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 CM300DY-12H с параметрами, приведенными в таблице.№7.

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

2,1

2,8

10,5

2,8

0,13

0,11

0,24

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, 45–50 °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 117,7512ºС<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 112,48ºС<125ºС.

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

Тип радиатора – 01 с габаритами: ширина (В) – 30,5мм, толщина подложки (D) – 8,5мм, количество рёбер – 8, толщина рёбер – 0,8мм, расстояние между ребер – 3,5 мм,

Расчет выпрямителя

Максимальное значение среднего выпрямленного тока

(А) (2.18)

(А)

Где, n – количество пар IGBT/FWD в инверторе.

Максимальный рабочий ток диода

(А) (2.19)

(А)

Где, при оптимальных параметрах Г-образного LС-фильтра, установленного на выходе выпрямителя, k_cc =1,045 для мостовой трехфазной схемы; k_cc = 1,57 для мостовой однофазной схемы.

Максимальное обратное напряжение вентиля (для мостовых схем)

(В) (2.20)

(В)

Где, k_c ≥ 1,1– коэффициент допустимого повышения напряжения сети; k_3H – коэффициент запаса по напряжению (>1,15); ΔU_н – запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока (≈100–150 В).

Вентили выбираются по постоянному рабочему току и по классу напряжения. Выбираем диодный модуль RM250DZ-24 со средним прямым током I_FAV = 250 А и импульсным повторяющимся обратным напряжением U_RRM = 1200 В. Нам потребуется три таких вентиля. Из трех диодных модулей реализуется мостовая схема трехфазного выпрямителя, изображённая на рисунке 11.

Рис. 11 Схема мостовая трёхфазного выпрямителя

а – схема выпрямителя; б – диодный модуль.

Значения, по которым выбираем вентили

170,8 А;

1067,7 В.

Табличные значения выбранных вентилей:

I_FAV = 250 А,

U_RRM = 1200 В.

Расчет потерь в выпрямителе для установившегося режима работы электропривода при :

(Вт) (2.21)

(Вт)

Где, k_cs = 0,577 для мостовой трехфазной схемы; R_on – динамическое сопротивление в проводящем состоянии вентиля; U_j – прямое падение напряжения на вентиле при токе 50 мА (U_j+ R_onI_dm/k₁) – составляет около 1 В для диода или 1,3 В для тиристора; m_v – число вентилей в схеме.

Максимальное допустимое переходное сопротивление охладитель-окружающая среда в расчете на выпрямитель

(Град.цельсия/Вт) (2.22)

ºС/Вт

Где, R_th(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины модуля.

Температура кристалла

(Град.цельсия) (2.23)

ºС

Где, R_th(j-c)DV – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для одного вентиля модуля; n_D – количество вентилей в модуле. Необходимо, чтобы выполнялось неравенство T_jDV ≤ 140ºС.

Неравенство выполняется, так как 105,1ºС<140ºС.