浅议大功率三电平变频器损耗计算及散热分析

摘 要：准确的算出大功率的三电平变频机的损耗，能够使变频机的散热系统得到优化。变频器的导通和开关对温度的变化十分敏感，在进行大功率三电平变频器损耗计算的时候，一定要考虑温度变化所带来的影响。本文重点介绍了大功率三电平变频器的导通和开关的变化方式，并且通过研究整理出了一套能够计算损耗的方法。对一台大功率三电平变频器在逆变和整流这两种情况下进行了研究和讨论。

关键词：三电平变频器；损耗；计算

大功率变频器由于采用了多变频技术，从而改善了输出性能，由于电平数量的增多，其相连的变频器的功率部件也会随之上升。所以无论从哪一个方面看三电平变频器优势都十分明显。变频器的数量增加，其变频器的功率部件也在不断的损耗，所以在过程中出现的散热问题，已经成为了大功率三电平变频器制作过程中，可能出现的核心问题。

1.NPC三电平变频器的开关状态问题

NPC因为钳位二极管的原因，可以输出三种开关状态分别是P、O、N这三种状态。其三种开关状态对应的开关序列和输出的电压可以参照表1所示。从负载电流的流向能够看出，状态不同的情况下有两种不同电流通过，本文把电流流出变频器的方向看成正，流入变频器的方向是负[1]。

2.损耗计算方法

VT1在同一个调制周期的内的导通损耗及开关损耗的计算方法：

开关的频率比调制频率要高的时候，开关的损耗的计算方法可以用连续积分来表达，还能重新表达为：

3.普遍的功率器件散热方式

3.1空气中散热

空气中散热是指不用任何外力来提高能量进行发热，而是不停的向周围环境散发热量，从而达到能够控制其温度的目的。传热方式有对流、传导、辐射等等传播方式，自然对流是主要的传播方式。对温度要求不高的耗电器件不需要其他的冷却器件，采用在空气中散热就可以[2]。

3.2风冷散热

空气中散热的方式如果完全不起作用，就要借助其外力来加强空气流动，器件发出的热流传给了周围。这种方式简单便捷，而且十分便宜，技术已经成熟，工作原理安全，是散热方式中最普遍的一种。但是仍有不足，该方式无法将发热的器件降低到比外面的温度还低，而且风扇转动会带来极大的噪音，会降低风扇的寿命，缩短电扇使用的时间。

3.3冷水散热

因为电子器件密度逐渐增大，一般的冷风或者空气散热都不能达到冷却的目的，所以用冷水散热这种方式就随之出现。根据调查所知，气体换热系数为20～100W之间，水的换热系数为15000W。目前使用较多的是冷水散热的一种循环装置，采用密封的技术，由纯水冷却器、仪表和监测元件，还有一些阀门等组成。这个装置优点是效率快、没有风扇和振动，噪音小[3]。缺点是因为水是密封的，所以容易脏容易变质产生异味，一定要在使用中杜绝缺水、漏水这种情况的产生，而且这种方式比较昂贵，也是缺点之一。

4.损耗研究分析

损耗器件的功能计算时，开关过程的建立确定了损耗模型的建立。但是开关过程需要进行计算，而且需要花费很长的时间。根据典型的结温25度和125度下的參数树立损耗模型。最开始出现的通态电阻在导通中会产生大量的损耗。并且随着温度的不断变化，其最初的饱和不断的下降。IGBT在开始和结束的过程中都会产生损耗。在特定的环境中，功率器件开始到结束的能力损耗，我们能通过电压和电流相乘，然后再看时间积分这种方式来得出结论。在数据手册中能看出在125度时，电压有明显变化。在不同的电压和结温中，其能量的损耗比实际承受的电压值要小。

5.大功率三电平变频器损耗计算及散热分析结论

（1）温度系数改变了功率器件由于结温产生的对电阻的影响，认真考虑到器件受电压电流还有结温这三种情况中对开关能量所产生的变化，能准确的计算出变频器损耗的；

（2）对NPC三电瓶变频器的电流进行了深度的分析，总结出了一套计算方法，以及计算公式，通过计算公式算出，逆变模式下变频器外面的热管功率消耗庞大，而整流模式模式中里面的热管损耗要比外管的功率消耗还要大；

（3）红外热成像仪能够对逆变和整流这两者模式下的IGBT的温度进行测试，然后再去和用公式计算后的数据进行比对，其对比之后的数据显示其误差率低于5%。完全达到了工程设计的标准。也能够证明文章中NPC三种电平变频器损耗计算是十分正确的，这种计算方式为大功率变频器的散热模式提供了极大的便利。

6.结语

制作散热器对加工要求很高，现代的加工技术制作的散热器十分良好。但是仍然存在不足之处，由于对电气柜上的散热器研究的时间较为短，没有一些实际的经验和理论基础，其加工的技术需要不断的进行创新。目前市场的需求很大，电子器件的散热设备会不断的发展，选择哪种散热方式是我们所要一直探究的，我们要根据散热方式的优势以及不足来进行比对，还可以根据公式进行计算，针对不同的散热方式有着不同的比对方法和计算方法，要选出一种最便捷，最方便的散热方式进行散热。

参考文献：

[1]景巍，谭国俊，叶宗彬.大功率三电平变频器损耗计算及散热分析[J]. 电工技术学报，2011（02）.

[2]景巍，谭国俊，赵张飞.有源钳位三电平变频器调制策略及损耗分析[J]. 电气传动，2011（02）.

[3]景巍.大功率三电平变频器功率器件损耗研究[D].中国矿业大学，2011.

作者简介：

刘继乐（1986.1—），男，江苏徐州人，汉族，本科，助理工程师，研究方向，工业变频器结构设计与优化，徐州中矿大传动与自动化有限公司。