基于矢量控制的光伏逆變器IGBT損耗計算

王博（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014）

基于矢量控制的光伏逆變器IGBT損耗計算

王博
（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014）

為精確計算光伏逆變器的IGBT損耗，指導(dǎo)系統(tǒng)熱設(shè)計，提出了一種IGBT損耗精確計算的實用方法。以可視化的工程計算工具MathCAD為載體，基于SVPWM矢量控制原理，建立了光伏逆變器IGBT實際工作的動態(tài)電流函數(shù)，并以該電流函數(shù)為核心，建立了IGBT損耗、反并聯(lián)二極管損耗與電路中電流、電壓等強相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確模型，通過編輯IGBT通態(tài)飽和壓降與電流的函數(shù)；IGBT開、關(guān)損耗與電流及工作電壓的函數(shù)；反并聯(lián)二極管通態(tài)壓降與電流的函數(shù)；反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)損耗與電流等的函數(shù)；利用積分及線性插值函數(shù)求和的形式計算出IGBT及其反并聯(lián)二極管的損耗。利用該精確方法與傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式分別對損耗進行計算，逆變器IGBT溫升試驗結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果有一定的差異，與計算方法結(jié)果完全一致。結(jié)果表明，建立在IGBT及反并聯(lián)二極管實際開關(guān)動作的損耗計算，在工程上等效于真實的工況，可以精確反應(yīng)IGBT的損耗。

空間矢量脈寬調(diào)制；絕緣柵雙極型晶體管；通態(tài)損耗；開關(guān)損耗

近年來，隨著大功率的光伏逆變器、機車牽引變流器、UPS及變頻器等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其功率容量的不斷提高，對IGBT的可靠應(yīng)用提出了較高的要求。研究表明，IGBT的散熱系統(tǒng)在整個功率系統(tǒng)，乃至整機中起著至關(guān)重要的作用，而IGBT的損耗計算是散熱系統(tǒng)設(shè)計的前提，因此IGBT損耗的精確計算可以有效提高開發(fā)效率。

IGBT是功率系統(tǒng)的核心器件，其損耗主要由兩部分組成，即通態(tài)損耗（包括IGBT及其反并聯(lián)二極管）和開關(guān)損耗（包括IGBT開通損耗、關(guān)斷損耗及其反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)損耗）。目前已有一些文獻介紹IGBT損耗計算的方法，一般均以經(jīng)驗公式計算為主，沒有考慮IGBT實際工作實時變化的電流、電壓等強相關(guān)參數(shù)，沒有將IGBT開關(guān)損耗及通態(tài)損耗、反并聯(lián)二極管通態(tài)損耗及反向恢復(fù)損耗的強影響因素引入計算中，因此存在較大的誤差。

本文針對應(yīng)用IGBT的光伏逆變器，提出了一種IGBT損耗精確計算的實用方法，利用MathCAD可視化的工程計算工具，準(zhǔn)確做出IGBT及反并聯(lián)二極管實際工作的電流波形，綜合考慮電流的實時變化對IGBT及二極管的通態(tài)損耗、開關(guān)損耗帶來的影響，利用MathCAD計算工具編輯一系列相關(guān)函數(shù)，求取精準(zhǔn)的損耗，用于指導(dǎo)熱設(shè)計。

1　光伏逆變器功率系統(tǒng)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，光伏組件陣列通過直流端母線電容Cdc接入，由IGBT組成的三相半橋逆變器將直流量變換為脈沖式的交流量，系統(tǒng)輸出的LCL濾波器將脈沖的交流量變換為工頻正弦量并入電網(wǎng)。整個系統(tǒng)中的核心，功率半導(dǎo)體器件IGBT起著能量變換的作用，其損耗特性直接影響功率系統(tǒng)的效率、性能及可靠性。

圖1　光伏逆變器功率系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1　Basic structure of photovoltaic inverter power system

2　基于MathCAD的損耗分析

MathCAD是美國PTC公司旗下的一款工程計算軟件，設(shè)計者可利用詳盡的應(yīng)用數(shù)學(xué)函數(shù)和動態(tài)、可感知單位的計算來同時設(shè)計和記錄工程計算。獨特的可視化格式和便箋式界面將直觀、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)符號、文本和圖形均集成到一個工作表中，通過底層計算引擎返回結(jié)果并顯示。

本文以MathCAD為載體，首先基于SPWM控制，做出光伏逆變器IGBT的工作電流與時間的函數(shù)，并以該電流函數(shù)為核心，引入IGBT及反并聯(lián)二極管損耗模型。然后建立IGBT通態(tài)壓降、反并聯(lián)二極管通態(tài)壓降與電流函數(shù)的復(fù)合函數(shù)，根據(jù)光伏逆變器的工作特點，利用定積分的方式計算出通態(tài)損耗；IGBT的開關(guān)損耗及反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)損耗與工作電流的關(guān)系一般在器件數(shù)據(jù)手冊中以曲線形式給出，在此利用MathCAD中線性插值函數(shù)linterp將圖形化的曲線擬合為函數(shù)，建立開關(guān)損耗與反向恢復(fù)損耗與電流函數(shù)的復(fù)合函數(shù)，引入開關(guān)損耗與反向恢復(fù)損耗的計算中，采用離散累加求和的方式計算出損耗。

3　IGBT損耗計算

根據(jù)IGTB的等效模型、工作特點及損耗主要組成，IGBT及其反并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗可由工作電流與通態(tài)壓降積分計算獲得。而二者的通態(tài)壓降又與工作電流相關(guān)，因此在積分計算的同時引入通態(tài)壓降與工作電流的關(guān)系即可獲得精準(zhǔn)的損耗。IGBT的開通、關(guān)斷損耗與反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)損耗均與工作電流強相關(guān)，二者的開關(guān)損耗可通過與工作電流相關(guān)的函數(shù)累加求和獲得，而損耗與電流的關(guān)系可通過廠家數(shù)據(jù)手冊獲得。因此，為精確計算IGBT損耗，取得IGBT的工作電流函數(shù)至關(guān)重要。

3.1 SVPWM矢量調(diào)制

在圖1所示的功率變換系統(tǒng)中，半橋橋臂中IGBT的瞬時平均工作電流為輸出“LCL”濾波器的前端電感電流與SVPWM開關(guān)函數(shù)乘積，呈正弦包絡(luò)且具開關(guān)頻率紋波的狀態(tài)，因此，可通過IGBT的SVPWM開關(guān)動作情況，做出電感電流與時間的關(guān)系函數(shù)。

光伏逆變器的控制大多采用先進的SVPWM矢量控制技術(shù)。而在工程上，SVPWM矢量控制可等效于傳統(tǒng)的基波疊加1/6倍的3次諧波調(diào)制而成的SPWM矢量控制。因此，本文采用該方法，利用MathCAD計算工具，采用自然采樣法的SPWM調(diào)制技術(shù)，編輯出三角載波與基波疊加1/6倍3次諧波調(diào)制而成的SVPWM波，如圖2和圖3所示。

圖2　基波疊加1/6倍3次諧波的調(diào)制波Fig.2　The modulation wave of 1/6 times third harmonic superposed fundamental waves

圖3　基于SVPWM的三相IGBT瞬時平均電流Fig.3　Instantaneous average current of three phase IGBT based on SVPWM

3.2IGBT及反并聯(lián)二極管通態(tài)損耗

3.2.1IGBT通態(tài)損耗

IGBT的通態(tài)損耗可通過工作電流與其飽和壓降積分得到。根據(jù)IGBT的特性，不同的工作電流對應(yīng)不同的飽和壓降，因此在正弦周期中隨著電流的變化，飽和壓降也在變化。IGBT的飽和壓降與工作電流的曲線關(guān)系生產(chǎn)廠家一般會通過實驗測試的手段獲得。本文通過查詢IGBT的產(chǎn)品手冊，利用MathCAD中l(wèi)interp插值函數(shù)工具擬合出該曲線。linterp函數(shù)不僅包含真實數(shù)據(jù)點，在2個真實數(shù)據(jù)點之間的數(shù)據(jù)以直線插進函數(shù)。

因此，該函數(shù)在獲取足夠多的真實數(shù)據(jù)點的同時，以微觀線性化思想取得數(shù)據(jù)庫，并以函數(shù)的形式呈現(xiàn)出，如下式所示：

線性插值函數(shù)曲線與真實數(shù)據(jù)點對比如圖4所示。該函數(shù)滿足工程的計算精度。因此，IGBT通態(tài)損耗可寫為

式中：Vce為IGBT飽和壓降；ia_C為IGBT的工作電流；T為工頻周期。IGBT損耗按照半橋的工作時序，在1個工頻周期T中，單個IGBT僅工作半個周期，因此損耗中積分的上限為T/2。

圖4　線性插值函數(shù)與真實數(shù)據(jù)對比Fig.4　Comparison between linear interpolation functions and real data

3.2.2反并聯(lián)二極管通態(tài)損耗

二極管的通態(tài)損耗與IGBT類似，可通過相同的方法得到，不同之處在于二極管的工作電流即正向?qū)娏鳛槟孀兤鬏敵鲭娏髋cIGBT的工作電流之差。圖5為IGBT與二極管正向?qū)ㄋ矔r平均電流與時間的函數(shù)關(guān)系對應(yīng)的曲線。

圖5　IGBT與二極管正向?qū)ㄋ矔r平均電流Fig.5　The forward instantaneous average current of IGBT and diode

而二極管的通態(tài)壓降并非定值，與其工作電流也是呈非線性的關(guān)系。通態(tài)壓降與電流的關(guān)系同樣也可采用linterp函數(shù)獲得。IGBT反并聯(lián)二極管的損耗僅在另外半周配合其他兩相續(xù)流，因此其通態(tài)損耗積分時間為T/2到T。

3.3IGBT及反并聯(lián)二極管開關(guān)損耗

3.3.1IGBT的開關(guān)損耗計算

IGBT的開關(guān)損耗與其開通關(guān)斷時的工作電流、開通關(guān)斷特性相關(guān)。開通關(guān)斷時的工作電流即為前面所述的工作電流，而開通關(guān)斷特性與IGBT的工作電壓、驅(qū)動電阻等相關(guān)，不同的驅(qū)動電阻或工作電壓會直接影響IGBT的開關(guān)速度，進而影響損耗。在IGBT的產(chǎn)品手冊中可得到生產(chǎn)廠家通過實驗手段測試得到的開關(guān)損耗與工作電流、驅(qū)動電阻及工作電壓關(guān)系。本文采用同樣方法，通過linterp函數(shù)擬合出損耗與工作電流及工作電壓的函數(shù)，驅(qū)動電阻選取廠家推薦的典型值，從而精確計算開關(guān)損耗。式中：ET_on為IGBT單次開通損耗焦耳量；ET_off為單次關(guān)斷損耗焦耳量；TS為開關(guān)周期；Utest為IGBT數(shù)據(jù)手冊中所給損耗的工作電壓；Ureal為逆變器的實際工作電壓。

IGBT開關(guān)損耗的求和區(qū)域與其工作時間相符，僅在工頻的半周，因此開關(guān)損耗求和區(qū)域為從第1次到第T/2TS次，即半個工頻周期中所有的開關(guān)動作個數(shù)。

3.3.2二極管的反向恢復(fù)損耗計算

IGBT反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)損耗與二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂箷r刻的反向恢復(fù)電流、IGBT的驅(qū)動電阻及工作電壓相關(guān)。同樣，該損耗可在IGBT產(chǎn)品手冊中得到，并且利用linterp函數(shù)得出反向恢復(fù)損耗與反向恢復(fù)電流、IGBT驅(qū)動電阻及工作電壓的函數(shù)為

式中：ED_rr為IGBT反并聯(lián)二極管單次反向恢復(fù)損耗焦耳量。IGBT反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)損耗的求和區(qū)域與其工作時間相符，僅工作在與IGBT相對另半周，因此反向恢復(fù)損耗求和區(qū)域為從第（T/2TS）+1次到第T/TS次。

3.4損耗計算總結(jié)

通過以上計算，IGBT的總體損耗為

IGBT反并聯(lián)二極管的總體損耗為

IGBT及反并聯(lián)二極管結(jié)到散熱器的溫升為

4　計算結(jié)果與實測結(jié)果分析

4.1熱路模型

IGBT的散熱器溫度（一般為基板上距IGBT芯片位置2mm左右散熱器溫度）或殼溫，容易通過測試手段得到，而結(jié)溫難以實測得到。因此，結(jié)溫需要根據(jù)損耗及熱路模型，結(jié)合測試數(shù)據(jù)計算得到，熱路模型如圖6所示。其中，將功率損耗等效成電流源，熱阻等效為電阻，熱阻產(chǎn)生的溫差即為電壓。

圖6　IGBT熱路模型Fig.6　IGBT thermal model

4.2逆變器參數(shù)

本文中整機的散熱系統(tǒng)采用強制風(fēng)冷的方式。光伏逆變器的關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1　光伏逆變器基本參數(shù)Tab.1　Basic parameters of photovoltaic inverter

4.3計算結(jié)果與測試結(jié)果

表2為采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式和本文的計算方法計算所得損耗對比。在熱仿真中，通過IGBT的損耗模型、結(jié)到殼的熱阻、殼到散熱器的熱阻等詳細(xì)參數(shù)，結(jié)合風(fēng)道及整個散熱系統(tǒng)的設(shè)計，最終會得到IGBT的散熱器溫度。該型號IGBT的結(jié)溫最高為175℃，按照75%可靠性工作的降額要求，最高結(jié)溫不高于131℃。

表2　采用不同方法計算IGBT損耗Tab.2　IGBT loss calculated by different methods

在溫升實驗中，按照熱仿真結(jié)果實際設(shè)計風(fēng)道及散熱系統(tǒng)。表3為實際溫升測試結(jié)果，值得一提的是反并聯(lián)二極管損耗遠(yuǎn)小于IGBT，而IGBT與反并聯(lián)二極管的芯片是集成封裝在一起，安裝在散熱器上，因此由于IGBT損耗占了絕大多數(shù)，二極管的損耗影響微乎其微，因此最終測試的散熱器溫度即可認(rèn)為是IGBT散熱器溫度。

表3　IGBT熱實驗結(jié)果Tab.3　IGBT thermal experimental results

熱測試結(jié)果顯示，IGBT散熱器實測溫度及結(jié)到散熱器的溫升與采用本文方法計算出的損耗仿真得到溫升結(jié)果一致，與采用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算的損耗仿真結(jié)果有7℃的差異。

5　結(jié)論

本文以MathCAD為載體，詳細(xì)計算了光伏逆變器的IGBT損耗。其中涉及的電路中電流、電壓及驅(qū)動電阻等參數(shù)是基于IGBT實際工作的實時數(shù)據(jù)；IGBT的損耗模型是基于廠家實際的測試結(jié)果；IGBT飽和壓降與電流的關(guān)系、二極管壓降與電流的關(guān)系、IGBT開關(guān)損耗與電流的關(guān)系以及二極管反向恢復(fù)損耗與電流的關(guān)系等的數(shù)據(jù)利用MathCAD中l(wèi)interp函數(shù)擬合，進而利用積分或累加求和的方式獲得損耗。最后利用測試手段對比驗證了傳統(tǒng)經(jīng)驗公式與該計算方法的差異性，結(jié)果表明該方法與實際測試數(shù)據(jù)一致。該方法已應(yīng)用在光伏逆變器、UPS等產(chǎn)品的開發(fā)中，可精確計算IGBT及反并聯(lián)二極管的損耗，并將計算結(jié)果應(yīng)用于系統(tǒng)熱仿真，精準(zhǔn)指導(dǎo)系統(tǒng)熱設(shè)計。

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Loss Calculation Based on Vector Control of PV Inverter IGBT

WANG Bo
（Xi'an Railway Vocational&Technical Institute，Xi'an 710014，Shaanxi，China）

A practical method of calculating IGBT loss was presented，to accurately calculate the PV inverter IGBT loss，and to guide the system thermal design.Based on the principle of SVPWM vector control and visualization of engineering calculation tool MathCAD，established the dynamic current function of PV inverter IGBT，and took the current function as the core，established an accurate model among IGBT loss，anti-parallel diode loss and the circuit current，voltage and other strongly correlated parameters，edited the function between conduction saturation voltage of IGBT and saturation current；the function among switching losses of IGBT and saturation current and operating voltage；the function between anti-parallel diode conduction voltage and current；the function between anti-parallel diode reverse recovery losses and current；And used the integration and linear interpolation function to calculate the losses of IGBT and ant i-parallel diode.The loss was calculated using the method and the traditional empirical formula.The result of inverter IGBT temperature test is consistent with the calculated results，and there are some differences between empirical formula calculation and test result.The results show that the losses of IGBT and anti-parallel diode which calculated based on the actual switching operation，are equivalent to the real conditions，it can accurately reflect the IGBT losses.

space vector pulse width modulation；insulated gate bipolar transistor；conduction loss；switching loss

TM615

A

2015-07-31

修改稿日期：2016-02-18

王博（1983-），男，碩士，助教，Email：19wangbo@163.com