2.2 Расчёт инвертора напряжения на igbt транзисторах

Максимальный ток, проходящий через транзисторные IGBT ключи инвертора, определяется из выражения:

(А) (2.5)

(А)

Где, – номинальная скорректированная мощность двигателя, (кВт); k_I = (1,2–1,5) – коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току, необходимой для обеспечения динамики электропривода; k₂ = (1,1–1,2) – коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока; η_пэд – номинальный КПД двигателя; U_л – линейное напряжение двигателя, (В).

Выпрямленное среднее напряжение:

(В) (2.6)

(В)

Где, К_сн = 1,35 для мостовой трехфазной схемы.

Тип транзистора выбираем по справочнику с постоянным током I_C ≥ I_C.МАКС и постоянным напряжением U_СЕS ≥ U_d. Выбираем модуль IGBT фирмы Mitsubishi третьего поколения CM300НА-12H с параметрами, приведенными в таблице.№7, соединяем два модуля в параллель.

Таблица №7

Тип прибора	Предельные параметры			Электрические характеристики									Обратный диод		Тепловые и механические параметры			Масса,г
				UCE(sat), B		Cies, нФ	Cоes, нФ	Cres,нФ	td(on),нс	tr,нс	td(off),нс	tf,нс
	UCES,B	IC, A	PC, Вт	типовое	максимальное								Uf, B	trr,нс	Rth(c-f), oC/Вт	IGBT	Диод
																Rth(i-f), oC/Вт
CM300НА-12H	600	400	1100	2,1	2,8	40	14	8	350	300	350	600	2,8	110	0,04	0,085	0,18	400

Примечание: U_CES – максимальное напряжение коллектор-эмиттер; I_C – максимальный ток коллектора; P_C – максимальная рассеиваемая мощность; U_CE(sat) – напряжение коллектор-эмиттер во включенном состоянии; C_ies – входная емкость; C_оes – выходная емкость; C_res – емкость обратной связи (проходная); t_d(on) – время задержки включения; t_r – время нарастания; t_d(off) - время задержки выключения; t_f – время спада; U_f – прямое падение напряжения на обратном диоде транзистора; t_rr – время восстановления обратного диода при выключении; R_th(c-f) – тепловое сопротивление корпус-охладитель; R_th(j-f) – тепловое сопротивление переход-корпус.

Потери в IGBT в проводящем состоянии

(Вт) (2.7)

Где, (А) (2.8)

(В)т

Где, I_ср = I_с.макс/k₁ – максимальная величина амплитуды тока на входе инвертора; D = (t_p/T) – максимальная скважность, принимается равной 0,95; cos θ – коэффициент мощности, примерно равный cosφ; Uce(sat) – прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при I_ср и Т_j=125ºС (типовое значение 2,1–2,2 В).

Потери IGBT при коммутации

(Вт) (2.9)

Где,

с

с

(Вт)

Где, t_c(on), t_c(off) – продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT соответственно на открывание и закрывание транзистора, с; tf - U_cc – напряжение на коллекторе IGBT (коммутируемое напряжение, равное напряжению звена постоянного тока для системы АИН–ШИМ), В; f_sw – частота коммутаций ключей (частота ШИМ), обычно от 5000 до 15000Гц.

Суммарные потери IGBT

(Вт) (2.10)

(Вт)

Потери диода в проводящем состоянии

(Вт) (2.11)

(Вт)

Где, – максимальная амплитуда тока, через обратный диод, А; U_ec – прямое падение напряжения на диоде (в проводящем состоянии) при I_ep, B.

Потери восстановления запирающих свойств диода

(Вт) (2.12)

(Вт)

Где, I_rr. – амплитуда обратного тока через диод (равная I_cp), A; t_rr – продолжительность импульса обратного тока, с (типовое значение 0,2 мкс).

Суммарные потери диода

(Вт) (2.13)

(Вт)

Результирующие потери в IGBT с обратным диодом определяются по формуле

(Вт) (2.14)

(Вт)

Максимальное допустимое переходное сопротивление охладитель - окружающая среда °C/Вт, в расчете на пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод)

(град.Цельсия/Вт) (2.15)

⁰С/Вт

⁰С/Вт

Где, Т_а – температура охлаждающего воздуха, 40–50 °С; Т_С – температура теплопроводящей пластины, 90–110 °С; Р_Т – суммарная рассеиваемая мощность, Вт, одной парой IGBT/FWD, R_th(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару IGBT/FWD, °С/Вт.

Температура кристалла IGBT определяется по формуле

(Град.цельсия) (2.16)

⁰С

Где, R_th(j-c)q – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для IGBT части модуля. При этом должно выполняться неравенство T_ja ≤ 125 ⁰C.

Неравенство выполняется, так как 118,75ºС<125ºС.

Температура кристалла обратного диода FWD

(град.Цельсия) (2.17)

⁰С

Где, R_th(j-c)d – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для FWD части модуля. Должно выполняться неравенство Т_jd ≤ 125 ⁰C.

Неравенство выполняется, так как 106,65ºС<125ºС.

Выбираем радиатор серии BF с воздушным обдувом со скоростью 5 м/с.

Тип радиатора – 02 с габаритами: длина (L) – 152,4мм, ширина (В) – 50,8мм, толщина подложки (D) – 8,5мм, количество рёбер – 14, расстояние между рёбер – 3,5мм. Термическое переходное сопротивление – 0,15ºС/Вт.