晶閘管在UPS旁路應(yīng)用中的損耗計(jì)算

功率晶閘管廣泛應(yīng)用于AC/DC變換器，UPS旁路等場(chǎng)合。本文通過(guò)公式計(jì)算和在線IPOSIM仿真兩種方式，對(duì)晶閘管在UPS旁路應(yīng)用中的損耗計(jì)算和結(jié)溫預(yù)估進(jìn)行說(shuō)明，給廣大工程師在晶閘管選型時(shí)提供幫助。晶閘管在AC/DC整流應(yīng)用中的損耗計(jì)算，請(qǐng)參考微信文章《PIM模塊中整流橋的損耗計(jì)算》。

晶閘管是半控型電力電子器件，可通過(guò)門極在晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，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(shí)，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(jì)算其損耗時(shí)，忽略開關(guān)損耗，只計(jì)算其導(dǎo)通損耗。

公式計(jì)算方法如下：

各參數(shù)定義如下：

P_VT是單個(gè)晶閘管的損耗

V_T0是閾值電壓 (threshold voltage)

I_TAV是單個(gè)晶閘管輸出電流平均值

r_T是斜率電阻 (slope resistance)

F是波形因數(shù) (form factor)，可由公式2獲得

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

上圖電路中I₁是該相交流電流有效值，I_TAV是單個(gè)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(guò)載規(guī)格，125%功率過(guò)載10分鐘以及150%功率過(guò)載1分鐘，并且以85%輸出電壓作為最惡劣條件。

125%功率過(guò)載時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大相電流有效值為：

根據(jù)公式4計(jì)算該單個(gè)器件的電流平均值為：

選擇TT820N16KOF和TT600N16KOF作為方案?jìng)溥x，它們的參數(shù)如下：

由于只計(jì)算單個(gè)晶閘管的損耗，R_thJC取單個(gè)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T_case=85°C，根據(jù)公式3即可計(jì)算出器件結(jié)溫。

對(duì)比這兩個(gè)方案的計(jì)算結(jié)溫，TT820N16KOF的結(jié)溫裕量有19，TT600N16KOF只有2.5。

150%功率過(guò)載時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大相電流有效值為：

根據(jù)公式4計(jì)算該單個(gè)器件的電流平均值為：

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

對(duì)比這兩個(gè)方案的計(jì)算結(jié)溫，TT820N16KOF的結(jié)溫裕量仍然有10℃，TT600N16KOF已經(jīng)超過(guò)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(qiáng)的抗沖擊電流能力，適合UPS旁路應(yīng)用。

我們?cè)偈褂肐POSIM來(lái)進(jìn)行仿真，然后同公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

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在器件選型中，選取TT820N16KOF和TT600N16KOF。

在Circuit & Control中輸入上文計(jì)算的I₁，這里I₁=I_out。

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

仿真結(jié)果如下。其中P_arm即是上文計(jì)算的P_VT，TT系列晶閘管內(nèi)部是2顆芯片反向并聯(lián)，P_tot=P_arm*2。結(jié)果也顯示最大結(jié)溫T_{vj max}和單個(gè)晶閘管電流均方根值I_TRMS。

125%過(guò)載結(jié)果

150%過(guò)載結(jié)果

對(duì)比公式計(jì)算和IPOSIM仿真結(jié)果，基本一致。

當(dāng)然，IPOSIM的功能更強(qiáng)大，在Cooling Condition中還可以設(shè)置散熱片參數(shù)，得到更準(zhǔn)確的結(jié)溫仿真結(jié)果。同時(shí)，使用IPOSIM也更簡(jiǎn)單，只需要填入電流有效值即可，并能同時(shí)仿真多個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比。

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

附

正弦半波電流的平均值和均方根有效值的計(jì)算。

正弦半波電流的有效值

作者：周明

來(lái)源：英飛凌