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上海津信變頻器有限公司

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丹佛斯變頻器制動(dòng)能力估算和制動(dòng)電阻選取

閱讀：1016發(fā)布時(shí)間：2011-2-16

Abstract: The Braking ability of Danfoss inverter decided by the current ability and the heat dissipation ability of the brake transistor embedded in the inverter. This paper provided a method to evaluate the actual brake ability of the inverter according to the datasheet of the brake transistor and datasheet of inverter, and how to select the brake resistor.

Keywords: Brake-duty Brake-current Junction-temperature

引言：振華港機(jī)移船絞車項(xiàng)目選用丹佛斯690V、355kW的變頻器，要求變頻器具有100%轉(zhuǎn)矩連續(xù)制動(dòng)的能力。而丹佛斯變頻器設(shè)計(jì)指南上只保證了此型號(hào)變頻器100%制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，40%制動(dòng)率的能力。但根據(jù)對(duì)此型號(hào)變頻器硬件和技術(shù)數(shù)據(jù)的仔細(xì)分析，我們發(fā)現(xiàn)此變頻器實(shí)際具有比標(biāo)稱值大得多的制動(dòng)能力。下面就是估算丹佛斯變頻器實(shí)際制動(dòng)能力和優(yōu)化選擇制動(dòng)電阻的詳細(xì)辦法。

計(jì)算中需要用到的丹佛斯FC302P355KT7E5MH2B變頻器的基本數(shù)據(jù)：

直流中間環(huán)節(jié)制動(dòng)動(dòng)作電壓：1084 VDC

散熱片zui高溫度：85 ℃

制動(dòng)晶體管：DP400C1700S100734，兩塊并聯(lián)。

單塊制動(dòng)晶體管標(biāo)稱電流400A；

影響丹佛斯變頻器制動(dòng)能力的主要因素

影響變頻器制動(dòng)能力的主要因素為制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通電流能力、變頻器整機(jī)的散熱能力和制動(dòng)晶體管的散熱能力。下面逐一分析。

首先，分析制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通電流能力：

按直流制動(dòng)電流zui大值I_{brake_max} = 400 × 2 = 800 A

制動(dòng)晶體管瞬時(shí)zui大制動(dòng)功率P_{brake_peak} = 800 × 1084 = 867 kW

此值高達(dá)變頻器標(biāo)稱功率的244%，因此可知制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通電流能力不是制約變頻器制動(dòng)能力的關(guān)鍵因素。

其次分析變頻器工作于連續(xù)制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，變頻器的整機(jī)散熱能力。

設(shè)變頻器在全速、滿載時(shí)發(fā)熱量為100%，則變頻器的整機(jī)散熱能力也為100%。

按丹佛斯技術(shù)資料，可知此時(shí)：

變頻器整流部分發(fā)熱量是26%，變頻器逆變部分發(fā)熱量是74%。

再假設(shè)連續(xù)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)晶體管是連續(xù)工作的，制動(dòng)晶體管上的電流為I_BR

根據(jù)能量守恒定律，P_{制動(dòng)晶體管} = P_電機(jī)

推導(dǎo)，I_BR ×V_DC = ×Io ×Vo ×0.86（功率因數(shù)） ×0.93（電機(jī)效率）

對(duì)于T7機(jī)型，V_DC = 1084 V，電機(jī)額定電壓Vo = 660V，

則 I_BR = 0.843 Io = 0.937 Io_av

因此有統(tǒng)一的結(jié)論： I_BR ≈ Io_av，即制動(dòng)晶體管上的電流與電機(jī)電流平均值相同。

因?yàn)檩敵鲇?span>3路，制動(dòng)只有1路，所以可以一般地認(rèn)為：

制動(dòng)晶體管的發(fā)熱量 = ×逆變部分發(fā)熱量

則連續(xù)制動(dòng)時(shí)的變頻器整機(jī)發(fā)熱量 = 逆變部分發(fā)熱量 + 制動(dòng)部分發(fā)熱量

= 74% + 74% / 3 = 98.7%

≤ 100%

所以得出結(jié)論：變頻器連續(xù)制動(dòng)時(shí)的發(fā)熱功率不大于變頻器連續(xù)電動(dòng)時(shí)的發(fā)熱功率，因此變頻器的整機(jī)散熱能力不是制約變頻器制動(dòng)能力的關(guān)鍵因素。

進(jìn)一步的分析表明制約變頻器制動(dòng)能力的關(guān)鍵因素是制動(dòng)晶體管的散熱能力，下面的估算將圍繞制動(dòng)晶體管的散熱能力展開。

制動(dòng)晶體管的發(fā)熱功率和結(jié)溫限制

制動(dòng)晶體管的發(fā)熱功率 = 導(dǎo)通損耗 + 開關(guān)損耗

一、制動(dòng)晶體管的開關(guān)損耗

1. 假設(shè)負(fù)載是純電阻，開關(guān)時(shí)的電壓、電流是線性變化的。

單次開（關(guān)）的損耗 =

其中Δt為開關(guān)時(shí)間，

制動(dòng)晶體管的總開關(guān)損耗P_SW = 單次開（關(guān)）損耗× f_SW × 2

不過(guò)這一假設(shè)太理想化了。

2. 假設(shè)負(fù)載含電感，開通、關(guān)斷的電壓、電流波形如下：

開通時(shí)

關(guān)斷時(shí)

開通損耗，與模塊中的快恢復(fù)二極管的特性相關(guān)，難以計(jì)算。估算中以固定值0.01 J代入。

關(guān)斷損耗 =

≈

制動(dòng)晶體管的總開關(guān)損耗 P_SW = （ 0.01 + ）× f_SW

本著安全的原則，計(jì)算中選擇較大的 P_SW = （ 0.01 + ）× f_SW

f_SW ，參閱丹佛斯變頻器技術(shù)資料，制動(dòng)晶體管的開關(guān)頻率f_SW = 1.2 kHz

Δt，參閱《FC300設(shè)計(jì)指南》中的du/dt數(shù)據(jù)：2261 V/μS

推測(cè)Δt = 1084 / 2261 = 0.48 μS。計(jì)算時(shí)取Δt = 0.5 μS

二、制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通損耗

1．制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通壓降-導(dǎo)通電流（V_CE-I_C）曲線

附件一中沒(méi)有此曲線，但根據(jù)附錄1中制動(dòng)晶體管DP400C1700S100734的特征參數(shù)：

V_CES=1700 V

I_C=400 A（T_C=80℃）

V_CE（sat） = 2.0V（I_C=400A，T_J=25℃）

V_CE（sat） = 2.4V（I_C=400A,T_J=25℃）

查到三菱CM400DY-34A和英飛凌FZ400R17KE3的晶體管特性與其*相同，因此可以使用他們的“V_CE-I_C”特性曲線，獲得制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通壓降。

制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通壓降-電流特性曲線

此晶體管是正溫度系數(shù)的IGBT，所以我們只需要取發(fā)熱zui厲害的125℃結(jié)溫時(shí)的數(shù)據(jù)，將其數(shù)字化，得表一：

電流I_C（A）	50	100	150	200	250	300	350	400
V_CE（sat）（V）	1	1.35	1.6	1.8	2	2.17	2.3	2.4

2．制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通損耗

P_CND = V_CE（sat） × I_C

三、制動(dòng)晶體的結(jié)溫升：

制動(dòng)晶體管的結(jié)溫升T_RISE= （ R_th（j-c）+ R_th（c-f）） × P_LOSS

其中P_LOSS 為制動(dòng)晶體管開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗之和，P_LOSS = P_SW + P_CND

其中R_th（j-c）為制動(dòng)晶體管硅片到模塊散熱片的熱阻，從附件一查到R_th（j-c）= 0.06 K/W

其中R_th（c-f）為制動(dòng)晶體管模塊散熱片到變頻器散熱片的熱阻，附件一沒(méi)有此數(shù)據(jù)，但是英飛凌模塊DF400R12KE3的封裝與丹佛斯制動(dòng)晶體管的封裝*相同，內(nèi)部機(jī)構(gòu)相似，而且注意到他們的晶體管熱阻R_th（j-c）也相同，所以計(jì)算中可以參照英飛凌模塊DF400R12KE3的數(shù)據(jù)，取 R_th（c-f） = 0.03 K/W

有了以上數(shù)據(jù)，再依據(jù)制動(dòng)晶體管的zui高工作結(jié)溫不能超過(guò)125℃的限制條件，就能計(jì)算丹佛斯變頻器的zui大連續(xù)制動(dòng)能力了。

制動(dòng)晶體管的制動(dòng)功率-制動(dòng)率曲線

首先關(guān)于溫度裕度的說(shuō)明，為了變頻器的安全運(yùn)行，必須保留一定的IGBT工作結(jié)溫裕度，但是由于丹佛斯變頻器散熱片的溫度檢測(cè)取自逆變模塊內(nèi)部，而散熱片的實(shí)際溫度要比逆變模塊內(nèi)部低，此溫差已經(jīng)使我們的計(jì)算有相當(dāng)大的溫度裕度。

zui大允許結(jié)溫升T_RISE-MAX = zui高工作結(jié)溫 – 散熱片zui高溫度 = 125-85 = 40 ℃

計(jì)算步驟：

1．首先假設(shè)一個(gè)制動(dòng)功率，比如355kW，然后按此功率算出制動(dòng)晶體管的結(jié)溫升T_RISE；

2．如果T_RISE ≤ T_RISE-MAX ，說(shuō)明在此制動(dòng)功率下能夠連續(xù)制動(dòng)，

如果T_RISE > T_RISE-MAX ，則說(shuō)明在此制動(dòng)功率下不能連續(xù)制動(dòng)，制動(dòng)率Duty% =

表二、制動(dòng)晶體管結(jié)溫計(jì)算表：

名稱	計(jì)算公式	值	單位
制動(dòng)功率P_Br		439	kW
制動(dòng)開啟電壓V_DC		1084	V
制動(dòng)晶體管電流I_C（2并）	I_C=1000×P_e×T_Br/V_DC/2	202	A
制動(dòng)晶體管導(dǎo)通壓降V_CE （結(jié)溫125℃時(shí)）	查圖表	1.808	V
制動(dòng)晶體管導(dǎo)通損耗P_CND	P_CND =I_C ×V_CE	366	W
開關(guān)頻率f_sw		1200	Hz
開關(guān)時(shí)間Δt		0.5	uS
開通損耗E_SW（on）		0.01	J
關(guān)斷損耗E_SW（off）	E_SW（off）=V_DC×I_C×Δt/2	0.0549	J
開關(guān)損耗P_SW	P_SW=（E_SW（ON）+E_SW（OFF））×f_SW	78	W
制動(dòng)晶體管總損耗P_LOSS	P_LOSS =P_CND+ P_SW	444	W
晶體管熱阻R_th（j-c）		0.06	K/W
模塊-散熱片熱阻R_th（c-f）		0.03	K/W
晶體管結(jié)溫升T_RISE	T_RISE=（R_th（j-c）+R_th（c-f））×P_LOSS	40.0	K
散熱片溫度T_h		85	℃
晶體管允許結(jié)溫升T_RISE-MAX	T_RISE-MAX=125-T_h	40	℃
制動(dòng)率Duty%		100.1%

按上述步驟選擇多個(gè)制動(dòng)功率，得到表三，制動(dòng)功率-制動(dòng)率數(shù)據(jù)表格：

制動(dòng)功率（kW）	532	497	461	439
制動(dòng)率（%）	76.9%	84.5%	93.6%	100.0%

繪制成，曲線一、制動(dòng)功率-制動(dòng)率曲線：

從制動(dòng)功率-制動(dòng)率曲線可以發(fā)現(xiàn)丹佛斯FC302P355KT7E5MH2B變頻器具有超過(guò)100%制動(dòng)轉(zhuǎn)矩連續(xù)制動(dòng)的能力。

制動(dòng)功率-制動(dòng)電阻關(guān)系曲線

解決了制動(dòng)功率-制動(dòng)率的問(wèn)題，接下來(lái)還有更實(shí)際的問(wèn)題需要解決—制動(dòng)電阻的取值。有些變頻器廠家提供了不同制動(dòng)率下的制動(dòng)功率-制動(dòng)電阻關(guān)系曲線，供用戶作選取制動(dòng)電阻之參考，但是丹佛斯變頻器設(shè)計(jì)指南中暫無(wú)此數(shù)據(jù)，所以我們用手工計(jì)算的辦法繪制了一張100%制動(dòng)率時(shí)的制動(dòng)功率-制動(dòng)電阻關(guān)系曲線，供用戶參考。

計(jì)算步驟說(shuō)明如下：

1．首先選取一電阻值，比如3Ω，然后根據(jù)此制動(dòng)電阻值可以知道制動(dòng)電流和制動(dòng)功率，利用表二可以算出連續(xù)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)晶體管的結(jié)溫升T_RISE。

2．如果T_RISE ≤ T_RISE-MAX ，說(shuō)明此阻值下的制動(dòng)功率P_R能夠滿足100%制動(dòng)率的要求；

如果T_RISE > T_RISE-MAX ，則說(shuō)明此阻值下的制動(dòng)功率P_R只能滿足Duty% = 的制動(dòng)要求，根據(jù)P_R ×Duty% = P_Brake-100% ×100%，可以得到調(diào)整后的等效連續(xù)制動(dòng)功率：

P_Brake-100% = P_R×

按上述計(jì)算辦法，選取多個(gè)制動(dòng)電阻值，得到表四，等效連續(xù)制動(dòng)功率-制動(dòng)電阻數(shù)據(jù)表：

制動(dòng)電阻（Ω）	1.355	1.8	2.2	2.6	2.677	2.7	3.1	3.8
制動(dòng)功率P_R（kW）	867	653	534	452	439	435	379	309
結(jié)溫升T_RISE（K）	99.2	68.8	52.3	41.6	40.0
等效連續(xù) 制動(dòng)功率（kW）	350	380	409	435	439	435	379	309

繪制成，曲線二、制動(dòng)功率-制動(dòng)電阻曲線：

制動(dòng)電阻的優(yōu)化選擇

首先，制動(dòng)電阻的zui小值受限于制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通電流能力，因此有：

R_{Brake_min} = = 1.36Ω

然后，制動(dòng)電阻的取值決定了變頻器的zui大瞬時(shí)制動(dòng)功率。在此應(yīng)用例中，用戶要求電機(jī)zui大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不小于110%，則P_Brake 不小于 355kW×110%×93%（η_電機(jī)）×98% （η_變頻器）= 356kW，制動(dòng)電阻R_Brake ≤ 1084²/356000 = 3.3 Ω。

小于3.3Ω的制動(dòng)電阻雖然能夠提供更大的瞬時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但是將增加制動(dòng)晶體管的散熱負(fù)擔(dān)，因此滿足zui大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求的制動(dòng)電阻值3.3Ω就是*電阻值。

參考文獻(xiàn)

[1] FC300 Design Guide. MG.33.BC.02. Danfoss A/S

[2] FZ400R17KE3 Technical Information. REV2.2 2007-3-28. Infineon Technologies

[3] DF400R12KE3 Technical Information. REV3.0 2008-10-23. Infineon Technologies

[4] CM300DY-34A Data Sheet. Feb.2009. MITSUBISHI ELECTRIC

[5] General Consideration for IGBT and Inligent Power Modules. Sep 1998. MITSUBISHI ELECTRIC

附件1、DP400C1700S100734模塊技術(shù)資料

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