变频器功率器件损耗计算-2010020概述
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• IGBT开关损耗计算
IGBT开关能量与电流近似成线性关系，当母线电压在IGBT额定工作电压（600V IGBT 为300V，1200V IGBT为600V，1700V IGBT为900V，3300V IGBT为1800V）的 ±20%范围内时，IGBT开关能量与母线电压近似成线性关系，母线电压一般在这个范 围内。IGBT开通能量还与驱动电阻有关，驱动电阻越大，开通能量越大，而驱动电阻 对关断能量的影响很小。IGBT开关能量还与芯片结温有关，结温越高，开关能量越大 ，一般取125℃结温的数值进行计算。
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 二极管关断损耗计算 因二极管关断能量与电流不是线性关系，通过查一定结温下驱动电阻 与关断能量的关系曲线获得额定工作电压、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
Erec
D
VF , iF =
1 E π rec
D
Vnom , Inom , R G , Tj/F ∙
IGBT模块损耗计算
Lin R S T
Ldc
Lout U V W
IGBT模块损耗计算
• IGBT模块损耗构成 IGBT通态损耗：
Pfw /T 1 = T
T 0
VCE (t) ∙ iC (t)dt
IGBT开关损耗：
Psw = fs ∙ [Eon
T
vdc , iC , R g , Tj
T
+ Eoff
VF t = VF0 + rF ∙ iF (t)
与IGBT一样，二极管也工作在开关状态，电流不连续，且一个电流周 期中只有一半时间有电流流过，设二极管的占空比为 dDIODE，二极管 通态损耗可以表示为
Pfw
D
1 = 2π
π 0
[VF0 + rF ∙ iF (t)] ∙ iF (t) ∙ dDIODE ∙ dt
2 Ip Ip Ip 1 1 2 (VCE 0 rCE ) m cos (VCE 0 rCE I p ) 2 4 8 3
Vce0和rCE的获取方法与整流二极管VF0和rF的获取方法相同 上下管IGBT互补工作，通态损耗相同。
IGBT模块损耗计算(两电平)
PQ = n ∙ (Pfw
T
+ Psw
T
+ Pfw
F
+ Poff
F)
n为模块中封装的IGBT数量
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 计算实例
• 结论 SPWM调制与SVPWM调制损耗差异很小； 带电抗器测试的损耗比带电机测试的损耗小。
IGBT模块损耗计算(三电平)
• 正弦电流输出三电平电压型PWM逆变器或整流器的IGBT模块损耗
T1 D1 T2 D5 T3 D6 T4 D4 D3 D2 Io Vo
IGBT模块损耗计算(三电平)
• 工作方式1（io>0且vo>0 ）
T1 D1 T2 D5 T3 D6 T4 D4 D3 D6 T4 D4 D2 D5 T3 D3 T2 D2 T1 D1
IGBT模块损耗计算(三电平)
• 工作方式2（io>0且vo<0 ）
1 1 1 + msin ωt + φ + msin 3 ωt + φ 2 5
dωt
2 Ip Ip Ip 1 1 1 2 2 (VCE 0 rCE ) m cos (VCE 0 rCE I p ) m rCE I p 2 4 8 3 75
二极管通态损耗
• 整流二极管起始电压VF0和通态电阻rF计算 在VI特性曲线上寻找2个点(一般选择Tvj=150℃或125℃的曲线)，器 件额定点(VF1,IF1)和实际应用平均电流对应的点(VF2,IF2)，由此可得
rF VF 1 VF 2 I F1 I F 2
进一步求得
VF 0 VF1 rF I F1
IGBT模块损耗计算(三电平)
• 工作方式4（io<0且vo>0 ）
T1 D1 T2 D5 T3 D6 T4 D4 D3 D6 T4 D4 D2 D5 T3 D3 T2 D2 T1 D1
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
T1 D1 T2 D5 T3 D6 T4 D4 D3 D6 T4 D4 D2 D5 T3 D3 T2 D2 T1 D1
IGBT模块损耗计算(三电平)
• 工作方式3（io<0且vo<0 ）
T1 D1 T2 D5 T3 D6 T4 D4 D3 D6 T4 D4 D2 D5 T3 D3 T2 D2 T1 D1
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
T
vdc , iC , R g , Tj
T
]
二极管通态损耗：
Pfw /D 1 = T
T 0
VF (t) ∙ iF (t)dt
二极管关断损耗：
Poff /D = fs ∙ Erec /D (vdc , iF , Rg , Tj/D )
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 正弦电流输出两电平电压型PWM逆变器或整流器的IGBT模块损耗
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
PFin
0.955I dc ( AVG) I dc ( AVG) I C
2 2
Uin为输入线电压的有效值，L为直流电抗器的电感量，C为母线电容 量 直流侧电流不连续，通过实测或仿真得到输入功率因数。
整流二极管损耗计算
• 整流二极管起始电压VF0和通态电阻rF计算 整流二极管VI特性曲线
整流二极管损耗计算
IGBT模块损耗计算(两电平)
• IGBT占空比dIGBT计算 输出电流
io I p sin t
采用SPWM调制，输出对母线中点电压为
vo 2V0 sin(t )
以上管IGBT为例，有如下关系式
(Vdc / 2 vo )d IGBT (vo (Vdc / 2))( 1 d IGBT )
• 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
整流二极管损耗计算
• 输入功率因数计算 带直流电抗器，且直流侧电流连续，电容的纹波电流为
7.72102 U in 1.89102 U in IC 1 1 2 (6L ) 2 (12L ) 6C 12C
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 采用SVPWM调制时的损耗 SVPWM调制相当于基波SPWM调制加20% 3次谐波调制，即输出电 压为
vo 2V0 sin(t ) 2 V0 sin[3(t )] 5
(Vdc / 2 vo )d IGBT (vo (Vdc / 2))( 1 d IGBT )
1 T 1 T = VF0 ∙ iF t dt + rF ∙ iF (t)2 dt T 0 T 0 = VF0 ∙ iF(AVG ) + rF ∙ iF(RMS ) 2
整流二极管损耗计算
• 整流二极管的平均电流计算 直流电流平均值
I dc ( AVG)
IF
AVG
Po Vdc
Idc (AVG ) = 3
d IGBT 1 1 m sin(t ) 2 2V0 m Vdc / 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 ∙
1 [1 m sin(t )] ∙ dωt 2
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 二极管占空比dDIODE计算
d DIODE 1 d IGBT 1 1 m sin(t ) 2
m
• 二极管通态损耗
Pfw
D
2V0 Vdc / 2
1 = 2π
π 0
1 [VF0 + rF ∙ I p sin t ] ∙ I p sin t ∙ [1 m sin(t )] ∙ dωt 2
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。
T
+ Eoff
T
Vnom , Inom , R G , Tj
T
Ip Vdc ]∙ ∙ Vnom Inom
上下管IGBT互补工作，开关损耗相同。
IGBT模块损耗计算(两电平)
• ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ极管通态损耗计算
Pfw /D 1 = T
T 0
VF (t) ∙ iF (t)dt
二极管两端压降与流过二极管的电流近似为线性关系
• 整流二极管主要是通态损耗，一个二极管的损耗表达式
1 PD = T
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
VF t = VF0 + rF ∙ iF (t)
1 PD = T
T 0
[VF0 + rF ∙ iF t ] ∙ iF (t)dt
Pfw/ D
2 Ip Ip Ip 1 1 1 2 2 (VF 0 rF ) m cos (VF 0 rF I p ) m rF I p 2 4 8 3 75
IGBT和二极管的开关损耗与SPWM调制相同。
IGBT模块损耗计算(两电平)
• IGBT模块总损耗
+Vdc/2
Q1 Io Vo
Q2 -Vdc/2
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
IGBT模块损耗计算(两电平)
• IGBT通态损耗计算
Pfw /T 1 = T
T 0
VCE (t) ∙ iC (t)dt
IGBT两端压降与流过IGBT的电流近似为线性关系
Vdc IP ∙ (0.45 + 0.55) Vnom Inom
关断损耗
Poff
D
1 = fs ∙ Erec π
D
Vnom , Inom , R G , Tj/F
Vdc IP ∙ ∙ (0.45 + 0.55) Vnom Inom
上下二极管互补工作，关断损耗相同。
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 采用SVPWM调制时输出对母线中点电压波形
IGBT模块损耗计算(两电平)
• IGBT开关损耗计算 实际计算时，通过查一定结温下驱动电阻与开关能量的关系曲线获得 额定工作电压、电流下的开关能量，然后通过下式计算实际工作电压 、电流下的开关能量
Eon Eoff
T
Vce , ic = Eon Vce , ic = Eoff
T
Vnom , Inom , R G , Tj/T ∙ Vnom , Inom , R G , Tj/T
VCE t = VCE 0 + rCE ∙ iC (t)
IGBT工作在开关状态，电流不连续，且一个电流周期中只有一半时间 有电流流过，设IGBT的占空比为 dIGBT，因为开关频率远大于输出电 压、电流周期， IGBT通态损耗可以表示为
Pfw
T
1 = 2π
π 0
[VCE 0 + rCE ∙ iC (t)] ∙ iC (t) ∙ dIGBT ∙ dt
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
[VCE 0 + rCE ∙ I p sin t ] ∙ I p sin t ∙
IGBT开关能量与电流近似成线性关系，当母线电压在IGBT额定工作电压（600V IGBT 为300V，1200V IGBT为600V，1700V IGBT为900V，3300V IGBT为1800V）的 ±20%范围内时，IGBT开关能量与母线电压近似成线性关系，母线电压一般在这个范 围内。IGBT开通能量还与驱动电阻有关，驱动电阻越大，开通能量越大，而驱动电阻 对关断能量的影响很小。IGBT开关能量还与芯片结温有关，结温越高，开关能量越大 ，一般取125℃结温的数值进行计算。
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 二极管关断损耗计算 因二极管关断能量与电流不是线性关系，通过查一定结温下驱动电阻 与关断能量的关系曲线获得额定工作电压、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
Erec
D
VF , iF =
1 E π rec
D
Vnom , Inom , R G , Tj/F ∙
IGBT模块损耗计算
Lin R S T
Ldc
Lout U V W
IGBT模块损耗计算
• IGBT模块损耗构成 IGBT通态损耗：
Pfw /T 1 = T
T 0
VCE (t) ∙ iC (t)dt
IGBT开关损耗：
Psw = fs ∙ [Eon
T
vdc , iC , R g , Tj
T
+ Eoff
VF t = VF0 + rF ∙ iF (t)
与IGBT一样，二极管也工作在开关状态，电流不连续，且一个电流周 期中只有一半时间有电流流过，设二极管的占空比为 dDIODE，二极管 通态损耗可以表示为
Pfw
D
1 = 2π
π 0
[VF0 + rF ∙ iF (t)] ∙ iF (t) ∙ dDIODE ∙ dt
2 Ip Ip Ip 1 1 2 (VCE 0 rCE ) m cos (VCE 0 rCE I p ) 2 4 8 3
Vce0和rCE的获取方法与整流二极管VF0和rF的获取方法相同 上下管IGBT互补工作，通态损耗相同。
IGBT模块损耗计算(两电平)
PQ = n ∙ (Pfw
T
+ Psw
T
+ Pfw
F
+ Poff
F)
n为模块中封装的IGBT数量
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 计算实例
• 结论 SPWM调制与SVPWM调制损耗差异很小； 带电抗器测试的损耗比带电机测试的损耗小。
IGBT模块损耗计算(三电平)
• 正弦电流输出三电平电压型PWM逆变器或整流器的IGBT模块损耗
T1 D1 T2 D5 T3 D6 T4 D4 D3 D2 Io Vo
IGBT模块损耗计算(三电平)
• 工作方式1（io>0且vo>0 ）
T1 D1 T2 D5 T3 D6 T4 D4 D3 D6 T4 D4 D2 D5 T3 D3 T2 D2 T1 D1
IGBT模块损耗计算(三电平)
• 工作方式2（io>0且vo<0 ）
1 1 1 + msin ωt + φ + msin 3 ωt + φ 2 5
dωt
2 Ip Ip Ip 1 1 1 2 2 (VCE 0 rCE ) m cos (VCE 0 rCE I p ) m rCE I p 2 4 8 3 75
二极管通态损耗
• 整流二极管起始电压VF0和通态电阻rF计算 在VI特性曲线上寻找2个点(一般选择Tvj=150℃或125℃的曲线)，器 件额定点(VF1,IF1)和实际应用平均电流对应的点(VF2,IF2)，由此可得
rF VF 1 VF 2 I F1 I F 2
进一步求得
VF 0 VF1 rF I F1
IGBT模块损耗计算(三电平)
• 工作方式4（io<0且vo>0 ）
T1 D1 T2 D5 T3 D6 T4 D4 D3 D6 T4 D4 D2 D5 T3 D3 T2 D2 T1 D1
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
T1 D1 T2 D5 T3 D6 T4 D4 D3 D6 T4 D4 D2 D5 T3 D3 T2 D2 T1 D1
IGBT模块损耗计算(三电平)
• 工作方式3（io<0且vo<0 ）
T1 D1 T2 D5 T3 D6 T4 D4 D3 D6 T4 D4 D2 D5 T3 D3 T2 D2 T1 D1
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
T
vdc , iC , R g , Tj
T
]
二极管通态损耗：
Pfw /D 1 = T
T 0
VF (t) ∙ iF (t)dt
二极管关断损耗：
Poff /D = fs ∙ Erec /D (vdc , iF , Rg , Tj/D )
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 正弦电流输出两电平电压型PWM逆变器或整流器的IGBT模块损耗
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
PFin
0.955I dc ( AVG) I dc ( AVG) I C
2 2
Uin为输入线电压的有效值，L为直流电抗器的电感量，C为母线电容 量 直流侧电流不连续，通过实测或仿真得到输入功率因数。
整流二极管损耗计算
• 整流二极管起始电压VF0和通态电阻rF计算 整流二极管VI特性曲线
整流二极管损耗计算
IGBT模块损耗计算(两电平)
• IGBT占空比dIGBT计算 输出电流
io I p sin t
采用SPWM调制，输出对母线中点电压为
vo 2V0 sin(t )
以上管IGBT为例，有如下关系式
(Vdc / 2 vo )d IGBT (vo (Vdc / 2))( 1 d IGBT )
• 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
整流二极管损耗计算
• 输入功率因数计算 带直流电抗器，且直流侧电流连续，电容的纹波电流为
7.72102 U in 1.89102 U in IC 1 1 2 (6L ) 2 (12L ) 6C 12C
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 采用SVPWM调制时的损耗 SVPWM调制相当于基波SPWM调制加20% 3次谐波调制，即输出电 压为
vo 2V0 sin(t ) 2 V0 sin[3(t )] 5
(Vdc / 2 vo )d IGBT (vo (Vdc / 2))( 1 d IGBT )
1 T 1 T = VF0 ∙ iF t dt + rF ∙ iF (t)2 dt T 0 T 0 = VF0 ∙ iF(AVG ) + rF ∙ iF(RMS ) 2
整流二极管损耗计算
• 整流二极管的平均电流计算 直流电流平均值
I dc ( AVG)
IF
AVG
Po Vdc
Idc (AVG ) = 3
d IGBT 1 1 m sin(t ) 2 2V0 m Vdc / 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 ∙
1 [1 m sin(t )] ∙ dωt 2
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 二极管占空比dDIODE计算
d DIODE 1 d IGBT 1 1 m sin(t ) 2
m
• 二极管通态损耗
Pfw
D
2V0 Vdc / 2
1 = 2π
π 0
1 [VF0 + rF ∙ I p sin t ] ∙ I p sin t ∙ [1 m sin(t )] ∙ dωt 2
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。
T
+ Eoff
T
Vnom , Inom , R G , Tj
T
Ip Vdc ]∙ ∙ Vnom Inom
上下管IGBT互补工作，开关损耗相同。
IGBT模块损耗计算(两电平)
• ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ极管通态损耗计算
Pfw /D 1 = T
T 0
VF (t) ∙ iF (t)dt
二极管两端压降与流过二极管的电流近似为线性关系
• 整流二极管主要是通态损耗，一个二极管的损耗表达式
1 PD = T
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
VF t = VF0 + rF ∙ iF (t)
1 PD = T
T 0
[VF0 + rF ∙ iF t ] ∙ iF (t)dt
Pfw/ D
2 Ip Ip Ip 1 1 1 2 2 (VF 0 rF ) m cos (VF 0 rF I p ) m rF I p 2 4 8 3 75
IGBT和二极管的开关损耗与SPWM调制相同。
IGBT模块损耗计算(两电平)
• IGBT模块总损耗
+Vdc/2
Q1 Io Vo
Q2 -Vdc/2
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
IGBT模块损耗计算(两电平)
• IGBT通态损耗计算
Pfw /T 1 = T
T 0
VCE (t) ∙ iC (t)dt
IGBT两端压降与流过IGBT的电流近似为线性关系
Vdc IP ∙ (0.45 + 0.55) Vnom Inom
关断损耗
Poff
D
1 = fs ∙ Erec π
D
Vnom , Inom , R G , Tj/F
Vdc IP ∙ ∙ (0.45 + 0.55) Vnom Inom
上下二极管互补工作，关断损耗相同。
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 采用SVPWM调制时输出对母线中点电压波形
IGBT模块损耗计算(两电平)
• IGBT开关损耗计算 实际计算时，通过查一定结温下驱动电阻与开关能量的关系曲线获得 额定工作电压、电流下的开关能量，然后通过下式计算实际工作电压 、电流下的开关能量
Eon Eoff
T
Vce , ic = Eon Vce , ic = Eoff
T
Vnom , Inom , R G , Tj/T ∙ Vnom , Inom , R G , Tj/T
VCE t = VCE 0 + rCE ∙ iC (t)
IGBT工作在开关状态，电流不连续，且一个电流周期中只有一半时间 有电流流过，设IGBT的占空比为 dIGBT，因为开关频率远大于输出电 压、电流周期， IGBT通态损耗可以表示为
Pfw
T
1 = 2π
π 0
[VCE 0 + rCE ∙ iC (t)] ∙ iC (t) ∙ dIGBT ∙ dt
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
[VCE 0 + rCE ∙ I p sin t ] ∙ I p sin t ∙