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晶閘管在UPS旁路應(yīng)用中的損耗計算

發(fā)布時間:2023-08-03 來源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】功率晶閘管廣泛應(yīng)用于AC/DC變換器,UPS旁路等場合。本文通過公式計算和在線IPOSIM仿真兩種方式,對晶閘管在UPS旁路應(yīng)用中的損耗計算和結(jié)溫預(yù)估進行說明,給廣大工程師在晶閘管選型時提供幫助。晶閘管在AC/DC整流應(yīng)用中的損耗計算,請參考微信文章《PIM模塊中整流橋的損耗計算》。


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晶閘管是半控型電力電子器件,可通過門極在晶閘管承受正向陽極電壓時,控制晶閘管導(dǎo)通,當(dāng)主回路電壓(或電流)減小到接近于零時,晶閘管自行關(guān)斷。晶閘管一般處于工頻開關(guān)工作,所以在計算其損耗時,忽略開關(guān)損耗,只計算其導(dǎo)通損耗。


公式計算方法如下:


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各參數(shù)定義如下:


PVT是單個晶閘管的損耗


VT0是閾值電壓 (threshold voltage)


ITAV是單個晶閘管輸出電流平均值


rT是斜率電阻 (slope resistance)


F是波形因數(shù) (form factor),可由公式2獲得


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其中ITRMS是單個晶閘管輸出電流均方根值,即有效值;對于UPS旁路應(yīng)用中的正弦半波電流,此時 F取值1.571。(參考文后公式4~6)


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上圖電路中I1是該相交流電流有效值,ITAV是單個晶閘管的電流平均值,U1為相電壓有效值。


以600kW UPS,輸出電壓400 VAC旁路舉例,分別考慮下述過載規(guī)格,125%功率過載10分鐘以及150%功率過載1分鐘,并且以85%輸出電壓作為最惡劣條件。


125%功率過載時,對應(yīng)的最大相電流有效值為:


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根據(jù)公式4計算該單個器件的電流平均值為:


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選擇TT820N16KOF和TT600N16KOF作為方案備選,它們的參數(shù)如下:


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由于只計算單個晶閘管的損耗,RthJC取單個晶閘管的結(jié)殼熱阻(per arm,θ=180° sin)。將上述參數(shù)代入公式1,并假定器件的殼溫Tcase=85°C,根據(jù)公式3即可計算出器件結(jié)溫。


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對比這兩個方案的計算結(jié)溫,TT820N16KOF的結(jié)溫裕量有19,TT600N16KOF只有2.5。


150%功率過載時,對應(yīng)的最大相電流有效值為:


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根據(jù)公式4計算該單個器件的電流平均值為:


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同上述125%功率過載計算方法一樣,并且由于規(guī)格書中的瞬態(tài)熱阻在60S時已經(jīng)穩(wěn)定,我們可以使用上述表格中的最大RthJC值來計算結(jié)溫。


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對比這兩個方案的計算結(jié)溫,TT820N16KOF的結(jié)溫裕量仍然有10℃,TT600N16KOF已經(jīng)超過最大結(jié)溫上限了。顯然,TT820N16KOF是最適合600kW UPS的旁路方案。此類壓接型的晶閘管外觀呈現(xiàn)黑色,有著更高的結(jié)溫規(guī)格以及更強的抗沖擊電流能力,適合UPS旁路應(yīng)用。


我們再使用IPOSIM來進行仿真,然后同公式計算結(jié)果進行對比。


掃描下方二維碼或點擊文末“閱讀原文”,登陸英飛凌官網(wǎng)上的IPOSIM頁面,選擇AC/AC Applications。


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在器件選型中,選取TT820N16KOF和TT600N16KOF。


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在Circuit & Control中輸入上文計算的I1,這里I1=Iout。


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在Cooling Condition中設(shè)置固定殼溫(Fixed Case Temperature),最后運行仿真(Run Simulation)。


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仿真結(jié)果如下。其中Parm即是上文計算的PVT,TT系列晶閘管內(nèi)部是2顆芯片反向并聯(lián),Ptot=Parm*2。結(jié)果也顯示最大結(jié)溫Tvj max和單個晶閘管電流均方根值ITRMS。


125%過載結(jié)果

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150%過載結(jié)果

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對比公式計算和IPOSIM仿真結(jié)果,基本一致。


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當(dāng)然,IPOSIM的功能更強大,在Cooling Condition中還可以設(shè)置散熱片參數(shù),得到更準確的結(jié)溫仿真結(jié)果。同時,使用IPOSIM也更簡單,只需要填入電流有效值即可,并能同時仿真多個方案進行對比。


以上,是晶閘管在UPS旁路應(yīng)用中的損耗評估方法,請各位參考,謝謝。



正弦半波電流的平均值和均方根有效值的計算。


正弦半波電流的有效值


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作者:周明

來源:英飛凌



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