淺議大功率三電平變頻器損耗計算及散熱分析

摘 要：準(zhǔn)確的算出大功率的三電平變頻機(jī)的損耗，能夠使變頻機(jī)的散熱系統(tǒng)得到優(yōu)化。變頻器的導(dǎo)通和開關(guān)對溫度的變化十分敏感，在進(jìn)行大功率三電平變頻器損耗計算的時候，一定要考慮溫度變化所帶來的影響。本文重點介紹了大功率三電平變頻器的導(dǎo)通和開關(guān)的變化方式，并且通過研究整理出了一套能夠計算損耗的方法。對一臺大功率三電平變頻器在逆變和整流這兩種情況下進(jìn)行了研究和討論。

關(guān)鍵詞：三電平變頻器；損耗；計算

大功率變頻器由于采用了多變頻技術(shù)，從而改善了輸出性能，由于電平數(shù)量的增多，其相連的變頻器的功率部件也會隨之上升。所以無論從哪一個方面看三電平變頻器優(yōu)勢都十分明顯。變頻器的數(shù)量增加，其變頻器的功率部件也在不斷的損耗，所以在過程中出現(xiàn)的散熱問題，已經(jīng)成為了大功率三電平變頻器制作過程中，可能出現(xiàn)的核心問題。

1.NPC三電平變頻器的開關(guān)狀態(tài)問題

NPC因為鉗位二極管的原因，可以輸出三種開關(guān)狀態(tài)分別是P、O、N這三種狀態(tài)。其三種開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的開關(guān)序列和輸出的電壓可以參照表1所示。從負(fù)載電流的流向能夠看出，狀態(tài)不同的情況下有兩種不同電流通過，本文把電流流出變頻器的方向看成正，流入變頻器的方向是負(fù)[1]。

2.損耗計算方法

VT1在同一個調(diào)制周期的內(nèi)的導(dǎo)通損耗及開關(guān)損耗的計算方法：

開關(guān)的頻率比調(diào)制頻率要高的時候，開關(guān)的損耗的計算方法可以用連續(xù)積分來表達(dá)，還能重新表達(dá)為：

3.普遍的功率器件散熱方式

3.1空氣中散熱

空氣中散熱是指不用任何外力來提高能量進(jìn)行發(fā)熱，而是不停的向周圍環(huán)境散發(fā)熱量，從而達(dá)到能夠控制其溫度的目的。傳熱方式有對流、傳導(dǎo)、輻射等等傳播方式，自然對流是主要的傳播方式。對溫度要求不高的耗電器件不需要其他的冷卻器件，采用在空氣中散熱就可以[2]。

3.2風(fēng)冷散熱

空氣中散熱的方式如果完全不起作用，就要借助其外力來加強(qiáng)空氣流動，器件發(fā)出的熱流傳給了周圍。這種方式簡單便捷，而且十分便宜，技術(shù)已經(jīng)成熟，工作原理安全，是散熱方式中最普遍的一種。但是仍有不足，該方式無法將發(fā)熱的器件降低到比外面的溫度還低，而且風(fēng)扇轉(zhuǎn)動會帶來極大的噪音，會降低風(fēng)扇的壽命，縮短電扇使用的時間。

3.3冷水散熱

因為電子器件密度逐漸增大，一般的冷風(fēng)或者空氣散熱都不能達(dá)到冷卻的目的，所以用冷水散熱這種方式就隨之出現(xiàn)。根據(jù)調(diào)查所知，氣體換熱系數(shù)為20～100W之間，水的換熱系數(shù)為15000W。目前使用較多的是冷水散熱的一種循環(huán)裝置，采用密封的技術(shù)，由純水冷卻器、儀表和監(jiān)測元件，還有一些閥門等組成。這個裝置優(yōu)點是效率快、沒有風(fēng)扇和振動，噪音小[3]。缺點是因為水是密封的，所以容易臟容易變質(zhì)產(chǎn)生異味，一定要在使用中杜絕缺水、漏水這種情況的產(chǎn)生，而且這種方式比較昂貴，也是缺點之一。

4.損耗研究分析

損耗器件的功能計算時，開關(guān)過程的建立確定了損耗模型的建立。但是開關(guān)過程需要進(jìn)行計算，而且需要花費很長的時間。根據(jù)典型的結(jié)溫25度和125度下的參數(shù)樹立損耗模型。最開始出現(xiàn)的通態(tài)電阻在導(dǎo)通中會產(chǎn)生大量的損耗。并且隨著溫度的不斷變化，其最初的飽和不斷的下降。IGBT在開始和結(jié)束的過程中都會產(chǎn)生損耗。在特定的環(huán)境中，功率器件開始到結(jié)束的能力損耗，我們能通過電壓和電流相乘，然后再看時間積分這種方式來得出結(jié)論。在數(shù)據(jù)手冊中能看出在125度時，電壓有明顯變化。在不同的電壓和結(jié)溫中，其能量的損耗比實際承受的電壓值要小。

5.大功率三電平變頻器損耗計算及散熱分析結(jié)論

（1）溫度系數(shù)改變了功率器件由于結(jié)溫產(chǎn)生的對電阻的影響，認(rèn)真考慮到器件受電壓電流還有結(jié)溫這三種情況中對開關(guān)能量所產(chǎn)生的變化，能準(zhǔn)確的計算出變頻器損耗的；

（2）對NPC三電瓶變頻器的電流進(jìn)行了深度的分析，總結(jié)出了一套計算方法，以及計算公式，通過計算公式算出，逆變模式下變頻器外面的熱管功率消耗龐大，而整流模式模式中里面的熱管損耗要比外管的功率消耗還要大；

（3）紅外熱成像儀能夠?qū)δ孀兒驼鬟@兩者模式下的IGBT的溫度進(jìn)行測試，然后再去和用公式計算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，其對比之后的數(shù)據(jù)顯示其誤差率低于5%。完全達(dá)到了工程設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。也能夠證明文章中NPC三種電平變頻器損耗計算是十分正確的，這種計算方式為大功率變頻器的散熱模式提供了極大的便利。

6.結(jié)語

制作散熱器對加工要求很高，現(xiàn)代的加工技術(shù)制作的散熱器十分良好。但是仍然存在不足之處，由于對電氣柜上的散熱器研究的時間較為短，沒有一些實際的經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)，其加工的技術(shù)需要不斷的進(jìn)行創(chuàng)新。目前市場的需求很大，電子器件的散熱設(shè)備會不斷的發(fā)展，選擇哪種散熱方式是我們所要一直探究的，我們要根據(jù)散熱方式的優(yōu)勢以及不足來進(jìn)行比對，還可以根據(jù)公式進(jìn)行計算，針對不同的散熱方式有著不同的比對方法和計算方法，要選出一種最便捷，最方便的散熱方式進(jìn)行散熱。

參考文獻(xiàn)：

[1]景巍，譚國俊，葉宗彬.大功率三電平變頻器損耗計算及散熱分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報，2011（02）.

[2]景巍，譚國俊，趙張飛.有源鉗位三電平變頻器調(diào)制策略及損耗分析[J]. 電氣傳動，2011（02）.

[3]景巍.大功率三電平變頻器功率器件損耗研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2011.

作者簡介：

劉繼樂（1986.1—），男，江蘇徐州人，漢族，本科，助理工程師，研究方向，工業(yè)變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，徐州中礦大傳動與自動化有限公司。