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原创 光伏逆变技术大赛

电力变换器损耗模型的一些总结

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gjtttt
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  • 2017-5-8 22:57:07
    首先说一下,楼主水硕一枚,也很少接触逆变,整流倒是有些理解,最近因为毕业论文,对电力变换器损耗模型看的东西比较多,而且损耗在电力变换器里面基本上也属于通用的,包括逆变器、UPS等等,在这里整理一下,大家相互学习一下,也好发现自己的不足。
    先说总体的吧,从器件的角度上来说,电力变换器的功率损耗主要包括有以下几点:(这个感觉大家都应该看过了。。)
    1、功率半导体器件的损耗,主要包括有IGBT、MOSFET、BJT、二极管、晶闸管等等半导体的功率损耗,一般情况下也是系统功率损耗最大的部分。简单的划分可以分为导通损耗和开关损耗俩大类。
    2、磁性元器件的损耗,主要包括有电感、变压器等磁性元件的损耗,简单划分为铁损(磁芯损耗)和铜损(绕组损耗)俩大类。铁损又包括有磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗,磁滞损耗一般由磁滞回线导致的,涡流损耗主要是由于变换的磁通在磁芯产生涡流导致的,剩余损耗简单来说就是剩下的不好解释的损耗了。按照开关电源原理的解释来说,在低频情况下,磁滞损耗占主导,高频是由涡流损耗占主导,而剩余损耗很少考虑。铜损主要包括有直流电阻损耗和交流电阻损耗俩类,直流电阻损耗指的也就是绕组直流电阻所带来的损耗。交流电阻损耗主要是由集肤效益和临近效应导致,具体下面分析的时候再说吧。这也是电力变换器损耗第二大部分。
    3、电阻型损耗,主要由电阻型器件,包括保险丝、继电器、PCB走线等表现直流电阻特性器件导致的,计算也比较简单。所占比例一般也比较小。
    4、电容型损耗,因为滤波/储能电容等引起的损耗,一般情况下可以根据纹波电流和电容的等效ESR计算,同样这部分所占比例也比较小。
    5、辅助电源的损耗,这部分损耗主要是由系统供电所带来的损耗,通常情况下以驱动电路消耗的功率最大,在15KW充电机上面的实测,辅助电源功耗大概在40W左右,当然,这个仅供参考。。
    半夜在宿舍不方便贴引用论文和图,,而且后天就要正式答辩了,,先开个题。看看大家的反应。。

wangdongchun
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  • 2017-5-9 06:10:55
 
不错的资料   期待更多分享
孔雀东南飞
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  • 2017-5-9 08:10:06
 
水硕来顶帖,继续啊
gjtttt
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  • 2017-5-9 15:19:24
 
多谢多谢
caichengchao
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  • 2017-5-9 08:48:52
 
楼主加油!
gjtttt
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  • 2017-5-9 15:19:47
 
加油!
世纪电源网雪花
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超级版主
  • 2017-5-9 09:36:04
 
别谦虚,答辩顺利
gjtttt
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  • 2017-5-9 15:20:18
 
虚啊,最新消息,上午一个组被推了三个差。。
gjtttt
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  • 2017-5-9 15:18:28
 
接着贴一波,先贴图吧,我就以我已经弄好的为例了,这是我建立的7.5KW三相维也纳整流器中的损耗所占比例 。
下图是损耗仿真的数据
QQ图片20170509150044.png
PQ是MOS部分损耗,PD是二极管部分损耗,PLT是PFC电感部分损耗,PC是滤波电容部分的损耗。
这是拓扑结构。三相维也纳拓扑也叫做三相三开关拓扑。。
`[F57R{[(5@SE)__1@~HQPT.png

nc965
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版主
  • 2017-5-9 21:21:57
 
电路有错,数据来路要说明,仿真?实测?计算?估计?
gjtttt
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  • 2017-5-9 22:01:49
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多谢指导,一直没注意到。。。电路图已经修正了,拓扑图中Q2、Q4、Q6应该是镜像的,
gjtttt
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  • 2017-5-9 21:51:12
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功率半导体部分,------功率开关管
     功率开关管主要有MOSFET、IGBT和BJT,就说我接触到的吧,在逆变器(单相/三相)、双向储能里面,使用较多的是IGBT,工作频率使用较多的是20Khz;7.5KW/15KW充电机、工业高压特种电源、小功率正激式/辅助电源/系统芯片供电(buck)等使用较多的是MOSFET,工作频率不等,50Khz(三相维也纳)、100khz(移相半桥/全桥)、60Khz-300Khz(LLC,谐振点100Khz左右),辅助反激式(120K等等),系统芯片功率Buck(500k、2M等等);BJT说实话我没用过,唯一了解的是在模拟线性电源里面应用的好像比较多。
     总结来说,IGBT适用于低频大电流的应用,MOSFET适用于高频小电流的应用,原因主要是因为IGBT的拖尾电流较严重,不适合频率较高的应用,MOSFET相比而言由于导通电阻较大,因此并不适合于大电流的应用。这里的高频和低频以20Khz为界,当然这个说法也比较久远了。。
     言归正传,下面说功率开关管部分的损耗,主要包括有导通损耗和开关损耗,导通损耗就不说了,主要由导通电阻和漏极电流引起的,计算也比较简单,下面着重叙述开关损耗。就那我熟悉的MOS为例:
     首先,感谢胡庄主的贴,受益匪浅。这才是真正的大神之作!
     https://bbs.21dianyuan.com/thread-206857-1-1.html
     从我总结的角度来说,MOS开关损耗主要和寄生电容和寄生电感有关,详细如下图
@Z4EF7OH{[)EX7I`8(D%JY0.png
     此间的重点在于,Cgd/Cgs/Cds三个寄生电容的非线性,这也给建模带来很大的挑战,更加发表的论文来看,处理方式主要有俩种,一是以固定值(典型值)代替,二是模拟曲线公式,但是从以发表的论文来看,大多论文的曲线模拟公式是基于低压BUCK电路中MOS建立的,并不适用于高压MOS。
     建模的方式都是以驱动电压Vgs为界划分,分为四个部分,0-Vth,Vth-Vmiller,Vmiller,Vmiller-Vgs;其中Vth是MOS开启电压,Vmiller是平台电压。具体的建模方式我就不献丑了,在胡庄主的贴都有描述,而且很详细很清楚!下图是引用的其中一篇论文,MOS开通关断暂态图。
58U1XBX@HF1[{64IH(A11KE.png
    最后贴一部分实际仿真的波形吧。Pdc是导通损耗,Pon是开通损耗,Poff是关断损耗。。。仅供参考
    RUR7UZ`@SDX97V19412%S{C.png


     
gjtttt
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  • 2017-5-18 22:37:53
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功率半导体部分,-----二极管
    二极管的种类有很多,高压整流、续流二极管可选择的大多为普通的超快恢复二极管和SIC材质的二极管。下列四个都是1200V/30A 的二极管。
11.png

  二级管功率损耗的计算也主要与以上因素有关,简单来说,二极管的功率损耗等于导通损耗+开关损耗,由于二极管导通损耗相比而言较低,因此通常情况下开关损耗只考虑关断损耗,对应二极管的关断拖尾电流。简单的计算公式如下:

   Pd=Vf*If+Vd*Qrr*f(Qrr=1/2*Trr*Irrm)

其中关断损耗的推导主要可以通过下图说明。

12.png

  下面说一些题外话;

   首先,为什么SIC材质采用并联形式而普通的却不采用这种结构

原因很简单,通过Vf的参数可以看出,当温度升高时,SIC的Vf值在升高,而普通二极管的Vf值在降低。因此在实际工作过程中,随着二极管工作,温度上升,普通二极管的Vf值在降低,如果采用俩个二极管并联的结构,会出现一个类似于正反馈的结构作用在其中一个二极管中,两个二极管并联工作,就会出现电流全部通过一个二极管流过的结果。

   其次,SIC材质的优点

从器件参数来看,SIC的导通损耗相比于普通二极管并不能降低多少,反向恢复电流及其时间相比于普通二极管要降低不少,单从Qrr参数来看,SIC相比于普通二极管要降低5~6倍甚至更多,因此在高频工作频率条件下的损耗较低效果可想而知。

   再次,普通二极管的在反向恢复时间内,同具体工作条件的一些关系

温度越高,对应的Qrr、Trr、Irrm会越高;当二极管关断的速度越快,也就是diF/dt越高,一般情况下和前级的MOSFET开通速度有关,例如在采用ZVS结构的拓扑中,MOS开通速度相比而言较低,Qrr、Irrm呈现上升的趋势,但是Trr却呈现下降的趋势,

   再再次,不同厂商给的测试条件都不同,因此具体参数会出现巨大的差异,例如上述注1和注2。可能我见识少了点。。



希望xiwang
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本网技工
  • 2017-5-23 13:34:14
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怎么也不讲了呢?
gjtttt
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  • 2017-5-24 20:25:05
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没动力啊。。
放电大王
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  • 2017-5-25 09:28:11
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SIC 怎么样?
gjtttt
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  • 2017-5-25 15:33:00
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不深究价格因素的话当然比普通超快恢复二级管好用啊
tianyi223
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本网技工
  • 2017-5-23 16:29:45
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顶,楼主赶紧更新
gjtttt
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  • 2017-5-24 21:22:41
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磁性元件部分
    磁性元件部分主要包括有电感和变压器,损耗计算的方式有很多种,但是原理基本相同,大多从磁性元件的损耗构成角度上分别计算,简单来说包括有磁心损耗和绕组损耗。
    磁心损耗的计算方式主要有铁耗分离法和经验公式法及其变形俩种。
    Bertotti提出的铁耗分离法,铁耗分析法的主要思路是根据磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗分别建模,然后通过与实验室测试下的磁芯损耗数据进行拟合,这样就可以确定磁芯损耗模型的系数,其模型的主要公式如下所示。
   QQ图片20170524204600.png
     C1、C2和C3分别对应磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗系数。Bm对应磁心材料工作最大磁通密度,f为工作频率。

     Steinmetz提出的经验公式法,经验公式法则是利用磁性材料厂家所提供的磁芯材料的参数(不同厂商提供资料不同,有些以单位体积计算,有些以单位质量计算,以下都是以单位体积磁心损耗为单位计算的),而且不需要考虑磁芯材料的形状和尺寸,其模型的主要公式如下所示。


      QQ图片20170524205417.png
      由于经验公式法明显针对正弦波激励条件测试,因此在直流偏置较大的情况以及矩形波/方波测试条件下存在较大误差,因此便存在了以下一系列的修正公式。
      直流偏置激励下的修正公式如下
       QQ图片20170524205933.png     QQ图片20170524210027.png    
        其中Bdc为直流激励中直流电流所引起的磁通密度,Bac为交流含量所引起的磁通密度,K1和K2为待定系数,需要通过实际的测试来拟合公式的待定系数,不同的磁心材料K1和K2的值并不相同,贴一片文章,文中给出了部分铁氧体材料磁心在直流激励下待定系数的确定,(CAJ文件贴不了,。。)(知网搜的,名字叫做《不同激励条件对铁氧体磁心损耗的影响_颜冲》)
       矩形波和方波激励下的修正公式如下
       QQ图片20170524211350.png QQ图片20170524211439.png QQ图片20170524211534.png
       其中fe1,fe2分别对应方波和矩形波系数。D为占空比。具体的推导公式可以参考(知网,《非正弦激励下磁心损耗的计算方法及实验验证_张宁 》)
      



house凌煜
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