Расчет потерь энергии в преобразователях на IGBT. Уточнение электромагнитных расчетов

June 5, 2012 by admin Комментировать »

В моделях установок с преобразователями на IGBT рассчитываются мгновенные значения токов во всех элементах схем. Если известны активные сопротивления конденсаторов, дросселей, трансформаторов в используемых схемах замещения, то определяются мощность потерь энергии ДРГ и потери энергии AWr в этих устройствах на каждом шаге расчета At:

В рассматриваемых математических моделях преобразователей реальные полупроводни­ковые элементы представляются идеальными ключами. Это упрощает расчеты. Однако в идеаль­ных ключах потери энергии отсутствуют. В реальных полупроводниковых приборах потери энер­гии существуют и они обычно разделяются на статические и динамические потери. Статические потери определяются в основном током и падением напряжения от этого тока в открытом состоя­нии транзистора и диода. Динамические потери возникают при переключениях транзистора, а также при выключении обратного диода. Для определения указанных потерь в алгоритмы расчета вводятся следующие усовершенствования.

При выполнении электромагнитных расчетов на каждом шаге по времени определяются токи во всех элементах схем, в том числе в диодах и транзисторах itl. Эта информация использу­ется для расчета статических и динамических потерь энергии, который осуществляется одновре­менно с расчетом электромагнитных процессов.

Рис. 22.2 Вольт-амперные характеристики обратного диода в модуле типа FZ1600R17KF6CB2 для температур 25°С и 125 С

Рис. 22.1 Вольт-амперные характеристики транзистора в модуле FZ1600R17KF6CB2 для температур 25°С и 125 С

При расчете статических потерь используются вольт-амперные характеристики транзисто­ров и диодов. Эти характеристики определяются фирмами-изготовителями приборов для различ­ных температур полупроводниковых структур, обычно 25°С и 125 С. На рис. 22.1 и 22.2 в качестве примера представлены вольт-амперные характеристики транзистора и обратного диода модуля типа FZ1600R17KF6CB2 фирмы EUPEC [76].

Мощность ДРСТ и энергия AWCT статических потерь в преобразователе определяется сум­мой потерь в отдельных модулях:

Мощность APdt и энергия AWdt статических потерь в отдельных транзисторных модулях:

С учетом (22.2) и (22.3) мощность Apt и Ара и энергия Awt и Awd статических потерь в от­дельных транзисторах и диодах могут быть определены следующим образом:

Фактические температуры полупроводниковых структур транзисторов tt и диодов td зада­ются или рассчитываются на основе математического описания тепловых процессов. Напряжения на транзисторах и диодах для фактических температур:

В математических моделях преобразователей вольт-амперные характеристики приборов задаются таблично. По этим характеристикам при использовании подпрограмм сплайн- аппроксимации кривых [37] на каждом шаге расчета для двух температур определяются падения напряжения на транзисторах Aut25, АиН25 и на диодах Дщ25, Audi25 как функции соответствующих токов:

Для определения динамических характеристик используются зависимости потерь энергии от тока при переключении транзисторов и диодов при температурах 25°С и 125 С. В качестве примера на рис. 22.3 для модуля FZ1600R17KF6CB2 для температуры 125 С представлены зави­симости потерь энергии от тока при включении транзистора Eoni25, при его выключении Еой125, а также при выключении обратного диода Ereci25-

Рис. 22.3 Зависимости от тока потерь энергии на включение и выключение транзистора и на выключение обратного диода модуля типа FZ1600R17KF6CB2 для 125 С

Следует отметить, что зависимости рис. 22.3 заданы для рабочего напряжения 900 В (при классификационном напряжении транзисторного модуля 1700 В) и для активного сопротивления в цепи затвора 0,9 Ом [76]. При изменении этих параметров зависимости рис. 22.3 должны быть от­корректированы .

В рассматриваемом случае аналогичные зависимости потерь энергии на переключение для модуля FZ1600R17KF6CB2 для температуры 25°С не заданы. Поэтому с некоторым завышением расчетных потерь энергии для температуры 25° С могут быть использованы те же зависимости ди­намических потерь, что и для температуры 125 С.

При расчете динамических потерь энергии нужно учитывать, что при выключении транзи­стора в каком-либо модуле его ток обычно направляется в обратный диод другого транзистора, который находится в другом модуле или в том же самом модуле (в зависимости от типа исполь­зуемых элементов). При этом динамические потери, возникающие при переключении одного транзистора, могут относиться к одному или к разным конструктивным элементам. В зависимости от постановки задачи теплового расчета динамические потери могут определяться в каждом тран­зисторном модуле, или в преобразователе в целом с возможным последующим разделением сум­марных потерь на потери в отдельных конструктивных элементах. В последнем случае алгоритм расчета может быть несколько упрощен. В частности, могут быть использованы не отдельные со­ставляющие динамических потерь, изображенные на рис. 22.3, а суммарные динамические потери энергии на одном цикле переключения транзистора (включение транзистора, выключение транзи­стора, выключение обратного диода). Соответствующая зависимость суммарных потерь за цикл коммутации для модуля типа FZ1600R17KF6CB2 для температуры 125° С представлена на рис. 22.4.

Рис. 22.4 Зависимость потерь энергии от тока при полном цикле коммутации модуля типа FZ1600R17KF6CB2 для 125°С

Аналогично рис. 22.4 задается зависимость потерь энергии при полном цикле переключе­ния модуля FZ1600R17KF6CB2 для температуры 25°С.

Расчет динамических потерь энергии в вентилях зависит от схемы преобразователя и алго­ритма управления.

В схеме с трехфазным мостовым инвертором рис. 1.3, при формировании импульсов управления путем сравнения пилообразного опорного напряжения и трехфазной системы напря­жений управления рис. 1.6, алгоритм расчета динамических потерь в вентилях может быть сле­дующим.

На каждом периоде опорного напряжения известна величина напряжения управления в каждой фазе инвертора, которая определяется при выполнении электромагнитных расчетов. Если напряжение управления на данном периоде выходит за рабочие пределы опорного напряжения, то в этой фазе на данном периоде транзисторы не переключаются, и динамические потери отсутст­вуют. Если напряжение управления находится в рабочем диапазоне опорного напряжения, то при использовании подпрограмм сплайн-аппроксимации кривых по зависимостям типа рис. 22.4 для известного тока фазы in определяются динамические потери энергии El25 и Еп25 для температур 25°С и 125°С при полном цикле коммутации вентилей фазы. Для заданной или рассчитываемой температуры полупроводниковой структуры энергия динамических потерь определяется следую­щим образом:

Мощность потерь энергии в силовых полупроводниковых элементах преобразователей со­ставляет обычно от одного до нескольких процентов номинальной мощности преобразователя. Поскольку расчет электромагнитных процессов осуществляется при допущении, что вентили иде­альны, то указанные один или несколько процентов можно рассматривать как дополнительную погрешность расчета, которая выражается в дополнительных ошибках в расчете токов и напряже­ний. Эту погрешность можно практически устранить при введении в схемы преобразователей эле­ментов, параметры которых определяются в результате расчета мощности потерь [7].

Суммарная мощность потерь энергии в вентилях преобразователя равна сумме статиче­ских и динамических потерь:

Динамические потери энергии в преобразователе в целом определяются как сумма дина­мических потерь в вентилях фаз:

Сопротивление г, является величиной переменной, которая определяется в цикле расчета токов, напряжений и других параметров. Это сопротивление позволяет учесть в модели системы коммутационные потери в инверторе, несмотря на то, что вентили представлены идеальными клю­чами.

Описанный алгоритм расчета потерь энергии в полупроводниковых элементах может быть использован и используется авторами также и в более сложных случаях.

В качестве примеров могут быть приведены результаты расчетов потерь энергии в преоб­разователях с 7-уровневым инвертором рис. 13.1 и с каскадным соединением трех однофазных инверторов в каждой фазе нагрузки рис. 14.1. Схемы содержат по 36 транзисторов (без учета за­щитных цепей). В инверторах используются транзисторные модули FZ1600R17KF6CB2, характе­ристики которых приведены выше. В выпрямителях используются диодные модули DD540N [76]. Мощность преобразователя 3150 кВт. Напряжение питающей сети 6 кВ, частота сети 50 Гц. На­пряжение нагрузки 3 кВ, частота 274 Гц. Инверторы работают с частотой ТТТИМ 12 кГц. Результа­ты расчетов представлены в табл. 22.1 и в табл. 22.2.

Таблица 22.1 Результаты анализа токов, напряжений и мощности потерь в схеме с 7-уровневым инвертором рис. 13.1

Напряжение 1 фазы питающей сети, В Коэффициент искажения синусоидальности

3443.287

0.001164

Частоты гармоник, Гц 50.00

Действующие значения 3443.285

Фазы, гр.

-0.07186

Ток 1 фазы питающей сети, А Коэффициент искажения синусоидальности

316.270

0.009379

Частоты гармоник, Гц 50.00

Действующие значения 316.256

Фазы, гр. -15.6641

Выпрямленный ток 1 выпрямителя, А Выпрямленный ток 2 выпрямителя, А Выпрямленный ток 3 выпрямителя, А

666.420

780.182

834.592

Напряжение конденсатора Сь В

693.699

Суммарное напряжение конденсаторов, В

4141.358

Ток наиболее нагруженного конденсатора, А

349.754

Ток наиболее нагруженного транзисторного модуля, А Амплитуда тока, А

500.222

997.298

Напряжение 1 фазы нагрузки, В Коэффициент искажения синусоидальности

1693.132

0.1041

Частоты гармоник, Гц 274.00

Действующие значения 1683.932

Фазы, гр. 140.3033

Ток 1 фазы нагрузки, А

Коэффициент искажения синусоидальности

707.621

0.02764

Частоты гармоник, Гц 274.00

Действующие значения 707.351

Фазы, гр. 111.8999

Потери в диодах выпрямителей, кВт Статические потери в инверторе, кВт Динамические потери в инверторе, кВт Суммарные потери энергии, кВт

4.640

22.979

23.856

51.476

Таблица 22.2 Результаты анализа токов, напряжений и мощности потерь в схеме с каскадным соединением трех однофазных инверторов в каждой фазе нагрузки рис. 14.1

Напряжение 1 фазы питающей сети, В Коэффициент искажения синусоидальности

3442.067

0.001282

Частоты гармоник, Гц 50.00

Действующие значения 3442.064

Фазы, гр. -0.1253

Ток 1 фазы питающей сети, А Коэффициент искажения синусоидальности

318.963

0.02080

Частоты гармоник, Гц 50.00

Действующие значения 318.894

Фазы, гр. -17.8881

Выпрямленный ток 1 выпрямителя, А

462.587

Напряжение конденсатора Сь В

719.586

Ток 1 конденсатора, А

415.796

Ток 1 транзисторного модуля плеча моста, А Амплитуда тока, А

432.790

954.271

Напряжение 1 фазы нагрузки, В Коэффициент искажения синусоидальности

1773.295

0.1200

Частоты гармоник, Гц 274.00

Действующие значения 1760.475

Фазы, гр. 140.3120

Ток 1 фазы нагрузки, А

Коэффициент искажения синусоидальности

675.631

0.03003

Частоты гармоник, Гц 274.00

Действующие значения 675.326

Фазы, гр. 112.0018

Потери в диодах выпрямителей, кВт Статические потери в инверторах, кВт Динамические потери в инверторах, кВт Суммарные потери энергии, кВт

7.719

23.264

23.179

54.163

Из таблиц 22.1 и 22.2 видно, что в рассматриваемых схемах транзисторные модули рабо­тают приблизительно в равных условиях – токи в них близки по амплитуде, напряжения на них отличаются несущественно, суммарные потери энергии в них практически одинаковы. Одинаково и количество транзисторных модулей (по 36 штук). Однако в схеме рис. 14.1 приблизительно в полтора раза больше потери энергии в диодных выпрямителях. Кроме того, в схеме рис. 14.1 в 1,5 раза больше конденсаторов, в 1,2 раза больше токовая нагрузка конденсаторов, в 1,04 раза выше напряжение конденсаторов. Вместе с тем, схема рис. 14.1 проще.

Пронин М.В., Воронцов А.Г., Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / Под ред. Крутякова Е.А. СПб: «Электросила», 2003. – 172 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты