4.4. Расчет потерь в инверторе.

Расчет потерь в инверторе при ШИМ формировании синусоидального тока на выходе заключается в определении составляющих потерь IGBT в проводящем состоянии и при коммутации, а также потерь обратного диода.

1. Потери в IGBT в проводящем состоянии:

, (4.2)

где I_ср = I_{c max} /k₁ = 133,5/1,4 = 95,4 А – максимальная амплитуда тока на входе инвертора, А;

D = t_р /T ≈ 0,95 – максимальная скважность;

cos θ ≈ cos φ – коэффициент мощности;

U_ce(sat) – прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при I_ср и T_j = 125⁰C.

2. Потери IGBT при коммутации:

, (4.3)

где t_c(on), t_c(pff) – продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на открывание t_c(on) и закрывание t_c(pff) транзистора, с (типовое значение t_c(on) = 0,3 – 0,4 мкс; t_c(pff) = 0,6 – 0,7 мкс);

U_ce – напряжение на коллекторе IGBT, В (коммутируемое напряжение, равное напряжению звена постоянного тока для системы АИН - ШИМ);

f_sw – частота коммутаций ключей, Гц (частота ШИМ), обычно от 5000 до 15000 Гц (принимаем f_sw = 10⁴ Гц).

3. Суммарные потери IGBT:

P_Q = P_SS + P_SW = 43,1 + 55 = 98,1 Вт

4. Потери диода в проводящем состоянии:

, (4.5)

где I_ер = I_cр – максимальная амплитуда тока через обратный диод, А;

U_ce = U_f – прямое падение напряжения на диоде (в проводящем состоянии) при I_ер, В.

5. Потери при восстановлении запирающих свойств диода:

, (4.6)

где I_rr – амплитуда обратного тока через диод, А (I_rr ≈ I_cр );

t_rr – продолжительность импульса обратного тока, с (типовое значение 0,2 мкс).

6. Суммарные потери диода:

P_D = P_DS + P_DR = 57,4 + 0,04 = 57,44 Вт (4.7)

7. Результирующие потери в IGBT с обратным диодом:

P_T = P_Q + P_D = 98,1 + 57,44 = 155,54 Вт (4.8)

Найденные результирующие потери являются основой для теплового расчета инвертора, в ходе которого определяются тип и геометрические размеры необходимого охладителя, а также проверяется тепловой режим работы кристаллов IGBT и обратного диода.

4.5.Тепловой расчет инвертора.

1) Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель - окружающая среда R_th(f-a), ⁰C/Вт, в расчете на одну пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод):

, (4.9)

где Т_а = 45 – 50 ⁰С – температура охлаждающего воздуха;

Т_с = 90 – 110 ⁰С – температура теплопроводящей пластины;

Р_Т – суммарная мощность, Вт, рассеиваемая одной парой IGBT/FWD;

R_th(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус – поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару IGBT/FWD, ⁰С/Вт.

2) Температура кристалла IGBT, ⁰С, определяется по формуле:

T_ja = T_c + P_Q∙R_th(j-c)q, (4.10)

где R_th(j-c)q – термическое переходное сопротивление кристалл – корпус для IGBT части модуля, ⁰C/Вт.

При этом должно выполнятся условие T_ja < 125 ⁰С.

T_ja = 100 + 98,1∙0,16 = 116,4 ⁰С < 125 ⁰С

3) Температура кристалла обратного диода FWD, ⁰С:

T_jd = T_c + P_D∙R_th(j-c)d, (4.11)

где R_th(j-c)d – термическое переходное сопротивление кристалл – корпус для FWD части модуля, ⁰С/Вт.

При этом должно выполнятся условие T_jd < 125 ⁰С.

T_jd = 100 + 57,44∙0,18 = 120,1 ⁰С < 125 ⁰С