35.100KW储能逆变器损耗计算及热仿真

()()()
⎰=πτπ0C CE ss **21P dt t t i t v ()
t i r V
v C CE CE CE *0+=
第一章 IGBT FF450R12ME4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IGBT 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：CE v ——端电压，C i ——电流， ()t τ ——占空比。

CE v 与C i 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 与C i 的典型曲线如图1所示，将与之间的关系用直线近似，则：
（2） 式
中
：
0CE V ——门槛电压；
CE r ——IGBT 通态等效电阻，可通过厂家提供的CE v 与C i 的曲线
获得。

图1
CE v 与C i 的典型曲线图
()()
2
sin M 1t ϕωτ++=t ()()
t I t i CP C ωsin =()()ϕω+=t V t v P CE sin 20**3cos 8
1**8cos 21CP
CE CP CE ss I r M I V M P ⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛+=πϕϕπΩ==
0025.0450
13
.1CE r A
192=CP I V
75.00=CE V 1
cos =ϕ2
192
0025.014.33866.08119275.08866.014.321⨯⨯⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯++⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯=ss P 占空比如下式所示：
（3）
式中： M ——调制比； ϕ——电压电流相位差。

设电流的时域表达式为： （4）
式中：
CP I ——电流峰值；
则电压的时域表达式为：
（5）
式中： P V ——电压峰值；
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IGBT 开关损耗
设开关频率为SW f ，则半个周期单个IGBT 模块要开通关断各SW f 次，故单个
()
()()
∑=+=
SW
f n off SW on SW SW E E P 1
1
π
()()()CEN
dc
CN CP p off SW p on SW SW sw V V I I E E f P *
***1
+=πKHZ
10=SW f ()mJ
E p on SW 26=()mJ 5.55=p
off SW E A
192=CP I A
450=CN I V 645=dc V V
600=CEN V W
0.119600
645450192105.811014.313
4=⨯⨯⨯⨯⨯=-sw P IGBT 模块的开关损耗为：
式中： ()on SW E ——IGBT 开通一次损失的能量； ()off SW E ——IGBT 管段一次损失的能量。

()on SW E 和随()off SW E 电流C i 的变化规律是非线性的，很难用解析表达式准确定量
描述。

厂家一般提供额定电流电压或少数几种模态下的()on SW E 和()off SW E 曲线。

经验表明，将()on SW E 和按()off SW E 线性化折算可以满足工程计算的需求，即：
式中：
()p on SW E —
—额定电流ICN 和额定电压VCEN 时IGBT 开通一次损失的能量；
()p off SW E ——额定电流 ICN 和额定电压 VCEN 时 IGBT 关断一次损失的能量；
dc V ——直流母线电压；
CN I ——额定工作电流； CEN V ——额定工作电压。

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
2
0**3cos 81**8cos 21CP
F CP F DC
I r M I V M P ⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=πϕϕπΩ==
001.0450
42
.0F r V
95.00=F V 2
DC 192
001.014.33866.08119295.08866.014.321⨯⨯⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯-+⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯=P W
5.1022.130.9=+=SS P ()CEN
dc
CN CP p off Diode SW rr V V I I E f P **
**1
π
=
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：
式中： 0F V ——二极管门槛电压； F r ——二极管通态等效电阻，可通过厂家提供的F V 与C i 的曲线获得。

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
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： ()p off Diode E ——在额定电流CN I 和额定电压CEN V 下二极管关断一次损
失的能量。

因为在手册中不能查到()p off Diode E 的具体值，所以我们可以近似为
()CEN dc CN CP
I rec sw
rr V
V I I E f P CN *55.0*45.0***1
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+=
π
()mJ
5.48=CN I rec E W 2.123600
64555.045019245.0105.481014.313-4=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯⨯⨯⨯=rr P rr
DC SW SS A P P P P P +++=W
3112.1235.100.1195.58=+++=A P
根据FF450R12ME4数据手册所得：
其余的数据由上节已经知道，故
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 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）风扇为80*80*38，每个风量为102CFM。

仿真结果如下：
5．IGBT模块每个功率622W
散热器290*200*82插片型（插片更加密集）风扇为80*80*38，每个风量为132CFM。

仿真结果如下：
综上，建议选择插片型散热器，风量大于102CFM的风扇。