载。
液力偶合器有调速型和限矩型之分，前者用于电气传动的调速，后者用于电机的起动，系统中的液力偶合器在电机起动时起缓冲作用。
由于液力偶合器的结构与电磁转差离合器类似，仿照电磁调速器效率的计算方法，可得：同样，用(12)式可计算将液力耦合器调速改造为变频调速后的节能量。
5､绕线式电机串电阻调速系统绕线式电机最常用改变转子电路的串接电阻的方法调速，随着转子串接电阻的增大，不但可以方便地改变电机的正向转速，在位能负载时，还可使电机反向旋转和改变电机的反向转速，因此这种调速方式在起重﹑冶金行业应用较多。
变频器逆变端的损耗估算
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)。
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。
变频器功率计算
3、电磁调速系统电磁调速系统由鼠笼异步电机、转差离合器、测速电机和控制装置组成，通过改变转差离合器的激磁电流来实现调速。
转差离合器的本身的损耗是由主动部分的风阻､磨擦损耗及从动部分的机械磨擦损所产生的。
如果考虑这些损耗与转差离合器的激磁功率相平衡，且忽略不计的话，转差离合器的输入､输出功率可由下式计算：电动机轴输出功率式中：T2—转差离合器的输出转矩n2 –-转差离合器的输出轴转速电动机的输出功率，即为转差离合器的输入功率。
对于恒转矩负载，T= T1 = T2=常数，所以，转差离合器的效率：电磁调速电机为鼠笼式电机，由于输入功率和转矩均保持不变，鼠笼式电机的功率保持不变。
损耗以有功的形式表达出来，损耗功率通过转差离合器涡流发热并由电枢上的风叶散发出去。
由损耗功率公式(10)可以清楚看到，电磁调速电机的转速越低，浪费能源越大，然而生产机械的转速通常不在最大转速下运行，变频调速是一种改变旋转磁场同步速度的方法，是不耗能的高效调速方式，因此改用变频调速的方式会有非常好的节能效果，节省的能量直接可用(10)式计算。
4､液力偶合器调速系统液力偶合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量，电动机通过液力偶合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力偶合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载。
液力偶合器有调速型和限矩型之分，前者用于电气传动的调速，后者用于电机的起动，系统中的液力偶合器在电机起动时起缓冲作用。
由于液力偶合器的结构与电磁转差离合器类似，仿照电磁调速器效率的计算方法，可得：同样，用(12)式可计算将液力耦合器调速改造为变频调速后的节能量。
5､绕线式电机串电阻调速系统绕线式电机最常用改变转子电路的串接电阻的方法调速，随着转子串接电阻的增大，不但可以方便地改变电机的正向转速，在位能负载时，还可使电机反向旋转和改变电机的反向转速，因此这种调速方式在起重﹑冶金行业应用较多。
IGBT损耗的计算步骤与方法
IGBT损耗的计算步骤与方法什么是IGBT？IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）是一种高性能半导体开关，常见于大功率电子器件中，如变频器、电机驱动器等。
IGBT相对于MOSFET具有较高的电流和电压承受能力，而且相对于BJT来说，具有更低的输入电流和较高的输入电阻，因此在大功率应用中更为常见。
IGBT损耗的计算在IGBT系统中，由于电源的转换和系统中开关器件的切换，导致了电力的不可避免损耗。
IGBT损耗主要包括开关损耗和导通损耗两部分。
而在IGBT汽车应用中，由于空间限制，功率密度较高，设备大小小，自然散热能力弱，IGBT系统损耗往往成为设计的关键因素。
所以，IGBT损耗的计算是高功率电路设计的重要内容之一。
IGBT的计算主要包含以下步骤：1.确定IGBT的工作状态在IGBT电路中，由于器件的导通与截止会引起电路工作状况的不同，因此损耗的计算也应该区分导通和截止两种状态。
通常，为了保证IGBT的最大导通效率，前者工作于正常区间，而后者运行于饱和区间。
2.确定开关频率和时序在实际应用中，IGBT的开关频率不是固定的。
在开关过程中，由于开关时间和停留时间存在差异，因此开关频率和开关时序对IGBT的损耗具有很大影响。
决定损耗的因素包括IGBT的最高频率、电磁噪音、损耗曲线等。
3.计算IGBT的导通损耗导通损耗通常是由IGBT导通时由于电源的电阻而产生的热量导致的。
在计算导通损耗时，需要以实际的经验模型为基础，进行大量的电流、电压和温度的测试，得出实际损耗值。
4.计算IGBT的开关损耗在IGBT的开关过程中，由于机械运动和位移电容等因素造成的开关损耗，这部分损耗无法避免且很难直接测量。
5.损耗计算与分析以上四个步骤的计算结果，根据IGBT应用环境、工作状态和电路等因素，综合计算获得系统总损耗。
通过对得到的数据进行深入的分析和评估，可以进一步判断设计是否合理，进行优化。
变频器容量计算和选择方法
变频器容量计算和选择方法变频器的容量可从3个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。
其中后两项是变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。
不管是哪一种表示方法，归根到底还是对变频器额定电流的选择，应结合实际情况根据电动机有可能向变频器吸取的电流来决定。
选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映变频器负载能力的关键量。
负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。
在确定变频器容量前应仔细了解生产工艺设备的情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼型异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道电动机不仅额定电流大，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。
应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。
通常变频器的过载能力有两种：1) 1.2倍的额定电流，可持续1min。
2) 1.5倍的额定电流，可持续1min。
变频器的允许过电流与过载时间呈反时限的关系。
如1.2(1.5)倍的额定电流可持续1min；而1.8(2.0)倍的额定电流可持续0.5 min。
这就意味着不论任何时候变频器向电动机提供的电流要在1min（或0.5min）的时限允许范围内。
变频器的额定功率指的是它适用的4极交流异步电动机的功率，由于同容量电动机，其极数不同，电动机额定电流不同。
随着电动机极数的增多，电动机额定电流增大。
变频器的容量选择不能以电动机额定功率为依据。
同时，对于原来未采用变频器的改造项目，变频器的容量选择也不能以电动机额定电流为依据。
因为，电动机的容量选择要考虑最大负载、富裕系数、电动机规格等因素，往往电动机的容量富裕量较大，工业用电动机常常在50%~60%额定负载下运行。
若以电动机额定电流为依据来选择变频器的容量，留有富裕量太大，造成经济上的浪费，而可靠性并没有因此得到提高。
变频器与电动机的匹配主要还是电动机的额定电压及额定电流，如果电动机额定电流小于同功率的变频器的额定电流，一般来说用同等功率的就足够了，如果电动机额定电流大于同功率的变频器的额定电流，只好用大一级的变频器。
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 ]。
变频器功率计算
3、电磁调速系统电磁调速系统由鼠笼异步电机、转差离合器、测速电机和控制装置组成，通过改变转差离合器的激磁电流来实现调速。
转差离合器的本身的损耗是由主动部分的风阻､磨擦损耗及从动部分的机械磨擦损所产生的。
如果考虑这些损耗与转差离合器的激磁功率相平衡，且忽略不计的话，转差离合器的输入､输出功率可由下式计算：电动机轴输出功率式中：T2—转差离合器的输出转矩n2 –-转差离合器的输出轴转速电动机的输出功率，即为转差离合器的输入功率。
对于恒转矩负载，T= T1 = T2=常数，所以，转差离合器的效率：电磁调速电机为鼠笼式电机，由于输入功率和转矩均保持不变，鼠笼式电机的功率保持不变。
损耗以有功的形式表达出来，损耗功率通过转差离合器涡流发热并由电枢上的风叶散发出去。
由损耗功率公式(10)可以清楚看到，电磁调速电机的转速越低，浪费能源越大，然而生产机械的转速通常不在最大转速下运行，变频调速是一种改变旋转磁场同步速度的方法，是不耗能的高效调速方式，因此改用变频调速的方式会有非常好的节能效果，节省的能量直接可用(10)式计算。
4､液力偶合器调速系统液力偶合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量，电动机通过液力偶合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力偶合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载。
液力偶合器有调速型和限矩型之分，前者用于电气传动的调速，后者用于电机的起动，系统中的液力偶合器在电机起动时起缓冲作用。
由于液力偶合器的结构与电磁转差离合器类似，仿照电磁调速器效率的计算方法，可得：同样，用(12)式可计算将液力耦合器调速改造为变频调速后的节能量。
5､绕线式电机串电阻调速系统绕线式电机最常用改变转子电路的串接电阻的方法调速，随着转子串接电阻的增大，不但可以方便地改变电机的正向转速，在位能负载时，还可使电机反向旋转和改变电机的反向转速，因此这种调速方式在起重﹑冶金行业应用较多。
变频器功率器件损耗计算
红色：输出对母线中点电压 青色：输出电流 蓝色：IGBT T3电流
IGBT模块损耗计算(三电平)
•
IGBT T4电流波形
红色：输出对母线中点电压 青色：输出电流 蓝色：IGBT T4电流
IGBT模块损耗计算(三电平)
•
二极管 D1、D2电流波形
红色：输出对母线中点电压 青色：输出电流 蓝色：二极管 D1、D2电流
D4
D4
IGBT模块损耗计算(三电平)
•
IGBT T1电流波形
红色：输出对母线中点电压 青色：输出电流 蓝色：IGBT T1电流
IGBT模块损耗计算(三电平)
•
IGBT T2电流波形
红色：输出对母线中点电压 青色：输出电流 蓝色：IGBT T2电流
IGBT模块损耗计算(三电平)
•
IGBT T3电流波形
VCE t = VCE
0 + rCE ∙ iC (t)
Pfw
T
1
=
2π
π
0
[VCE 0 + rCE ∙ iC (t)] ∙ iC (t) ∙ dIGBT ∙ dt
IGBT模块损耗计算(两电平)
•
IGBT占空比dIGBT计算
输出电流
i Ipsin t
采用SPWM调制，输出对母线中点电压为 o
以上管IGBT为例，有如下关系式
压、电流下的开关能量，然后通过下式计算实际工作电压、电流下的关断能量
关断损耗
Erec
D
Poff
VF , iF
D
1
= Erec
π
1
= fs ∙ Erec
π
D
D
Vnom , Inom , R G , Tj/F
变频器功率器件选型与损耗计算
L2
-
B
C1
直流电感取值不当的坏处
过大 过小 母线电容的纹波电流 带恒功率负载时，容 过大，产生较大损耗， 易出现振荡 缩短电容寿命 电抗器压降过大，直 流母线电压偏低
功率因数降低
较高的THD
直流电抗器与系统稳定性
带恒功率负载时，等效电路传递函数 的特征方程为
R P 1 O _ DC DC s s 2 LDC C V LDC C DC DC DC
直流电抗器选型
直流电抗器选型
直流电抗器的感值过大或过小，都会 导致不好的后果。
L1
k k k
T1
g a
T2
g a
T3
g a
A
+
Controlled Current Source
s
C
-P Load D1 D2 D3
+ v -
Three-Phase Source
Divide
Voltage Measurement
Kf KB
整流器损耗计算
二极管模型
二极 管可近似 等效为一 个直流电 压源与一 个电阻串 联的模型。
整流器的损耗
由于采用工频整流，因此开关损耗相 对导通损耗而言很小，主要考虑导通损耗。
2 Ploss _ arm VTO I AV _ Re c I RMS _ Re c r T
2
RDC PO _ DC 1 2 VDC
0
式中，RDC为整流滤波回路上的直流等 效电阻，LDC为直流电感，VDC为直流母线 电压的平均值。
直流电抗器与系统稳定性
一般地，有
RDC PO _ DC VDC
2
变频器功率计算
3、电磁调速系统电磁调速系统由鼠笼异步电机、转差离合器、测速电机和控制装置组成，通过改变转差离合器的激磁电流来实现调速。
转差离合器的本身的损耗是由主动部分的风阻､磨擦损耗及从动部分的机械磨擦损所产生的。
如果考虑这些损耗与转差离合器的激磁功率相平衡，且忽略不计的话，转差离合器的输入､输出功率可由下式计算：电动机轴输出功率式中：T2—转差离合器的输出转矩n2 –-转差离合器的输出轴转速电动机的输出功率，即为转差离合器的输入功率。
对于恒转矩负载，T= T1 = T2=常数，所以，转差离合器的效率：电磁调速电机为鼠笼式电机，由于输入功率和转矩均保持不变，鼠笼式电机的功率保持不变。
损耗以有功的形式表达出来，损耗功率通过转差离合器涡流发热并由电枢上的风叶散发出去。
由损耗功率公式(10)可以清楚看到，电磁调速电机的转速越低，浪费能源越大，然而生产机械的转速通常不在最大转速下运行，变频调速是一种改变旋转磁场同步速度的方法，是不耗能的高效调速方式，因此改用变频调速的方式会有非常好的节能效果，节省的能量直接可用(10)式计算。
4､液力偶合器调速系统液力偶合器是通过控制工作腔工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量，电动机通过液力偶合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力偶合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载。
液力偶合器有调速型和限矩型之分，前者用于电气传动的调速，后者用于电机的起动，系统中的液力偶合器在电机起动时起缓冲作用。
由于液力偶合器的结构与电磁转差离合器类似，仿照电磁调速器效率的计算方法，可得：同样，用(12)式可计算将液力耦合器调速改造为变频调速后的节能量。
5､绕线式电机串电阻调速系统绕线式电机最常用改变转子电路的串接电阻的方法调速，随着转子串接电阻的增大，不但可以方便地改变电机的正向转速，在位能负载时，还可使电机反向旋转和改变电机的反向转速，因此这种调速方式在起重﹑冶金行业应用较多。
变频器功率计算
3、电磁调速系统 电磁调速系统由鼠笼异步电机、转差离合器、测速电机和控制装置组成，通过改变转差离合器的激磁电流来实现调速。
转差离合器的本身的损耗是由主动部分的风阻､磨擦损耗及从动部分的机械磨擦损所产生的。
如果考虑这些损耗与转差离合器的激磁功率相平衡，且忽略不计的话，转差离合器的输入､输出功率可由下式计算： 电动机轴输出功率 式中：T2—转差离合器的输出转矩 n2 –-转差离合器的输出轴转速 电动机的输出功率，即为转差离合器的输入功率。
对于恒转矩负载，T= T1 = T2=常数，所以，转差离合器的效率： 电磁调速电机为鼠笼式电机，由于输入功率和转矩均保持不变，鼠笼式电机的功率保持不变。
损耗以有功的形式表达出来，损耗功率通过转差离合器涡流发热并由电枢上的风叶散发出去。
由损耗功率公式(10)可以清楚看到，电磁调速电机的转速越低，浪费能源越大，然而生产机械的转速通常不在最大转速下运行，变频调速是一种改变旋转磁场同步速度的方法，是不耗能的高效调速方式，因此改用变频调速的方式会有非常好的节能效果，节省的能量直接可用(10)式计算。
4､液力偶合器调速系统 液力偶合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量，电动机通过液力偶合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力偶合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载。
液力偶合器有调速型和限矩型之分，前者用于电气传动的调速，后者用于电机的起动，系统中的液力偶合器在电机起动时起缓冲作用。
由于液力偶合器的结构与电磁转差离合器类似，仿照电磁调速器效率的计算方法，可得： 同样，用(12)式可计算将液力耦合器调速改造为变频调速后的节能量。
5､绕线式电机串电阻调速系统 绕线式电机最常用改变转子电路的串接电阻的方法调速，随着转子串接电阻的增大，不但可以方便地改变电机的正向转速，在位能负载时，还可使电机反向旋转和改变电机的反向转速，因此这种调速方式在起重﹑冶金行业应用较多。
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整流器的电流
流过每个整流二极管的平均电流为
I AV _ Re c I AV _ Ldc 3
流过每个整流二极管的有效值电流为
I RMS _ Re c I RMS _ Ldc 3
变频器的输入电流为
I RMS _ Re c 2 I RMS _ Ldc 3
L2
-
B
C1
直流电感取值不当的坏处
过大 过小 母线电容的纹波电流 带恒功率负载时，容 过大，产生较大损耗， 易出现振荡 缩短电容寿命 电抗器压降过大，直 流母线电压偏低
功率因数降低
较高的THD
直流电抗器与系统稳定性
带恒功率负载时，等效电路传递函数 的特征方程为
R P 1 O _ DC DC s s 2 LDC C V LDC C DC DC DC
0 T
二极管的开通损耗比关断损耗小很多， 因此，主要关注二极管关断引起的反向恢 复损耗。
Psw _ Diode 1 T
E
i 1
f swT
rec
(t i )
二极管的损耗
二极管的反向恢复损耗与直流电压以 及门极开通电阻有关。
Erec VDC Erec ( Rgon ) Erec _ Test VTest Erec ( Rgon _ Test )
直流电抗器选型
直流电抗器选型
直流电抗器的感值过大或过小，都会 导致不好的后果。
L1
k k k
T1
g a
T2
g a
T3
g a
A
+
Controlled Current Source
s
C
-P Load D1 D2 D3
+ v -
Three-Phase Source
Divide
Voltage Measurement
L Lr 2
T0 T 10
K
T0 T 10
直流电抗器与功率因数
变频器输入功率为
Pin PO PLoss _ FC
视在功率为
Sin 3VN I in
输入功率因数为
Pin cos S in
整流器选型
整流器选型
整流器的型号可根据拓扑结构以及电 压、电流确定。
当变频器的输出对地短路时，可能导 致母线电压升高。
0.014
0.016
0.018
0.02
直流母线电容选型
t0～t1时， VC
I load
2VN cost
PO _ DC VC PO _ DC 2VN cost
I C CDC
dVC 2C DC VN sin t dt
t=t1时，
I C I load
arcsin t1 PO _ DC
直流母线电容选型
可先忽略直流电抗器，并将直流母线 之后的电路简化为恒功率负载来考虑。
k k
T1
g a
T2
g a
T3
g a
k
A
+
Controlled Current Source
s
C
-P Load D1 D2 D3
+ v -
Three-Phase Source
Divide
Voltage Measurement
Kf KB
整流器损耗计算
二极管模型
二极 管可近似 等效为一 个直流电 压源与一 个电阻串 联的模型。
整流器的损耗
由于采用工频整流，因此开关损耗相 对导通损耗而言很小，主要考虑导通损耗。
2 Ploss _ arm VTO I AV _ Re c I RMS _ Re c r T
2
直流电抗器损耗计算
直流电抗器的损耗
直流电抗 器的损耗分布 较为复杂，在 进行损耗预估 时，可以先只 考虑铜耗和铁 耗两部分。
直流电抗器的损耗
铜耗由线圈上的等效电阻引起。
2 PCu I RMS ESRL
铁耗与磁心的材料、形状、重量以及 纹波电流的频率、大小有关。
f BAC PFe PCL f B test test
进行制动时，逆变桥实际成为整流桥， 再加上母线电压升高，此时二极管的损耗 急剧上升。
直流母线电容损耗计算
直流母线电容的损耗
直流母线电容的损耗分为两部分，一 部分由ESR引起，另一部分由漏电流引起。 由于漏电流通常很小，所以主要考虑ESR 引起的损耗。
PCdc EI r2_ Cdc ESRCdc I r _ Cdc K FC ESRCdc
Q10 D7 D8 D9 L2
Q4 D4
Q5 D5
Q6 D6
变器的电压
根据逆变器的输入直流电压来确定 IGBT电压等级。对于通用变频器来说， 也可根据电网电压直接进行选取。
电网电压 等级 IGBT电压 等级 230V 600V 480V 1200V 575V 1700V
逆变器的电流
根据实际应用的最大峰值电流初步确 定IGBT的额定电流。例如，对于110KW 的变频器来说，可考虑重载应用150%过 载的情况。
C DC VN2 2
直流母线电容选型
t1～t2时， VC
t2～t3时，
( 2V N cost1 )
2
2 PO _ DC (t t1 ) C DC
VC 2V N cos( t
3
)
若已知Vc(t2)，则可计算出t2，进而推 算出CDC。然而，采用解析法求解较为困 难。若在已知CDC的条件下推算Vc(t2)，则 容易得多。因此，可采用二分法求解CDC。
IGBT的 导通压降与开 关损耗皆受其 结温影响，并 且在大部分的 应用范围内都 具有正温度系 数的特性。
IGBT的结温与损耗
正温度系 数使得IGBT 易于并联应用， 但同时也令其 自身构成一种 正反馈特性。
二极管的损耗
二极管的损耗计算方法与IGBT类似。
Pcon _ Diode VF (t ) I F (t ) DD (t )dt
整流器的电流
考虑过载情况，计算相关的电流数 据，并留出一定裕量。
I AV _ D 1.5I AV _ Re c _ ovd
I RMS _ D 1.5I RMS _ Re c _ ovd
功率器件损耗计算
1.IPOSIM简介 2.逆变器 3.直流母线电容 4.直流电抗器 5.整流器
IPOSIM简介
IGBT的导通损耗与导通压降、电流 以及占空比有关。
Pcon _ IGBT VCE (t ) I C (t ) DQ (t )dt
0 T
IGBT的开关损耗
IGBT的开关损耗由开通损耗和关断 损耗组成。
[E (t ) E (t )] 开关损耗与直流电压以及门极驱动电 阻有关。
Psw _ IGBT
变频器功率器件选 型与损耗计算
功率器件选型
1.逆变器 2.直流母线电容 3.直流电抗器 4.整流器
逆变器选型
逆变器选型
IGBT适用于中小功率应用场合，其 初步选型可根据拓扑结构以及电压、电流 确定。
L1 Q1 Q7 Q8 Q9 R1 D10 D1 Q2 D2 Q3 D3
R S T
C1
U V W
i 1 on i off i
1 T
f swT
VDC Eon ( Rgon ) Eon Eon _ Test VTest Eon ( Rgon _ Test )
Eoff VDC Eoff ( Rgoff ) Eoff _ Test VTest Eoff ( Rgoff _ Test )
IGBT的结温与损耗
I C _ Min 2Kovd I N 2 150% 170 360.6 A
思考：为什么不考虑200%过载的情况？
逆变器选型
功率 器件的选 型是否合 适最终由 温升情况 决定。
直流母线电容选型
直流母线电容选型
电容选型需要考虑的参数主要有：寿 命、温度、电压、容值、纹波电流。 直流母线电容的额定电压可根据直流 母线的工作电压来确定，例如，480V级 的变频器可选2个450V的电容串联。
-
B
C1
直流母线电容选型
Rectified voltage and DC-link voltage 540 530 520 510 500 490 480 470 460 0 t0 Vrec Vdc
Vrec & Vdc/V
t1
0.002 t2
0.004 t3
0.006
0.008
0.01 t/s
0.012
2
0
因此，有
LDC R DC C DC VDC PO _ DC
2
直流电抗器的电压降
根据经验，直流电抗器取值不应超过 同样变频器输入交流电抗器3%阻抗电感 量的3倍。
LDC 3 3%VN 3 2f N I N
直流电抗器与电容寿命
通过仿真，得到流过母线电容的纹波 电流，以及流过直流电抗器的平均电流， 有效值电流等电流数据。 根据电容厂家提供的寿命估算方法估 算母线电容的寿命。
Topology
Inputs
Device Selection
Application Data
Results
Results
Results
逆变器损耗计算
IGBT的导通损耗
IGBT的损耗主要由导通损耗与开关 损耗组成。
Pcon _ IGBT 1 T
T
0
VCE (t ) I C (t ) Q (t )dt