У моделях установок з перетворювачами на IGBT розраховуються миттєві значення струмів у всіх елементах схем. Якщо відомі активні опору конденсаторів, дроселів, трансформаторів в використовуваних схемах заміщення, то визначаються потужність втрат енергії ДРГ і втрати енергії AWr в цих пристроях на кожному кроці розрахунку At:

У розглянутих математичних моделях перетворювачів реальні напівпровідникові елементи представляються ідеальними ключами. Це спрощує розрахунки. Проте в ідеальних ключах втрати енергії відсутні. У реальних напівпровідникових приладах втрати енергії існують і вони звичайно поділяються на статичні і динамічні втрати. Статичні втрати визначаються в основному струмом і падінням напруги від цього струму у відкритому стані транзистора і діода. Динамічні втрати виникають при перемиканнях транзистора, а також при вимиканні зворотного діода. Для визначення вказаних втрат в алгоритми розрахунку вводяться такі удосконалення.

При виконанні електромагнітних розрахунків на кожному кроці за часом визначаються струми у всіх елементах схем, у тому числі в діодах і транзисторах itl. Ця інформація використовується для розрахунку статичних і динамічних втрат енергії, який здійснюється одночасно з розрахунком електромагнітних процесів.

Рис. 22.2 Вольт-амперні характеристики зворотного діода в модулі типу FZ1600R17KF6CB2 для температур 25 ° С і 125 С

Рис. 22.1 Вольт-амперні характеристики транзистора в модулі FZ1600R17KF6CB2 для температур 25 ° С і 125 С

При розрахунку статичних втрат використовуються вольт-амперні характеристики транзисторів і діодів. Ці характеристики визначаються фірмами-виробниками приладів для різних температур напівпровідникових структур, зазвичай 25 ° С і 125 С. На рис. 22.1 і 22.2 як приклад представлені вольт-амперні характеристики транзистора і зворотного діода модуля типу FZ1600R17KF6CB2 фірми EUPEC [76].

Потужність ДРСТ і енергія AWCT статичних втрат в перетворювачі визначається сумою втрат в окремих модулях:

Потужність APdt і енергія AWdt статичних втрат в окремих транзисторних модулях:

З урахуванням (22.2) і (22.3) потужність Apt і Ара і енергія Awt і Awd статичних втрат в окремих транзисторах і діодах можуть бути визначені наступним чином:

Фактичні температури напівпровідникових структур транзисторів tt і діодів td задаються або розраховуються на основі математичного опису теплових процесів. Напруження на транзисторах і діодах для фактичних температур:

У математичних моделях перетворювачів вольт-амперні характеристики приладів задаються таблично. За цими характеристиками при використанні підпрограм сплайн-апроксимації кривих [37] на кожному кроці розрахунку для двох температур визначаються падіння напруги на транзисторах Aut25, АіН25 і на діодах Дщ25, Audi25 як функції відповідних струмів:

Для визначення динамічних характеристик використовуються залежно втрат енергії від струму при перемиканні транзисторів і діодів при температурах 25 ° С і 125 С. В якості прикладу на рис. 22.3 для модуля FZ1600R17KF6CB2 для температури 125 С представлені залежності втрат енергії від струму при включенні транзистора Eoni25, при його виключенні Еой125, а також при вимиканні зворотного діода Ereci25-

Рис. 22.3 Залежності від струму втрат енергії на включення і виключення транзистора і на вимикання зворотного діода модуля типу FZ1600R17KF6CB2 для 125 З

Слід зазначити, що залежно рис. 22.3 задані для робочої напруги 900 В (при класифікаційному напрузі транзисторного модуля 1700 В) і для активного опору в ланцюзі затвора 0,9 Ом [76]. При зміні цих параметрів залежно рис. 22.3 повинні бути відкориговані.

В даному випадку аналогічні залежності втрат енергії на перемикання для модуля FZ1600R17KF6CB2 для температури 25 ° С не задані. Тому з деякими завищенням розрахункових втрат енергії для температури 25 ° С можуть бути використані ті ж залежності динамічних втрат, що і для температури 125 С.

При розрахунку динамічних втрат енергії потрібно враховувати, що при виключенні транзистора в будь-якому модулі його ток зазвичай направляється в зворотний діод іншого транзистора, який знаходиться в іншому модулі або в тому ж самому модулі (в залежності від типу використовуваних елементів). При цьому динамічні втрати, що виникають при перемиканні одного транзистора, можуть відноситися до одного або до різних конструктивних елементам. В залежності від постановки задачі теплового розрахунку динамічні втрати можуть визначатися в кожному транзисторному модулі, або в перетворювачі в цілому з можливим подальшим поділом сумарних втрат на втрати в окремих конструктивних елементах. В останньому випадку алгоритм розрахунку може бути трохи спрощений. Зокрема, можуть бути використані не окремі складові динамічних втрат, зображені на рис. 22.3, а сумарні динамічні втрати енергії на одному циклі перемикання транзистора (включення транзистора, вимикання транзистора, виключення зворотного діода). Відповідна залежність сумарних втрат за цикл комутації для модуля типу FZ1600R17KF6CB2 для температури 125 ° С представлена ​​на рис. 22.4.

Рис. 22.4 Залежність втрат енергії від струму при повному циклі комутації модуля типу FZ1600R17KF6CB2 для 125 ° С

Аналогічно рис. 22.4 задається залежність втрат енергії при повному циклі перемикання модуля FZ1600R17KF6CB2 для температури 25 ° С.

Розрахунок динамічних втрат енергії в вентилях залежить від схеми перетворювача і алгоритму управління.

В схемі з трифазним мостовим інвертором рис. 1.3, при формуванні імпульсів управління шляхом порівняння пилоподібного опорного напруги і трифазної системи напруг управління рис. 1.6, алгоритм розрахунку динамічних втрат в вентилях може бути наступним.

На кожному періоді опорного напруги відома величина напруги керування в кожній фазі інвертора, яка визначається при виконанні електромагнітних розрахунків. Якщо напруга управління на даному періоді виходить за робочі межі опорного напруги, то в цій фазі на даний час транзистори не перемикаються, і динамічні втрати відсутні. Якщо напруга управління знаходиться в робочому діапазоні опорного напруги, то при використанні підпрограм сплайн-апроксимації кривих по залежностям типу рис. 22.4 для відомого струму фази in визначаються динамічні втрати енергії El25 і Еп25 для температур 25 ° С і 125 ° С при повному циклі комутації вентилів фази. Для заданої або розраховується температури напівпровідникової структури енергія динамічних втрат визначається наступним чином:

Потужність втрат енергії в силових напівпровідникових елементах перетворювачів становить зазвичай від одного до декількох відсотків номінальної потужності перетворювача. Оскільки розрахунок електромагнітних процесів здійснюється при допущенні, що вентилі ідеальні, то зазначені один або кілька відсотків можна розглядати як додаткову похибка розрахунку, яка виражається в додаткових помилки в розрахунку струмів і напруг. Цю похибку можна практично усунути при введенні в схеми перетворювачів елементів, параметри яких визначаються в результаті розрахунку потужності втрат [7].

Сумарна потужність втрат енергії в вентилях перетворювача дорівнює сумі статичних і динамічних втрат:

Динамічні втрати енергії в перетворювачі в цілому визначаються як сума динамічних втрат в вентилях фаз:

Опір г, є величиною змінної, яка визначається в циклі розрахунку струмів, напруг та інших параметрів. Це опір дозволяє врахувати в моделі системи комутаційні втрати в инвертор, незважаючи на те, що вентилі представлені ідеальними ключами.

Описаний алгоритм розрахунку втрат енергії в напівпровідникових елементах може бути використаний і використовується авторами також і в більш складних випадках.

Як приклади можуть бути наведені результати розрахунків втрат енергії в перетворювачах з 7-рівневим інвертором рис. 13.1 і з каскадним з’єднанням трьох однофазних інверторів в кожній фазі навантаження рис. 14.1. Схеми містять по 36 транзисторів (без обліку захисних ланцюгів). В інверторах використовуються транзисторні модулі FZ1600R17KF6CB2, характеристики яких наведені вище. У випрямлячах використовуються діодні модулі DD540N [76]. Потужність перетворювача 3150 кВт. Напруга мережі живлення 6 кВ, частота мережі 50 Гц. Напруга навантаження 3 кВ, частота 274 Гц. Інвертори працюють з частотою ТТТІМ 12 кГц. Результати розрахунків представлені в табл. 22.1 і в табл. 22.2.

Таблиця 22.1 Результати аналізу струмів, напруг і потужності втрат в схемі з 7-рівневим інвертором рис. 13.1

Напруга 1 фази мережі живлення, В Коефіцієнт спотворення синусоидальности

3443.287

0.001164

Частоти гармонік, Гц 50.00

Діючі значення 3443.285

Фази, гр.

-0.07186

Ток 1 фази мережі живлення, А Коефіцієнт спотворення синусоидальности

316.270

0.009379

Частоти гармонік, Гц 50.00

Діючі значення 316.256

Фази, гр. -15.6641

Випрямлений струм 1 випрямляча, А Випрямлений ток 2 випрямляча, А Випрямлений ток 3 випрямляча, А

666.420

780.182

834.592

Напруга конденсатора Сь В

693.699

Сумарне напруга конденсаторів, В

4141.358

Ток найбільш навантаженого конденсатора, А

349.754

Ток найбільш навантаженого транзисторного модуля, А Амплітуда струму, А

500.222

997.298

Напруга 1 фази навантаження, В Коефіцієнт спотворення синусоидальности

1693.132

0.1041

Частоти гармонік, Гц 274.00

Діючі значення 1683.932

Фази, гр. 140.3033

Ток 1 фази навантаження, А

Коефіцієнт спотворення синусоидальности

707.621

0.02764

Частоти гармонік, Гц 274.00

Діючі значення 707.351

Фази, гр. 111.8999

Втрати в діодах випрямлячів, кВт Статичні втрати в инвертор, кВт Динамічні втрати в инвертор, кВт Сумарні втрати енергії, кВт

4.640

22.979

23.856

51.476

Таблиця 22.2 Результати аналізу струмів, напруг і потужності втрат в схемі з каскадним з’єднанням трьох однофазних інверторів в кожній фазі навантаження рис. 14.1

Напруга 1 фази мережі живлення, В Коефіцієнт спотворення синусоидальности

3442.067

0.001282

Частоти гармонік, Гц 50.00

Діючі значення 3442.064

Фази, гр. -0.1253

Ток 1 фази мережі живлення, А Коефіцієнт спотворення синусоидальности

318.963

0.02080

Частоти гармонік, Гц 50.00

Діючі значення 318.894

Фази, гр. -17.8881

Випрямлений струм 1 випрямляча, А

462.587

Напруга конденсатора Сь В

719.586

Ток 1 конденсатора, А

415.796

Ток 1 транзисторного модуля плеча моста, А Амплітуда струму, А

432.790

954.271

Напруга 1 фази навантаження, В Коефіцієнт спотворення синусоидальности

1773.295

0.1200

Частоти гармонік, Гц 274.00

Діючі значення 1760.475

Фази, гр. 140.3120

Ток 1 фази навантаження, А

Коефіцієнт спотворення синусоидальности

675.631

0.03003

Частоти гармонік, Гц 274.00

Діючі значення 675.326

Фази, гр. 112.0018

Втрати в діодах випрямлячів, кВт Статичні втрати в інвертора, кВт Динамічні втрати в інвертора, кВт Сумарні втрати енергії, кВт

7.719

23.264

23.179

54.163

З таблиць 22.1 і 22.2 видно, що в розглянутих схемах транзисторні модулі працюють приблизно в рівних умовах – струми в них близькі по амплітуді, напруги на них відрізняються несуттєво, сумарні втрати енергії в них практично однакові. Однаково і кількість транзисторних модулів (по 36 штук). Проте в схемі рис. 14.1 приблизно в півтора рази більше втрати енергії в діодних випрямлячах. Крім того, у схемі рис. 14.1 в 1,5 рази більше конденсаторів, в 1,2 рази більше струмова навантаження конденсаторів, в 1,04 рази вище напруга конденсаторів. Разом з тим, схема рис. 14.1 простіше.

Пронін М.В., Воронцов А.Г., Силові повністю керовані напівпровідникові перетворювачі (моделювання і розрахунок) / Под ред. Крутякова Е.А. СПб: «Електросила», 2003. – 172 с.