CN106160505A - 功率单元损耗计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种功率单元损耗计算方法及装置，包括：直流电源、预充电模块、功率单元模块、检测装置、控制计算模块、人机界面模块，其中：直流侧输出端正极和预充电模块的输入端相连，预充电模块的输出端和功率单元模块的直流侧正极相连，直流电源的直流侧输出端负极与功率单元模块的直流侧负极相连，功率单元模块的交流输出侧与负载电阻并联；所述检测装置，用于测量功率单元模块的电压和电流数据，并将检测到的数据发送至控制计算模块；所述控制计算模块用于将开关信号发送至功率单元模块，控制功率单元模块输出额定功率，并将损耗计算结果发送至人机界面。本发明中的装置能够实现功率单元模块的输出电压控制和保护功能，且计算过程简单。

Description

功率单元损耗计算方法及装置

技术领域

本发明涉及高压大功率电力电子器件损耗分析领域，具体地，涉及一种功率单元损耗计算方法及装置，具体地，是针对模块化多电平变流器中串联的功率模块的损耗计算方法及装置。

背景技术

随着模块化多电平技术的发展，大功率电力电子器件(如IGBT)的应用范围不断扩大，在大功率场合的应用中，通常将大功率电力电子器件组成功率单元，再根据所需电压等级级联连接构成模块化多电平变流器，其功率单元通常为半桥结构或全桥结构，其中半桥结构主要应用于直流输电领域，全桥结构主要应用于无功补偿或大功率变频系统。近年来系统控制技术不断完善，功率等级不断提高，在满足系统功能需求的基础上，设备损耗也成为大功率电力电子设备的关键技术指标之一。此外，在大容量设备控制系统设计过程中需考虑器件开关频率等因素，以保证系统长期运行过程中不会因损耗过大，发热严重等因素影响设备安全运行。因此对于大功率电力电子设备中功率单元损耗情况的计算和测试装置是系统设计和检测过程中不可缺少的测试装置之一。

大功率电力电子器件通常为多个半导体芯片并联后封装结构，无法对器件内核温度进行直接测量和计算。因此需采用间接测量手段推算器件损耗，从而计算整个功率单元和电力电子设备的损耗情况。电力电子开关器件的损耗主要包括开关损耗和通态损耗，通态损耗主要取决于器件本身的导通电阻，开关损耗则需要对开关过程中器件电流进行计算来估计。对此由王海田，汤广福，贺之渊等发表的论文“模块化多电平换流器的损耗计算，电力系统自动化[J],2015,39(2):112-118”给出了一种开关损耗的计算方法，但仅从损耗计算原理方面进行了简单说明，且仅针对半桥结构功率单元，没有涉及全桥功率单元，同时也没有涉及损耗计算的实现方法和装置设计，实际工业应用存在困难。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种功率单元损耗计算方法及装置。

根据本发明提供的功率单元损耗计算装置，包括：直流电源、预充电模块、功率单元模块、检测装置、控制计算模块、人机界面模块，其中：直流电源的交流侧经交流断路器与电网连接，直流电源的直流侧输出端正极和预充电模块的输入端相连，预充电模块的输出端和功率单元模块的直流侧正极相连，直流电源的直流侧输出端负极与功率单元模块的直流侧负极相连，功率单元模块的交流输出侧与负载电阻并联；

所述检测装置，用于测量功率单元模块的电压和电流数据，并将检测到的数据发送至控制计算模块；

所述控制计算模块与功率单元模块和人机界面模块电连接，用于将开关信号发送至功率单元模块，控制功率单元模块输出额定功率，并将损耗计算结果发送至人机界面。

优选地，所述控制计算模块根据接收到的功率单元模块的电压和电流数据，利用拟合曲线得到开关损耗，并结合开关器件数据手册提供的开关器件导通电阻获得通态损耗。

优选地，所述直流电源包括：三相二极管不控整流桥、输入交流断路器，所述二极管不控整流桥由6只二极管以三相桥式结构连接，二极管桥交流侧输入端经交流断路器与电网A、B、C三相连接，二极管桥直流侧正极与预充电模块的输入端相连；二极管桥直流侧负极与功率单元模块的直流侧负极连接。

优选地，所述预充电模块由并联的预充电电阻和接触器组成，用于对功率单元模块直流侧的电容进行充电。

优选地，所述功率单元模块包括：半桥结构或全桥结构；其中：

半桥结构的功率单元模块包括：两只全控功率器件、电容器以及放电电阻，第一功率器件发射极与第二功率器件集电极连接，两个功率器件的连接点构成所述功率单元模块的高压端，第二功率器件发射极构成功率单元模块的低压端；电容器正极与第一功率器件集电极连接，电容器负极板与第二功率器件发射极连接，放电电阻与电容并联；

全桥结构功率单元模块包括：四只全控功率器件、电容器以及放电电阻，第一功率器件发射极与第二功率器件集电极连接，第三功率器件发射极与第四功率器件集电极连接，所述第一功率器件和第二功率器件的连接点构成功率单元模块的高压端，所述第三率器件和第四功率器件的连接点构成功率单元模块的低压端；电容器正极与第一功率器件集电极连接，电容器负极板与第二功率器件发射极连接，放电电阻与电容并联。

优选地，所述检测装置包括：2个电流传感器和2个电压传感器，其中：第一电流传感器测量功率单元模块的直流侧正极输入电流，第一电压传感器测量功率单元模块直流侧正负极间的电压值；第二电流传感器串联接入功率单元模块的交流侧高压端和负载 电阻之间，即测量功率单元模块交流输出电流和经功率单元模块内开关器件的电流值；第二电压传感器与负载电阻并联，即测量功率单元模块的交流侧输出电压值，检测装置中所有传感器输出信号线连接至控制计算模块。

优选地，所述控制计算模块包括：数字信号处理器，用于输出触发脉冲至功率单元模块，利用交流电压闭环控制功率单元模块交流侧电压能够跟踪指定的阈值，使功率单元模块能够在所配置的负载电阻下输出额定功率；并且接收检测装置的检测数据，计算出开关器件损耗、功率单元模块输入和输出功率，经通讯端口将计算结果传送至人机界面模块。

根据本发明提供的功率单元损耗计算方法，包括如下步骤：

步骤1：记录功率单元模块中开关器件相邻触发脉冲状态，记录开关器件开通和关断时刻的电流数值；

步骤2：根据功率单元模块交流电流方向和开关器件状态，利用拟合的损耗曲线计算功率器件开关损耗，包括：开通损耗和关断损耗；

步骤3：根据功率单元模块交流电流方向和开关器件状态，基于器件数据手册提供的通态电阻值，计算出开关器件通态损耗；

步骤4：计算功率单元模块中开关器件的总开关损耗，包括：开通损耗和关断损耗；

步骤5：通过功率单元模块直流侧输入电压U_in和输入电流I_in，以及交流侧输出电压U_out和I_out计算功率单元模块中除开关器件以外的所有附属元件的总损耗；

步骤6：将计算结果经通信端口发送至人机界面。

优选地，所述步骤2中功率器件开关损耗的计算公式如下：

式中：E_on和E_off为开通和关断损耗能量，T为损耗累计时间，P_on和P_off为开通和关断损耗功率，i_CE为当前采样周期功率单元交流侧输出电流值，a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂为根据器件生产厂商用户手册中开关器件损耗特性拟合的二次曲线系数。

优选地，开关器件通态损耗的计算公式如下：

式中：P_{pass_T}为开关器件通态损耗，P_{pass_D}为开关器件反并联二极管通态损耗，V_CE0为开关器件偏置电压，V_f0为反并联二极管偏置电压，r_CE为开关器件导通电阻，r_f为反并联二极管通态电阻；

总开关损耗的计算公式如下：

P_sw＝P_on1+P_off1+P_on2+P_off2

其中：认为第三、四功率开关器件的损耗与第一、二开关器件相同，P_sw为总开关损耗，P_on1为第一功率器件开通损耗，P_off1为第一功率器件关断损耗，P_on2为第二功率器件开通损耗，P_off2为第二功率器件关断损耗；

除开关器件以外的所有附属元件的总损耗P₀的计算公式如下：

P₀＝U_inI_in-U_outI_out-P_sw-P_{pass_T}-P_{pass_D}。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的方法能够适用于半桥和全桥功率单元损耗计算，对于其它新型拓扑结构的功率单元，仅需要根据功率单元中开关器件间实际的换流原理，改变控制计算模块中的损耗计算方法即可。

2、本发明所采用的损耗计算方法通过直接采样开关器件在开关时刻的电流值计算损耗，独立于调制策略，只需要设置开关频率与实际工况相近，即可计算实际设备运行时的开关损耗，不需要考虑实际设备中复杂的控制策略，具有一定的通用性。

3、本发明提供的装置中的控制计算模块通过改变开关器件的触发脉冲占空比即可调节功率单元交流侧输出电压，从而改变功率单元输出功率，方便计算多种工况下功率单元的损耗情况。

4、本发明提供的装置中的控制计算模块集成损耗计算、输出电压控制、保护功能为一体，并经通信接口连接至人机界面，易于集中控制，便于工程师操作。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为功率单元损耗计算装置原理图；

图2为半桥功率单元原理图；

图3为全桥功率单元原理图；

图4为检测模块中检测元件的连接原理图

图5为用户手册开关损耗曲线；

图6为Matlab拟合开关损耗曲线；

图7为功率单元交流电压闭环控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明针对现有大功率电力电子装备中常用的半桥结构和全桥结构功率单元，在功率单元满工况下，通过采集开关器件电流数据，结合器件手册自动计算功率单元损耗，并记录相应数据。由于单个功率单元装置功率远远小于整体设备功率，且稳态工况下开关频率为给定值，可以人为控制，短时间运行即可进入热稳定状态，因此可简单采用电阻负载使功率单元输出额定功率。由测试装置计算一定时间功率损耗，主要包括功率器件的开关损耗和通态损耗。同时通过测量负载电阻实际功率和供电电源输入功率可以计算功率单元整体损耗，综上可以分别计算开关器件损耗以及功率单元其他附属器件的功率损耗(主要包括功率单元放电电阻、控制回路、电源回路)。

根据本发明提供的功率单元损耗计算装置，包括：直流电源，预充电模块、功率单元模块、负载电阻、检测装置、控制计算模块、人机界面模块。其中直流电源交流侧经交流断路器与电网连接，直流电源直流输出端正极和预充电模块一端连接，预充电模块另一端和功率单元直流侧正极端子连接，直流电源负极与功率单元直流侧负极连接，功率单元交流输出侧与负载电阻并联；检测装置与功率单元和控制计算模块连接，测量功率单元的电压和电流数据，并将检测结果发送至控制计算模块；控制计算模块与功率单元和人机界面连接，并将开关信号发送至功率单元，使功率单元输出额定功率，同时将损耗计算结果发送至人机界面。

所述直流电源由三相二极管不控整流桥、输入交流断路器组成。其中二极管不控整流桥由6只二极管以三相桥式结构连接，二极管桥交流侧输入端经交流断路器与电网A、B、C三相连接，二极管桥直流侧正极与预充电模块一端连接；二极管桥直流侧负极与功率单元直流侧负极连接。

所述预充电模块为预充电电阻和接触器并联组成，一端与直流电源正极连接，另一 端与功率单元直流侧正极端子连接。经预充电模块对功率单元直流侧电容充电，充电过程包括以下步骤：

步骤A1：闭合电网输出侧交流接触器，保持预充电模块中接触器处于分状态；

步骤A2：待检测到功率单元直流电容电压达到期望的预充电数值后，闭合预充电模块中的接触器，将预充电模块中的充电电阻短路，充电完成；

所述功率单元可以为半桥结构或全桥结构。半桥结构功率单元由两只全控功率器件(包含反并联二极管)、电容器组成。第一功率器件E极与第二功率器件C极连接，其连接点为功率单元高压端，第二功率器件E极为功率单元低压端。电容器正极板与第一功率器件C极连接，电容器负极板与第二功率器件低压端连接，放电电阻与直流电容并联。全桥结构功率单元由四只全控功率器件(包含反并联二极管)、电容器组成。第一功率器件E极与第二功率器件C极连接，再与电容器并联，第三功率器件E极与第四功率器件C极连接，再与电容器并联，第一、二功率器件的连接点为功率单元高压端，第三、四功率器件的连接点为功率单元低压端。放电电阻与直流电容并联。

所述负载电阻为一负载电阻，两端与功率单元交流输出两端连接。

所述检测装置包括2个电流传感器和2个电压传感器，其中第一电流传感器测量功率单元直流侧正极输入电流，第一电压传感器测量功率单元直流侧正负极间电压，用于计算功率单元输入总功率。第二电流传感器串联接入功率单元交流侧高压端和负载电阻之间，即测量功率单元交流输出电流和流过功率单元内开关器件的电流值。第二电压传感器与负载电阻并联，即测量功率单元交流侧输出电压值，检测装置中所有传感器输出信号线连接至控制计算单元，以计算功率单元中开关器件的损耗和附属元件损耗(主要包括功率单元放电电阻、控制回路、电源回路)。

所述控制计算模块核心是数字信号处理器，输出触发脉冲至功率单元器件，利用交流电压闭环控制功率单元交流侧电压跟踪给定值，从而使功率单元在所配置的负载电阻下输出额定功率。接收检测装置的采样信号，计算开关器件损耗和功率单元输入、输出功率，经通讯端口将计算结果传送至上位机界面。

其中开关器件损耗包括第一、二开关器件的开关损耗和通态损耗，计算步骤如下：

步骤B1：记录第一、第二开关器件相邻触发脉冲状态，记录第一、二开关器件开通和关断时刻功率单元交流输出电流数值。

步骤B2：当功率单元输出交流电流为“+”时(定义功率单元电容充电的电流方向为“+”)，且第二功率器件相邻开关脉冲由关断(0状态)变为开通(1状态)时，计算第 二功率器件开通损耗P_on2，和第一功率器件关断损耗P_off1。若电流为“+”但第二开关器件相邻开关脉冲由1状态变为0状态，则只计算第二功率器件关断损耗P_off2。当功率单元输出交流电流为“-”时(定义功率单元电容放电的电流方向为“-”)，且第1功率器件相邻开关脉冲由0状态变为1状态，则计算第一功率器件开通损耗P_on1和第二功率器件关断损耗P_off2，反之若电流为“-”且第一开关器件相邻开关脉冲由1状态变为0状态，则只计算第一开关器件的关断损耗P_off1，开通和关断损耗的计算公式分别如式(1)所示，式中i_CE为当前采样周期功率单元交流侧输出电流值，a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂为根据器件生产厂商用户手册中开关器件损耗特性拟合的二次曲线系数，E_on和E_off为开通和关断损耗能量，T为损耗累计时间，P_on和P_off为开通和关断损耗功率。

步骤B3：当功率单元输出交流电流为“+”时(定义功率单元电容充电的电流方向为“+”)且第二开关器件当前状态为开通(1状态)时，计算第二开关器件通态损耗P_{pass2_T}。若交流电流为“+”，但第二开关器件当前状态为关断(0状态)，则计算第一开关器件的反并联二极管通态损耗P_{pass1_D}。反之，若电流为“-”且第一开关器件当前状态为开通(1状态)，则计算第一开关器件的通态损耗P_{pass1_T}。若交流电流为“-”，但第一开关器件当前状态为关断(0状态)，则计算第二开关器件的反并联二极管通态损耗P_{pass2_D}。第一、二开关器件以及二极管的通态损耗如式(2)所示，式中P_{pass_T}为开关器件通态损耗，P_{pass_D}为开关器件反并联二极管通态损耗。V_CE0为开关器件偏置电压，V_f0为反并联二极管偏置电压，r_CE为开关器件导通电阻，r_f为反并联二极管通态电阻。具体数据由相应功率器件的数据手册获得。

步骤B4：计算总开关损耗P_sw如式(3)所示，对于全桥结构的功率单元，由于开关器件互补动作，可以认为第三、四功率开关器件的损耗与第一、二开关器件相同。

P_sw＝P_on1+P_off1+P_on2+P_off2 (3)

步骤B5：通过功率单元直流侧输入电压U_in和输入电流I_in，以及交流侧输出电压U_out和I_out计算功率单元中除开关器件以外的所有附属元件的总损耗，如式(4)所示

P₀＝U_inI_in-U_outI_out-P_sw-P_{pass_T}-P_{pass_D} (4)

步骤B6：将计算结果经通信端口发送至人机界面。

所述拟合的二次曲线系数a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂首先由器件生产厂商用户手册中开关器件损耗特性图上选择一定数量的数据点，再利用Matlab软件的曲线拟合功能，即可得到拟合二次曲线的系数。

其中交流电压闭环控制是将交流电压给定值与功率单元交流侧电压检测值的误差传送至比例-积分(PI)调节器，调节的输出与限幅模块的输入端连接，限幅模块输出和正弦信号生成单元输出均与乘法单元连接，乘法单元输出信号与三角载波模块数值比较，当调节器输出数值大于三角波时输出第一开关器件开通，第二开关器件关断的命令，反之则输出第二功率器件开通第一功率器件关断的命令，并传送给功率单元模块。

所述人机界面经通信端口与控制计算模块连接，接收并显示控制计算模块发送的损耗计算结果，同时向控制计算模块发送启动、停止命令，以及设置功率模块运行额定功率、额定电压、过电流保护值和过电压保护值参数，操作控制计算模块实现功率单元运行的控制和保护功能。

具体地，如图1所示，包括直流电源，预充电模块、功率单元模块、负载电阻、检测装置、控制计算模块、人机界面模块。其中直流电源交流侧经交流断路器CB1与电网连接，直流电源直流输出端正极和预充电模块一端连接，预充电模块另一端和功率单元直流侧正极端子1连接，直流电源负极与功率单元直流侧负极端子2连接，功率单元交流输出侧端子3和端子4与负载电阻RL并联。检测装置与功率单元和控制计算模块连接，测量功率单元的电压和电流数据，并将检测结果发送至控制计算模块。控制计算模块与功率单元和人机界面连接，将开关信号发送至功率单元，使功率单元输出额定功率，同时将损耗计算结果发送至人机界面。

所述直流电源如图1所示，由三相二极管不控整流桥、输入交流断路器CB1组成，二极管不控整流桥由6只二极管D1～D6以三相桥式结构连接，二极管桥交流侧输入端经CB1与电网A、B、C三相连接，二极管桥直流侧正极与预充电模块一端连接，二极管桥直流侧负极与功率单元直流侧负极连接。

所述预充电模块为预充电电阻R1和接触器CB2并联组成，一端与直流电源正极连接，另一端与功率单元直流侧正极端子1连接。经预充电模块对功率单元直流侧电容充电，充电过程包括以下步骤：

(1)闭合直流电源交流侧接触器CB1，保持预充电模块中接触器CB2处于分状态；

(2)待检测到功率单元直流电容电压达到期望的预充电数值420V后，所接入交流电网电压380V，闭合预充电模块中的CB2，将预充电模块中的充电电阻短路，至直流电压稳定，充电完成。

所述功率单元如图2所示，可以为半桥结构或全桥结构。半桥结构功率单元由两只全控功率器件(包含反并联二极管)G1、G2和电容器C组成。第一功率器件G1的E极与第二功率器件G2的C极连接，其连接点为功率单元高压端P，第二功率器件G2的E极为功率单元低压端N。电容器C的正极板与第一功率器件G1的C极连接，电容器负极板与第二功率器件G2的低压端N连接，放电电阻R与直流电容C并联。全桥结构功率单元由四只全控功率器件(包含反并联二极管)G1、G2、G3、G4和电容器C组成。功率器件G1的E极与功率器件G2的C极连接，再与电容器C并联，功率器件G3的E极与功率器件G4的C极连接，再与电容器并联，功率器件G1和G2的连接点为功率单元高压端P，功率器件G3、G4的连接点为功率单元低压端N，放电电阻与直流电容并联。

所述负载电阻如图1所示，为一负载电阻RL，两端与功率单元交流输出端子3和端子4连接。

所述检测装置包括2个电流传感器TA1、TA2和2个电压传感器TV1、TV2，具体连接位置如图3所示，其中第一电流传感器TA1测量功率单元直流侧正极输入电流，TA1两端分别与预充电模块一端和功率单元直流侧端子1连接，第一电压传感器TV1测量功率单元直流侧正负极间电压，两端分别与功率单元直流侧端子1和端子2连接，用于计算功率单元输入总功率。第二电流传感器TA2串联接入功率单元交流侧高压端子3和负载电阻RL之间，即测量功率单元交流输出电流和流过功率单元内开关器件的电流值。第二电压传感器TV2与负载电阻RL并联，即测量功率单元交流侧输出电压值，检测装置中所有传感器输出信号线连接至控制计算单元，以计算功率单元中开关器件的损耗和附属元件损耗。

所述控制计算模块核心是数字信号处理器，输出触发脉冲至功率单元器件G1，G2(全桥为G1～G4)，利用交流电压闭环控制功率单元交流侧电压跟踪给定值，从而使功率单元在所配置的负载电阻RL下输出额定功率。接收检测装置的采样信号，计算开关器件损耗和功率单元输入、输出功率，经通信端口将计算结果传送至上位机界面。

其中开关器件损耗包括第一、二开关器件G1、G2的开关损耗和通态损耗，计算步骤如下：

(1)记录G1和G2相邻触发脉冲状态，记录G1和G2开通和关断时刻电流数值。

(2)当功率单元输出交流电流为“+”时(定义功率单元电容充电的电流方向为“+”)，且G2相邻开关脉冲由关断(0状态)变为开通(1状态)时，计算G2开通损耗P_on2，和G1关断损耗P_off1。若电流为“+”且G2相邻开关脉冲由1状态变为0状态，则只计算G2关断损耗P_off2。当功率单元输出交流电流为“-”时(定义功率单元电容放电的电流方向为“-”)，且G1相邻开关脉冲由0状态变为1状态，则计算G1开通损耗P_on1和G2关断损耗P_off2，反之若电流为“-”且G1相邻开关脉冲由1状态变为0状态，则只计算G1的关断损耗P_off1，开通和关断损耗的计算公式分别如式(1)所示，式中i_CE为当前采用周期功率单元交流侧输出电流值，以英飞凌IKQ120N60TA型号IGBT为例，i_CE额定值为120A。a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂为根据器件生产厂商用户手册中开关器件损耗特性拟合的二次曲线系数，E_on和E_off为开通和关断损耗能量，T为损耗累计时间，取稳态后10s为一个统计周期，即T＝10s，P_on和P_off为开通和管损耗功率。

(3)当功率单元输出交流电流为“+”时(定义功率单元电容充电的电流方向为“+”)且G2当前状态为开通(1状态)时，计算G2通态损耗P_{pass2_T}。若交流电流为“+”，但G2当前状态为关断(0状态)，则计算G1的反并联二极管通态损耗P_{pass1_D}。反之，若电流为“-”且G1当前状态为开通(1状态)，则计算G1的通态损耗P_{pass1_T}。若交流电流为“-”，但G1当前状态为关断(0状态)时，则计算G2的反并联二极管通态损耗P_{pass2_D}。开关器件G1、G2以及二极管的通态损耗如式(2)所示，式中P_{pass1_T}为开关器件通态损耗，P_{pass1_D}为开关器件反并联二极管通态损耗。以英飞凌IKQ120N60TA型号IGBT为例，i_CE额定值为120A。根据器件生产厂商用户手册，G1、G2偏置电压V_CE0为1.5V，反并联二极管偏置电压V_f0为1.65V，G1、G2的导通电阻r_CE为0.0069Ω，反并联二极管通态电阻r_f为0.0033Ω。

(4)计算总开关损耗P_sw如式(3)所示，对于全桥结构的功率单元，由于开关器件互补动作，可以认为第三、四功率开关器件的损耗与第一、二开关器件相同。

(5)通过功率单元直流侧输入电压U_in和输入电流I_in，以及交流侧输出电压U_out和I_out计算功率单元中除开关器件以外的所有附属元件的总损耗，如式(4)所示。

(6)将计算结果经通信端口发送至人机界面。

其中，拟合的二次曲线系数a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂首先在器件生产厂商用户手册中开关器件损耗特性图上选择一定数量的数据点，选择7组数据分别为：关断损耗：[20,1.2]，[40,2]，[80,2.8]，[120,4.5]，[160,5.63]，[200,7.7]，[240,8.57]。开通损耗：[20,1.2]，[40,2.5]， [80,4.6]，[120,6.87]，[160,10]，[200,14.23]，[240,18]。再利用Matlab软件的曲线拟合功能，即可得到拟合二次曲线的系数a1＝1.9425e-5,b1＝0.0294,c1＝0.6146。a2＝1.6019e-4,b2＝0.0342,c2＝0.6525。

其中交流电压闭环控制如图7所示，是将交流电压给定值U^*与功率单元交流侧电压检测值U的误差传送至PI调节器，调节器的输出与限幅模块的输入端连接，限幅模块输出U_m和正弦信号生成单元输出sin wt均与乘法单元连接，限幅模块输出限幅值为0～1，乘法单元输出信号U_ref与三角载波模块数值比较，输出触发脉冲，当调节器输出数值大于三角波时输出第一开关器件开通，第二开关器件关断的命令，反之则输出第二功率器件开通第一功率器件关断的命令，并传送给功率单元模块。

所述人机界面如图1所示，经通讯端口与控制计算模块连接，接收并显示控制计算模块发送的损耗计算结果，同时向控制计算模块发送启动、停止命令，以及设置功率模块运行额定功率、额定电压、过电流保护值和过电压保护值参数，操作控制计算模块实现功率单元运行的控制和保护功能。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种功率单元损耗计算装置，其特征在于，包括：直流电源、预充电模块、功率单元模块、检测装置、控制计算模块、人机界面模块，其中：直流电源的交流侧经交流断路器与电网连接，直流电源的直流侧输出端正极和预充电模块的输入端相连，预充电模块的输出端和功率单元模块的直流侧正极相连，直流电源的直流侧输出端负极与功率单元模块的直流侧负极相连，功率单元模块的交流输出侧与负载电阻并联；

所述检测装置，用于测量功率单元模块的电压和电流数据，并将检测到的数据发送至控制计算模块；

所述控制计算模块与功率单元模块和人机界面模块电连接，用于将开关信号发送至功率单元模块，控制功率单元模块输出额定功率，并将损耗计算结果发送至人机界面。

2.根据权利要求1所述的功率单元损耗计算装置，其特征在于，所述控制计算模块根据接收到的功率单元模块的电压和电流数据，利用拟合曲线得到开关损耗，并结合开关器件数据手册提供的开关器件导通电阻获得通态损耗。

3.根据权利要求1所述的功率单元损耗计算装置，其特征在于，所述直流电源包括：三相二极管不控整流桥、输入交流断路器，所述二极管不控整流桥由6只二极管以三相桥式结构连接，二极管桥交流侧输入端经交流断路器与电网A、B、C三相连接，二极管桥直流侧正极与预充电模块的输入端相连；二极管桥直流侧负极与功率单元模块的直流侧负极连接。

4.根据权利要求1所述的功率单元损耗计算装置，其特征在于，所述预充电模块由并联的预充电电阻和接触器组成，用于对功率单元模块直流侧的电容进行充电。

5.根据权利要求1所述的功率单元损耗计算装置，其特征在于，所述功率单元模块包括：半桥结构或全桥结构；其中：

半桥结构的功率单元模块包括：两只全控功率器件、电容器以及放电电阻，第一功率器件发射极与第二功率器件集电极连接，两个功率器件的连接点构成所述功率单元模块的高压端，第二功率器件发射极构成功率单元模块的低压端；电容器正极与第一功率器件集电极连接，电容器负极板与第二功率器件发射极连接，放电电阻与电容并联；

全桥结构功率单元模块包括：四只全控功率器件、电容器以及放电电阻，第一功率器件发射极与第二功率器件集电极连接，第三功率器件发射极与第四功率器件集电极连接，所述第一功率器件和第二功率器件的连接点构成功率单元模块的高压端，所述第三率器件和第四功率器件的连接点构成功率单元模块的低压端；电容器正极与第一功率器件集电极连接，电容器负极板与第二功率器件发射极连接，放电电阻与电容并联。

6.根据权利要求1所述的功率单元损耗计算装置，其特征在于，所述检测装置包括：2个电流传感器和2个电压传感器，其中：第一电流传感器测量功率单元模块的直流侧正极输入电流，第一电压传感器测量功率单元模块直流侧正负极间的电压值；第二电流传感器串联接入功率单元模块的交流侧高压端和负载电阻之间，即测量功率单元模块交流输出电流和经功率单元模块内开关器件的电流值；第二电压传感器与负载电阻并联，即测量功率单元模块的交流侧输出电压值，检测装置中所有传感器输出信号线连接至控制计算模块。

7.根据权利要求1所述的功率单元损耗计算装置，其特征在于，所述控制计算模块包括：数字信号处理器，用于输出触发脉冲至功率单元模块，利用交流电压闭环控制功率单元模块交流侧电压能够跟踪指定的阈值，使功率单元模块能够在所配置的负载电阻下输出额定功率；并且接收检测装置的检测数据，计算出开关器件损耗、功率单元模块输入和输出功率，经通讯端口将计算结果传送至人机界面模块。

8.一种功率单元损耗计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：记录功率单元模块中开关器件相邻触发脉冲状态，记录开关器件开通和关断时刻的电流数值；

步骤2：根据功率单元模块交流电流方向和开关器件状态，利用拟合的损耗曲线计算功率器件开关损耗，包括：开通损耗和关断损耗；

步骤3：根据功率单元模块交流电流方向和开关器件状态，基于器件数据手册提供的通态电阻值，计算出开关器件通态损耗；

步骤4：计算功率单元模块中开关器件的总开关损耗，包括：开通损耗和关断损耗；

步骤5：通过功率单元模块直流侧输入电压U_in和输入电流I_in，以及交流侧输出电压U_out和I_out计算功率单元模块中除开关器件以外的所有附属元件的总损耗；

步骤6：将计算结果经通信端口发送至人机界面。

9.根据权利要求8所述的功率单元损耗计算方法，其特征在于，所述步骤2中功率器件开关损耗的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{off}=a_1+b_1{i}_{CE}+c_1{i}_{CE}^2\\ E_{on}=a_2+b_2{i}_{CE}+c_2{i}_{CE}^2\\ P_{off}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\Σ}}{E}_{off}\\ P_{on}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\Σ}}{E}_{on}\end{array}\right.$

式中：E_on和E_off为开通和关断损耗能量，T为损耗累计时间，P_on和P_off为开通和关断损耗功率，i_CE为当前采样周期功率单元交流侧输出电流值，a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂为根据器件生产厂商用户手册中开关器件损耗特性拟合的二次曲线系数。

10.根据权利要求8所述的功率单元损耗计算方法，其特征在于，开关器件通态损耗的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{pass\_T}=i_{CE}{V}_{CE0}+i_{CE}^2{r}_{CE}\\ P_{pass\_D}=i_{CE}{V}_{f0}+i_{CE}^2{r}_f\end{array}\right.$

式中：P_{pass_T}为开关器件通态损耗，P_{pass_D}为开关器件反并联二极管通态损耗，V_CE0为开关器件偏置电压，V_f0为反并联二极管偏置电压，r_CE为开关器件导通电阻，r_f为反并联二极管通态电阻；

总开关损耗的计算公式如下：

P_sw＝P_on1+P_off1+P_on2+P_off2

其中：认为第三、四功率开关器件的损耗与第一、二开关器件相同，P_sw为总开关损耗，P_on1为第一功率器件开通损耗，P_off1为第一功率器件关断损耗，P_on2为第二功率器件开通损耗，P_off2为第二功率器件关断损耗；

除开关器件以外的所有附属元件的总损耗P₀的计算公式如下：

P₀＝U_inI_in-U_outI_out-P_sw-P_{pass_T}-P_{pass_D}。