摘 要: 大功率推进变频器应用于破冰船时，对功耗和温升情况计算要求更为精确。本文分析了中点钳位型（NPC）三电平变频器功率器件的开关规律，得到功率器件的损耗计算方法。计算该功率器件的结温时考虑到热容的影响，进而建立起功率器件热仿真模型并应用MATLAB 对破冰状态器件结温进行了仿真分析。仿真结果验证计算正确性，对破冰船电力推进系统设计具有指导意义。
关键词：三电平变频器 IGCT 模块 损耗结温热容
0 引言
无论是北方航线的开辟还是北极航线的活跃，都对世界贸易和国际局势产生新的影响[1]。两条航线上的破冰船，通常担任为货轮开辟航道的重任破冰方式一般是利用船本身的机械动力和坚固的艏结构来撞击冰层，也可短时加速冲上冰面上利用船艏巨大的重量压碎冰层，北欧国家和俄罗斯相关技术最为成熟。我国为应对破冰船的需求增加，也在积极开发相关技术。不同于一般船的是破冰状态下加载以及稳定航行时较低的转速都会加剧功率器件的损耗情况，尤其是低速大转矩会使电力电子器件损耗与发热更为严重。逆变器功率器件结温的动态变化会影响推进系统性能，因此准确计算这种破冰船功率器件的损耗和结温温升情况十分必要。
1 拓扑结构分析
给出一种应用于破冰船的三电平逆变器变频器，采用中点钳位型拓扑，应用空间矢量脉宽调制，变频器主电路拓扑为三电平电压源型结构，主开关器件采用高压、大功率的IGCT。三电平拓扑结构逆变单元主电路原理图如图1 所示。
三电平逆变器包含三个桥臂，每个桥臂相差120°，以单相桥臂为例，输出电压为三电平，其中O点为中性点，电压为0。P 点和N 点电压分别为+Vd 和-Vd。T1、T2 都开通而T3、T4 关断时时输出+Vd，T3、T4 开通而T1、T2 关断输出-Vd，T1、T4 关断而T2 或者T3 开通时输出0 电平。值得注意的是，0 电平输出下的电流通路有两种情况。图2 给出4 种电流通路，分别对应一个周期内电压与电流在不同过零点下的情况。根据对称性，后文只分析上桥臂器件的损耗和温度变化。
2 IGCT 器件功耗计算
对于单相功率模块而言，由于其具有对称性，所以计算半个桥臂的损耗特性即可，其电路结构如图，其中D1、D2 为IGCT 器件T1、T2 的反向
导通二极管：
三电平逆变器电路中开关器件的发热情况不一样，1，3 管在半波周期内处于开、断状态，另半个周期内1 管关断、3 管开通。2、4 管的状态与1/3 管相反。根据逆变器拓扑的对称性，计算桥臂各功率器件在一个调制电压周期内的损耗。由于器件众多，本文将着重于分析计算IGCT 器件T1 以及反向二极管D1 在破冰状态下的功耗和温度计算。
三电平变频器的调制方法采用空间矢量脉宽调制（SVPWM），相对于一般的载波移相调制方式，SVPWM 具有更高的直流母线利用率和较优的谐波输出特性，本质上可以等价于正弦波注入零序分量的脉宽调制方法，在稳态情况下此零序分量可近似采用三次谐波表示[3]。SVPWM 方法下的等效参考电压调制函数可表示成：
2.1 开通损耗
器件典型静特性表达式定义为：
式中ICN、VCEN 为器件额定电流以及额定电流下的集射极电压，VCEO—IGCT 的饱和压降。
二极管静特性计算方式较为类似，表达式定义为：
VFN 为二极管额定电流工况下的二极管压降，VFO—二极管门槛电压。一般选定结温在125℃时的参数。
在一个载波周期中T1 管的能量损耗计算式为：
如果载波与调制波频比增大，则载波周期T减小，从而每个脉冲内能量损耗下降，脉冲数目相应增加，则器件在一个周期内的平均能量是在开通时间内能量微分的积分[4]。可知T1 管工作在
区间，因此 T1 管的平均功耗为：
在一个载波周期中D1 管的能量损耗计算式为：
2.2 开关损耗
对于逆变器的开关器件，计算其开关损耗需要考虑在一个调制周期中的k 次开关过程，即
式中，T 为调制周期。为了得到T1 开关损耗的解析解，当载波比足够大，将上式可以转化为积分形式。
查功率器件的能量损耗曲线，可以看到在一定电流范围内，能量损耗曲线是线性的，因此，
式中a、b 通过功率器件手册的E-i 曲线得到。（a） T1 管开关损耗
根据上式得到开关器件的总损耗。由于破冰船在破冰状态下推进电机处于低转速大转矩的工作状态[5]，因此推进变频器输出基波频率较低同时输出电流大。以ABB 的IGCT 器件5SHX19L6010 为例，根据官方数据手册建立模型，此时T1 管通流的电流大时间长，进而产生较大功耗。有上述计算绘出T1 和D1 管在不同调制比m以及功率因数角φ情况下功耗的情况，对于电机负载而言功率因数接近为1，反向续流损耗很小。故此时T1 管损耗远大于D1 反向二极管。下文将以T1 管为例计算器件的温升。
3 温升计算
实际工程应用时,IGCT 元件被安装在水冷板上。芯片损耗产生的热量没有直接传递到空气中，而是通过结壳封装材料、弹簧组件、散热器,因此实际芯片到环境的热阻会显著增长，IGCT 正反两面均装有水冷散热器。利用热阻和前述的损耗计算公式,在频率角度和调制比确定的情况下能得到器件温升。
由于破冰船需要低转速高转矩，故变频器工作频率以及额定电流大小会与之前设计不同。在低频条件下器件损耗随时间变化比较大，因此不能用平均功率计算温升，必须考虑温度的波动情况。大负载电流会增加功率器件温升的峰值，峰值温度的增加可能会使功率器件结温超过安全工作值，造成器件损坏。在破冰状态下三电平逆变器基频很低，温度波动需要拟合成相似的正弦半波来计算。对于暂态温升计算，运用IPOSIM 软件的计算方法可以得到一种更为简单的方式[6]。首先假设平均损耗在相电流的半个周期内耗散在一个两倍于平均值的的矩形块中，即占空比为0.5，且幅值为2 倍的方波。对于周期长度T0 的等形状脉冲存在这样的周期序列的闭合解：
式中R 和τ 均在官方器件手册中能得到，R 为器件热阻，τ 为考虑器件热容情况下的时间常数。对于5SHX19L6010 型，暂态热阻抗可由下式得到
其中t 为基波周期，再将式中平均损耗Pav 用正弦半波代替，即可得到器件结温温升。此方法在基波频率5Hz 以上时有很高的准确度，但频率越低误差越大[7]，低频率工况下温度的峰值会比计算所得的数值更大。在IGBT 开关频率不变下，输出频率越低，一个桥臂的连续带载时间越长，一个半波内总损耗能量越大。同时由于IGBT 模块动态热阻在一般在1 秒内迅速上升，因此输出频率越低，IGBT 的结温波动就越大[8]。对于破冰船这种低频大电流的工况，假设工作频率低于10Hz，那么这种情况需要一种更为准确地建模方法。根据热容和热阻建立包含暂态热阻抗的仿真模型[9]。图5 显示功率器件的暂态热阻抗，其中R 为热阻，C 为热容
由于热容的存在，温升的波动曲线会与功耗波动的频率有关系，频率越高温升曲线会越平滑，同时波动的峰值会变小。在温升的计算中，热容的影响类似于电路理论中的滤波电容。可得到温度计算公式：
由于热容通常远小于热阻，由上式可知当频率越高时，T 最大值会减小。将官方器件手册中暂态热阻抗参数输入到仿真模型里可得到各器件的温升随时间变化曲线。根据上节计算结果，将最高功耗1200 W 带入在仿真软件中，计算出T1在不同工作频率下的温度波动曲线。
在此3 种工况下T1 管损耗平均功率都是一直为1200 W，但是不同频率下3 个温度仿真结果相差巨大。在(a)中，当输出频率为10 Hz 时，IGBT结温最高仅有20℃。而在(c)中，输出频率降低至0.1 Hz 时，结温峰值升至最高45℃。由此可见频率越低，器件结温峰值越高。其原因就是由于单次换向周期时间长，导致结温波动幅度大。仿真结果证明了温度研究的正确性，说明破冰船低速情况下器件温升情况更为严重，对于散热设计的要求更高。由于IGCT 本身的热阻和热容无法改变，因此可以改变散热系统设计，降低器件外部热阻。同时该热仿真有利于变频器器件选型，选择热阻更低同时热容较高的器件，一方面能降低设计工况下的损耗，同时能减少温度的波动情况。
4 结论
本文对破冰船用三电平推进变频器进行了损耗计算和散热分析，分析了二极管钳位三电平变频器的电流通路，给出了功率器件损耗计算公式，同时考虑破冰船低速大电流工况给出计算结果。在此基础上建立功率器件的热损耗模型，考虑到热容的影响，在前文损耗基础上给出不同频率下结温温度上升的情况。利用动态热阻的特性更精准的计算破冰船推进变频器的温度特性。仿真结果也验证三电平变频器结温温升分析的准确性，得出基频越低，温升峰值越大的结论。本文对稳态下和动态循环下的结温仿真，使破冰船推进系统设定和模块器件选型时能更加准确和安全。
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