大功率三电平变频器损耗计算及散热分析

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1、2011年2月电工技术学报Vol.26No.2第26卷第2期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYFeb.2011大功率三电平变频器损耗计算及散热分析景巍谭国俊叶宗彬（中国矿业大学信息与电气工程学院徐州221008）摘要准确计算功率器件损耗可优化变频器的散热设计。功率器件的导通和开关特性对温度比较敏感，损耗计算必须考虑结温的影响。本文分析了中点钳位式（NPC）三电平变频器功率器件导通和开关规律，在此基础上建立了一套实用的损耗计算方法。通过热阻等效电路计算了功率器件的结温。对一台1MVANPC三电

2、平变频器在逆变和整流两种典型工况下进行了试验分析，采用红外热成像仪对功率器件的温度进行测量，计算和测量结果误差率在5%以内，验证了损耗计算的准确性。关键词：三电平变频器IGBT模块损耗结温散热热阻中图分类号：TM464LossesCalculationandHeatDissipationAnalysisofHigh-PowerThree-LevelConvertersJingWeiTanGuojunYeZongbin（ChinaUniversityofMiningandTechnologyXuzhou221008China）Abstract

3、Thermaldesignoftheconvertercanbeoptimizedifthepowerlossesarepreciselyknown.Thedevice’sconductionandswitchingcharacteristicsareverysensitivetothetemperatures,sotheinfluenceofjunctiontemperaturesmustbetakenintoconsiderationwhencalculatingthepowerlosses.Inthispaper,apractical

4、losscalculationmethodisderivedbasedontheanalysisoftheconductionandswitchingprinciplesoftheneutralpointclampingthree-levelconverters.Usingthermalresistanceequivalentcircuit,thedevicesjunctiontemperaturesareacquired.An1MVANPCconverteristestedininverterandrectifieroperatingmo

5、des,andtheinfraredthermalimagerisusedtomeasurethedevicestemperatures.Theerrorratesbetweenmeasuredandcalculatedtemperaturesarewithin5%rangeandthusthevalidityofthelosscalculationmethodisverified.Keywords：Three-levelconverter,IGBTmodule,loss,junctiontemperature,heatdissipatio

6、n,thermalresistance此，无论是从实用性还是控制复杂性方面，NPC三电平变频器都具有较强的竞争优势。变频器随着其容量的不断提升，功率器件的损耗也急剧增收稿日期2010-06-11改稿日期2010-11-10加，散热问题已成为大功率三电平变频器研发过程中的关键问题之一。现场应用表明，散热性能的好1引言坏直接影响到变频器的可靠性以及使用寿命，恶劣的情况下甚至能直接导致功率器件的损坏。大功率变频器采用多电平技术可有效地降低变变频器的发热主要是由功率器件的导通损耗和频器输出电压的谐波成分，改善其输出性能[1]。然开关损耗引起，同时功

7、率器件的导通和开关特性又而随着电平数的增多，变频器中的功率器件会大幅对温度非常敏感，因此准确计算功率器件的损耗可度增加，同时对其控制器也提出了更高的要求。因优化变频器的散热设计。目前，对于单个IGBT模第26卷第2期景巍等大功率三电平变频器损耗计算及散热分析135块以及两电平变频器的损耗计算和散热分析已有较2.2开关损耗多研究[2-5]。然而，三电平和两电平在电流的流通路功率器件IGBT在开通和关断过程中会产生开径上有本质的区别，功率器件的损耗相差甚远。文关损耗，快速恢复二极管开通过程中的损耗非常小，献[6-9]在分析NPC三电平变频器损耗

8、时没有考虑可忽略不计，而在关断时会产生反向恢复损耗。在功率器件结温对损耗的影响，造成计算和实验结果特定测试条件下，功率器件开通和关断时的能量损存在一定的误差。文献[7]认为开关能