本發(fā)明涉及高壓大功率電力電子器件損耗分析領(lǐng)域，具體地，涉及一種功率單元損耗計(jì)算方法及裝置，具體地，是針對(duì)模塊化多電平變流器中串聯(lián)的功率模塊的損耗計(jì)算方法及裝置。

背景技術(shù)：

隨著模塊化多電平技術(shù)的發(fā)展，大功率電力電子器件(如IGBT)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在大功率場(chǎng)合的應(yīng)用中，通常將大功率電力電子器件組成功率單元，再根據(jù)所需電壓等級(jí)級(jí)聯(lián)連接構(gòu)成模塊化多電平變流器，其功率單元通常為半橋結(jié)構(gòu)或全橋結(jié)構(gòu)，其中半橋結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于直流輸電領(lǐng)域，全橋結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于無(wú)功補(bǔ)償或大功率變頻系統(tǒng)。近年來(lái)系統(tǒng)控制技術(shù)不斷完善，功率等級(jí)不斷提高，在滿(mǎn)足系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，設(shè)備損耗也成為大功率電力電子設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。此外，在大容量設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮器件開(kāi)關(guān)頻率等因素，以保證系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)因損耗過(guò)大，發(fā)熱嚴(yán)重等因素影響設(shè)備安全運(yùn)行。因此對(duì)于大功率電力電子設(shè)備中功率單元損耗情況的計(jì)算和測(cè)試裝置是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和檢測(cè)過(guò)程中不可缺少的測(cè)試裝置之一。

大功率電力電子器件通常為多個(gè)半導(dǎo)體芯片并聯(lián)后封裝結(jié)構(gòu)，無(wú)法對(duì)器件內(nèi)核溫度進(jìn)行直接測(cè)量和計(jì)算。因此需采用間接測(cè)量手段推算器件損耗，從而計(jì)算整個(gè)功率單元和電力電子設(shè)備的損耗情況。電力電子開(kāi)關(guān)器件的損耗主要包括開(kāi)關(guān)損耗和通態(tài)損耗，通態(tài)損耗主要取決于器件本身的導(dǎo)通電阻，開(kāi)關(guān)損耗則需要對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程中器件電流進(jìn)行計(jì)算來(lái)估計(jì)。對(duì)此由王海田，湯廣福，賀之淵等發(fā)表的論文“模塊化多電平換流器的損耗計(jì)算，電力系統(tǒng)自動(dòng)化[J],2015,39(2):112-118”給出了一種開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算方法，但僅從損耗計(jì)算原理方面進(jìn)行了簡(jiǎn)單說(shuō)明，且僅針對(duì)半橋結(jié)構(gòu)功率單元，沒(méi)有涉及全橋功率單元，同時(shí)也沒(méi)有涉及損耗計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法和裝置設(shè)計(jì)，實(shí)際工業(yè)應(yīng)用存在困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種功率單元損耗計(jì)算方法及裝置。

根據(jù)本發(fā)明提供的功率單元損耗計(jì)算裝置，包括：直流電源、預(yù)充電模塊、功率單元模塊、檢測(cè)裝置、控制計(jì)算模塊、人機(jī)界面模塊，其中：直流電源的交流側(cè)經(jīng)交流斷路器與電網(wǎng)連接，直流電源的直流側(cè)輸出端正極和預(yù)充電模塊的輸入端相連，預(yù)充電模塊的輸出端和功率單元模塊的直流側(cè)正極相連，直流電源的直流側(cè)輸出端負(fù)極與功率單元模塊的直流側(cè)負(fù)極相連，功率單元模塊的交流輸出側(cè)與負(fù)載電阻并聯(lián)；

所述檢測(cè)裝置，用于測(cè)量功率單元模塊的電壓和電流數(shù)據(jù)，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制計(jì)算模塊；

所述控制計(jì)算模塊與功率單元模塊和人機(jī)界面模塊電連接，用于將開(kāi)關(guān)信號(hào)發(fā)送至功率單元模塊，控制功率單元模塊輸出額定功率，并將損耗計(jì)算結(jié)果發(fā)送至人機(jī)界面。

優(yōu)選地，所述控制計(jì)算模塊根據(jù)接收到的功率單元模塊的電壓和電流數(shù)據(jù)，利用擬合曲線得到開(kāi)關(guān)損耗，并結(jié)合開(kāi)關(guān)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通電阻獲得通態(tài)損耗。

優(yōu)選地，所述直流電源包括：三相二極管不控整流橋、輸入交流斷路器，所述二極管不控整流橋由6只二極管以三相橋式結(jié)構(gòu)連接，二極管橋交流側(cè)輸入端經(jīng)交流斷路器與電網(wǎng)A、B、C三相連接，二極管橋直流側(cè)正極與預(yù)充電模塊的輸入端相連；二極管橋直流側(cè)負(fù)極與功率單元模塊的直流側(cè)負(fù)極連接。

優(yōu)選地，所述預(yù)充電模塊由并聯(lián)的預(yù)充電電阻和接觸器組成，用于對(duì)功率單元模塊直流側(cè)的電容進(jìn)行充電。

優(yōu)選地，所述功率單元模塊包括：半橋結(jié)構(gòu)或全橋結(jié)構(gòu)；其中：

半橋結(jié)構(gòu)的功率單元模塊包括：兩只全控功率器件、電容器以及放電電阻，第一功率器件發(fā)射極與第二功率器件集電極連接，兩個(gè)功率器件的連接點(diǎn)構(gòu)成所述功率單元模塊的高壓端，第二功率器件發(fā)射極構(gòu)成功率單元模塊的低壓端；電容器正極與第一功率器件集電極連接，電容器負(fù)極板與第二功率器件發(fā)射極連接，放電電阻與電容并聯(lián)；

全橋結(jié)構(gòu)功率單元模塊包括：四只全控功率器件、電容器以及放電電阻，第一功率器件發(fā)射極與第二功率器件集電極連接，第三功率器件發(fā)射極與第四功率器件集電極連接，所述第一功率器件和第二功率器件的連接點(diǎn)構(gòu)成功率單元模塊的高壓端，所述第三率器件和第四功率器件的連接點(diǎn)構(gòu)成功率單元模塊的低壓端；電容器正極與第一功率器件集電極連接，電容器負(fù)極板與第二功率器件發(fā)射極連接，放電電阻與電容并聯(lián)。

優(yōu)選地，所述檢測(cè)裝置包括：2個(gè)電流傳感器和2個(gè)電壓傳感器，其中：第一電流傳感器測(cè)量功率單元模塊的直流側(cè)正極輸入電流，第一電壓傳感器測(cè)量功率單元模塊直流側(cè)正負(fù)極間的電壓值；第二電流傳感器串聯(lián)接入功率單元模塊的交流側(cè)高壓端和負(fù)載 電阻之間，即測(cè)量功率單元模塊交流輸出電流和經(jīng)功率單元模塊內(nèi)開(kāi)關(guān)器件的電流值；第二電壓傳感器與負(fù)載電阻并聯(lián)，即測(cè)量功率單元模塊的交流側(cè)輸出電壓值，檢測(cè)裝置中所有傳感器輸出信號(hào)線連接至控制計(jì)算模塊。

優(yōu)選地，所述控制計(jì)算模塊包括：數(shù)字信號(hào)處理器，用于輸出觸發(fā)脈沖至功率單元模塊，利用交流電壓閉環(huán)控制功率單元模塊交流側(cè)電壓能夠跟蹤指定的閾值，使功率單元模塊能夠在所配置的負(fù)載電阻下輸出額定功率；并且接收檢測(cè)裝置的檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出開(kāi)關(guān)器件損耗、功率單元模塊輸入和輸出功率，經(jīng)通訊端口將計(jì)算結(jié)果傳送至人機(jī)界面模塊。

根據(jù)本發(fā)明提供的功率單元損耗計(jì)算方法，包括如下步驟：

步驟1：記錄功率單元模塊中開(kāi)關(guān)器件相鄰觸發(fā)脈沖狀態(tài)，記錄開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻的電流數(shù)值；

步驟2：根據(jù)功率單元模塊交流電流方向和開(kāi)關(guān)器件狀態(tài)，利用擬合的損耗曲線計(jì)算功率器件開(kāi)關(guān)損耗，包括：開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗；

步驟3：根據(jù)功率單元模塊交流電流方向和開(kāi)關(guān)器件狀態(tài)，基于器件數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的通態(tài)電阻值，計(jì)算出開(kāi)關(guān)器件通態(tài)損耗；

步驟4：計(jì)算功率單元模塊中開(kāi)關(guān)器件的總開(kāi)關(guān)損耗，包括：開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗；

步驟5：通過(guò)功率單元模塊直流側(cè)輸入電壓U_in和輸入電流I_in，以及交流側(cè)輸出電壓U_out和I_out計(jì)算功率單元模塊中除開(kāi)關(guān)器件以外的所有附屬元件的總損耗；

步驟6：將計(jì)算結(jié)果經(jīng)通信端口發(fā)送至人機(jī)界面。

優(yōu)選地，所述步驟2中功率器件開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算公式如下：

式中：E_on和E_off為開(kāi)通和關(guān)斷損耗能量，T為損耗累計(jì)時(shí)間，P_on和P_off為開(kāi)通和關(guān)斷損耗功率，i_CE為當(dāng)前采樣周期功率單元交流側(cè)輸出電流值，a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂為根據(jù)器件生產(chǎn)廠商用戶(hù)手冊(cè)中開(kāi)關(guān)器件損耗特性擬合的二次曲線系數(shù)。

優(yōu)選地，開(kāi)關(guān)器件通態(tài)損耗的計(jì)算公式如下：

式中：P_{pass_T}為開(kāi)關(guān)器件通態(tài)損耗，P_{pass_D}為開(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)二極管通態(tài)損耗，V_CE0為開(kāi)關(guān)器件偏置電壓，V_f0為反并聯(lián)二極管偏置電壓，r_CE為開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通電阻，r_f為反并聯(lián)二極管通態(tài)電阻；

總開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算公式如下：

P_sw＝P_on1+P_off1+P_on2+P_off2

其中：認(rèn)為第三、四功率開(kāi)關(guān)器件的損耗與第一、二開(kāi)關(guān)器件相同，P_sw為總開(kāi)關(guān)損耗，P_on1為第一功率器件開(kāi)通損耗，P_off1為第一功率器件關(guān)斷損耗，P_on2為第二功率器件開(kāi)通損耗，P_off2為第二功率器件關(guān)斷損耗；

除開(kāi)關(guān)器件以外的所有附屬元件的總損耗P₀的計(jì)算公式如下：

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

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明提供的方法能夠適用于半橋和全橋功率單元損耗計(jì)算，對(duì)于其它新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率單元，僅需要根據(jù)功率單元中開(kāi)關(guān)器件間實(shí)際的換流原理，改變控制計(jì)算模塊中的損耗計(jì)算方法即可。

2、本發(fā)明所采用的損耗計(jì)算方法通過(guò)直接采樣開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)關(guān)時(shí)刻的電流值計(jì)算損耗，獨(dú)立于調(diào)制策略，只需要設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率與實(shí)際工況相近，即可計(jì)算實(shí)際設(shè)備運(yùn)行時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗，不需要考慮實(shí)際設(shè)備中復(fù)雜的控制策略，具有一定的通用性。

3、本發(fā)明提供的裝置中的控制計(jì)算模塊通過(guò)改變開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)脈沖占空比即可調(diào)節(jié)功率單元交流側(cè)輸出電壓，從而改變功率單元輸出功率，方便計(jì)算多種工況下功率單元的損耗情況。

4、本發(fā)明提供的裝置中的控制計(jì)算模塊集成損耗計(jì)算、輸出電壓控制、保護(hù)功能為一體，并經(jīng)通信接口連接至人機(jī)界面，易于集中控制，便于工程師操作。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為功率單元損耗計(jì)算裝置原理圖；

圖2為半橋功率單元原理圖；

圖3為全橋功率單元原理圖；

圖4為檢測(cè)模塊中檢測(cè)元件的連接原理圖

圖5為用戶(hù)手冊(cè)開(kāi)關(guān)損耗曲線；

圖6為Matlab擬合開(kāi)關(guān)損耗曲線；

圖7為功率單元交流電壓閉環(huán)控制原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有大功率電力電子裝備中常用的半橋結(jié)構(gòu)和全橋結(jié)構(gòu)功率單元，在功率單元滿(mǎn)工況下，通過(guò)采集開(kāi)關(guān)器件電流數(shù)據(jù)，結(jié)合器件手冊(cè)自動(dòng)計(jì)算功率單元損耗，并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。由于單個(gè)功率單元裝置功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整體設(shè)備功率，且穩(wěn)態(tài)工況下開(kāi)關(guān)頻率為給定值，可以人為控制，短時(shí)間運(yùn)行即可進(jìn)入熱穩(wěn)定狀態(tài)，因此可簡(jiǎn)單采用電阻負(fù)載使功率單元輸出額定功率。由測(cè)試裝置計(jì)算一定時(shí)間功率損耗，主要包括功率器件的開(kāi)關(guān)損耗和通態(tài)損耗。同時(shí)通過(guò)測(cè)量負(fù)載電阻實(shí)際功率和供電電源輸入功率可以計(jì)算功率單元整體損耗，綜上可以分別計(jì)算開(kāi)關(guān)器件損耗以及功率單元其他附屬器件的功率損耗(主要包括功率單元放電電阻、控制回路、電源回路)。

根據(jù)本發(fā)明提供的功率單元損耗計(jì)算裝置，包括：直流電源，預(yù)充電模塊、功率單元模塊、負(fù)載電阻、檢測(cè)裝置、控制計(jì)算模塊、人機(jī)界面模塊。其中直流電源交流側(cè)經(jīng)交流斷路器與電網(wǎng)連接，直流電源直流輸出端正極和預(yù)充電模塊一端連接，預(yù)充電模塊另一端和功率單元直流側(cè)正極端子連接，直流電源負(fù)極與功率單元直流側(cè)負(fù)極連接，功率單元交流輸出側(cè)與負(fù)載電阻并聯(lián)；檢測(cè)裝置與功率單元和控制計(jì)算模塊連接，測(cè)量功率單元的電壓和電流數(shù)據(jù)，并將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送至控制計(jì)算模塊；控制計(jì)算模塊與功率單元和人機(jī)界面連接，并將開(kāi)關(guān)信號(hào)發(fā)送至功率單元，使功率單元輸出額定功率，同時(shí)將損耗計(jì)算結(jié)果發(fā)送至人機(jī)界面。

所述直流電源由三相二極管不控整流橋、輸入交流斷路器組成。其中二極管不控整流橋由6只二極管以三相橋式結(jié)構(gòu)連接，二極管橋交流側(cè)輸入端經(jīng)交流斷路器與電網(wǎng)A、B、C三相連接，二極管橋直流側(cè)正極與預(yù)充電模塊一端連接；二極管橋直流側(cè)負(fù)極與功率單元直流側(cè)負(fù)極連接。

所述預(yù)充電模塊為預(yù)充電電阻和接觸器并聯(lián)組成，一端與直流電源正極連接，另一 端與功率單元直流側(cè)正極端子連接。經(jīng)預(yù)充電模塊對(duì)功率單元直流側(cè)電容充電，充電過(guò)程包括以下步驟：

步驟A1：閉合電網(wǎng)輸出側(cè)交流接觸器，保持預(yù)充電模塊中接觸器處于分狀態(tài)；

步驟A2：待檢測(cè)到功率單元直流電容電壓達(dá)到期望的預(yù)充電數(shù)值后，閉合預(yù)充電模塊中的接觸器，將預(yù)充電模塊中的充電電阻短路，充電完成；

所述功率單元可以為半橋結(jié)構(gòu)或全橋結(jié)構(gòu)。半橋結(jié)構(gòu)功率單元由兩只全控功率器件(包含反并聯(lián)二極管)、電容器組成。第一功率器件E極與第二功率器件C極連接，其連接點(diǎn)為功率單元高壓端，第二功率器件E極為功率單元低壓端。電容器正極板與第一功率器件C極連接，電容器負(fù)極板與第二功率器件低壓端連接，放電電阻與直流電容并聯(lián)。全橋結(jié)構(gòu)功率單元由四只全控功率器件(包含反并聯(lián)二極管)、電容器組成。第一功率器件E極與第二功率器件C極連接，再與電容器并聯(lián)，第三功率器件E極與第四功率器件C極連接，再與電容器并聯(lián)，第一、二功率器件的連接點(diǎn)為功率單元高壓端，第三、四功率器件的連接點(diǎn)為功率單元低壓端。放電電阻與直流電容并聯(lián)。

所述負(fù)載電阻為一負(fù)載電阻，兩端與功率單元交流輸出兩端連接。

所述檢測(cè)裝置包括2個(gè)電流傳感器和2個(gè)電壓傳感器，其中第一電流傳感器測(cè)量功率單元直流側(cè)正極輸入電流，第一電壓傳感器測(cè)量功率單元直流側(cè)正負(fù)極間電壓，用于計(jì)算功率單元輸入總功率。第二電流傳感器串聯(lián)接入功率單元交流側(cè)高壓端和負(fù)載電阻之間，即測(cè)量功率單元交流輸出電流和流過(guò)功率單元內(nèi)開(kāi)關(guān)器件的電流值。第二電壓傳感器與負(fù)載電阻并聯(lián)，即測(cè)量功率單元交流側(cè)輸出電壓值，檢測(cè)裝置中所有傳感器輸出信號(hào)線連接至控制計(jì)算單元，以計(jì)算功率單元中開(kāi)關(guān)器件的損耗和附屬元件損耗(主要包括功率單元放電電阻、控制回路、電源回路)。

所述控制計(jì)算模塊核心是數(shù)字信號(hào)處理器，輸出觸發(fā)脈沖至功率單元器件，利用交流電壓閉環(huán)控制功率單元交流側(cè)電壓跟蹤給定值，從而使功率單元在所配置的負(fù)載電阻下輸出額定功率。接收檢測(cè)裝置的采樣信號(hào)，計(jì)算開(kāi)關(guān)器件損耗和功率單元輸入、輸出功率，經(jīng)通訊端口將計(jì)算結(jié)果傳送至上位機(jī)界面。

其中開(kāi)關(guān)器件損耗包括第一、二開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗和通態(tài)損耗，計(jì)算步驟如下：

步驟B1：記錄第一、第二開(kāi)關(guān)器件相鄰觸發(fā)脈沖狀態(tài)，記錄第一、二開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻功率單元交流輸出電流數(shù)值。

步驟B2：當(dāng)功率單元輸出交流電流為“+”時(shí)(定義功率單元電容充電的電流方向?yàn)椤?”)，且第二功率器件相鄰開(kāi)關(guān)脈沖由關(guān)斷(0狀態(tài))變?yōu)殚_(kāi)通(1狀態(tài))時(shí)，計(jì)算第 二功率器件開(kāi)通損耗P_on2，和第一功率器件關(guān)斷損耗P_off1。若電流為“+”但第二開(kāi)關(guān)器件相鄰開(kāi)關(guān)脈沖由1狀態(tài)變?yōu)?狀態(tài)，則只計(jì)算第二功率器件關(guān)斷損耗P_off2。當(dāng)功率單元輸出交流電流為“-”時(shí)(定義功率單元電容放電的電流方向?yàn)椤?”)，且第1功率器件相鄰開(kāi)關(guān)脈沖由0狀態(tài)變?yōu)?狀態(tài)，則計(jì)算第一功率器件開(kāi)通損耗P_on1和第二功率器件關(guān)斷損耗P_off2，反之若電流為“-”且第一開(kāi)關(guān)器件相鄰開(kāi)關(guān)脈沖由1狀態(tài)變?yōu)?狀態(tài)，則只計(jì)算第一開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷損耗P_off1，開(kāi)通和關(guān)斷損耗的計(jì)算公式分別如式(1)所示，式中i_CE為當(dāng)前采樣周期功率單元交流側(cè)輸出電流值，a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂為根據(jù)器件生產(chǎn)廠商用戶(hù)手冊(cè)中開(kāi)關(guān)器件損耗特性擬合的二次曲線系數(shù)，E_on和E_off為開(kāi)通和關(guān)斷損耗能量，T為損耗累計(jì)時(shí)間，P_on和P_off為開(kāi)通和關(guān)斷損耗功率。

步驟B3：當(dāng)功率單元輸出交流電流為“+”時(shí)(定義功率單元電容充電的電流方向?yàn)椤?”)且第二開(kāi)關(guān)器件當(dāng)前狀態(tài)為開(kāi)通(1狀態(tài))時(shí)，計(jì)算第二開(kāi)關(guān)器件通態(tài)損耗P_{pass2_T}。若交流電流為“+”，但第二開(kāi)關(guān)器件當(dāng)前狀態(tài)為關(guān)斷(0狀態(tài))，則計(jì)算第一開(kāi)關(guān)器件的反并聯(lián)二極管通態(tài)損耗P_{pass1_D}。反之，若電流為“-”且第一開(kāi)關(guān)器件當(dāng)前狀態(tài)為開(kāi)通(1狀態(tài))，則計(jì)算第一開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)損耗P_{pass1_T}。若交流電流為“-”，但第一開(kāi)關(guān)器件當(dāng)前狀態(tài)為關(guān)斷(0狀態(tài))，則計(jì)算第二開(kāi)關(guān)器件的反并聯(lián)二極管通態(tài)損耗P_{pass2_D}。第一、二開(kāi)關(guān)器件以及二極管的通態(tài)損耗如式(2)所示，式中P_{pass_T}為開(kāi)關(guān)器件通態(tài)損耗，P_{pass_D}為開(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)二極管通態(tài)損耗。V_CE0為開(kāi)關(guān)器件偏置電壓，V_f0為反并聯(lián)二極管偏置電壓，r_CE為開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通電阻，r_f為反并聯(lián)二極管通態(tài)電阻。具體數(shù)據(jù)由相應(yīng)功率器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)獲得。

步驟B4：計(jì)算總開(kāi)關(guān)損耗P_sw如式(3)所示，對(duì)于全橋結(jié)構(gòu)的功率單元，由于開(kāi)關(guān)器件互補(bǔ)動(dòng)作，可以認(rèn)為第三、四功率開(kāi)關(guān)器件的損耗與第一、二開(kāi)關(guān)器件相同。

P_sw＝P_on1+P_off1+P_on2+P_off2 (3)

步驟B5：通過(guò)功率單元直流側(cè)輸入電壓U_in和輸入電流I_in，以及交流側(cè)輸出電壓U_out和I_out計(jì)算功率單元中除開(kāi)關(guān)器件以外的所有附屬元件的總損耗，如式(4)所示

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

步驟B6：將計(jì)算結(jié)果經(jīng)通信端口發(fā)送至人機(jī)界面。

所述擬合的二次曲線系數(shù)a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂首先由器件生產(chǎn)廠商用戶(hù)手冊(cè)中開(kāi)關(guān)器件損耗特性圖上選擇一定數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，再利用Matlab軟件的曲線擬合功能，即可得到擬合二次曲線的系數(shù)。

其中交流電壓閉環(huán)控制是將交流電壓給定值與功率單元交流側(cè)電壓檢測(cè)值的誤差傳送至比例-積分(PI)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)的輸出與限幅模塊的輸入端連接，限幅模塊輸出和正弦信號(hào)生成單元輸出均與乘法單元連接，乘法單元輸出信號(hào)與三角載波模塊數(shù)值比較，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出數(shù)值大于三角波時(shí)輸出第一開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通，第二開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷的命令，反之則輸出第二功率器件開(kāi)通第一功率器件關(guān)斷的命令，并傳送給功率單元模塊。

所述人機(jī)界面經(jīng)通信端口與控制計(jì)算模塊連接，接收并顯示控制計(jì)算模塊發(fā)送的損耗計(jì)算結(jié)果，同時(shí)向控制計(jì)算模塊發(fā)送啟動(dòng)、停止命令，以及設(shè)置功率模塊運(yùn)行額定功率、額定電壓、過(guò)電流保護(hù)值和過(guò)電壓保護(hù)值參數(shù)，操作控制計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)功率單元運(yùn)行的控制和保護(hù)功能。

具體地，如圖1所示，包括直流電源，預(yù)充電模塊、功率單元模塊、負(fù)載電阻、檢測(cè)裝置、控制計(jì)算模塊、人機(jī)界面模塊。其中直流電源交流側(cè)經(jīng)交流斷路器CB1與電網(wǎng)連接，直流電源直流輸出端正極和預(yù)充電模塊一端連接，預(yù)充電模塊另一端和功率單元直流側(cè)正極端子1連接，直流電源負(fù)極與功率單元直流側(cè)負(fù)極端子2連接，功率單元交流輸出側(cè)端子3和端子4與負(fù)載電阻RL并聯(lián)。檢測(cè)裝置與功率單元和控制計(jì)算模塊連接，測(cè)量功率單元的電壓和電流數(shù)據(jù)，并將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送至控制計(jì)算模塊?？刂朴?jì)算模塊與功率單元和人機(jī)界面連接，將開(kāi)關(guān)信號(hào)發(fā)送至功率單元，使功率單元輸出額定功率，同時(shí)將損耗計(jì)算結(jié)果發(fā)送至人機(jī)界面。

所述直流電源如圖1所示，由三相二極管不控整流橋、輸入交流斷路器CB1組成，二極管不控整流橋由6只二極管D1～D6以三相橋式結(jié)構(gòu)連接，二極管橋交流側(cè)輸入端經(jīng)CB1與電網(wǎng)A、B、C三相連接，二極管橋直流側(cè)正極與預(yù)充電模塊一端連接，二極管橋直流側(cè)負(fù)極與功率單元直流側(cè)負(fù)極連接。

所述預(yù)充電模塊為預(yù)充電電阻R1和接觸器CB2并聯(lián)組成，一端與直流電源正極連接，另一端與功率單元直流側(cè)正極端子1連接。經(jīng)預(yù)充電模塊對(duì)功率單元直流側(cè)電容充電，充電過(guò)程包括以下步驟：

(1)閉合直流電源交流側(cè)接觸器CB1，保持預(yù)充電模塊中接觸器CB2處于分狀態(tài)；

(2)待檢測(cè)到功率單元直流電容電壓達(dá)到期望的預(yù)充電數(shù)值420V后，所接入交流電網(wǎng)電壓380V，閉合預(yù)充電模塊中的CB2，將預(yù)充電模塊中的充電電阻短路，至直流電壓穩(wěn)定，充電完成。

所述功率單元如圖2所示，可以為半橋結(jié)構(gòu)或全橋結(jié)構(gòu)。半橋結(jié)構(gòu)功率單元由兩只全控功率器件(包含反并聯(lián)二極管)G1、G2和電容器C組成。第一功率器件G1的E極與第二功率器件G2的C極連接，其連接點(diǎn)為功率單元高壓端P，第二功率器件G2的E極為功率單元低壓端N。電容器C的正極板與第一功率器件G1的C極連接，電容器負(fù)極板與第二功率器件G2的低壓端N連接，放電電阻R與直流電容C并聯(lián)。全橋結(jié)構(gòu)功率單元由四只全控功率器件(包含反并聯(lián)二極管)G1、G2、G3、G4和電容器C組成。功率器件G1的E極與功率器件G2的C極連接，再與電容器C并聯(lián)，功率器件G3的E極與功率器件G4的C極連接，再與電容器并聯(lián)，功率器件G1和G2的連接點(diǎn)為功率單元高壓端P，功率器件G3、G4的連接點(diǎn)為功率單元低壓端N，放電電阻與直流電容并聯(lián)。

所述負(fù)載電阻如圖1所示，為一負(fù)載電阻RL，兩端與功率單元交流輸出端子3和端子4連接。

所述檢測(cè)裝置包括2個(gè)電流傳感器TA1、TA2和2個(gè)電壓傳感器TV1、TV2，具體連接位置如圖3所示，其中第一電流傳感器TA1測(cè)量功率單元直流側(cè)正極輸入電流，TA1兩端分別與預(yù)充電模塊一端和功率單元直流側(cè)端子1連接，第一電壓傳感器TV1測(cè)量功率單元直流側(cè)正負(fù)極間電壓，兩端分別與功率單元直流側(cè)端子1和端子2連接，用于計(jì)算功率單元輸入總功率。第二電流傳感器TA2串聯(lián)接入功率單元交流側(cè)高壓端子3和負(fù)載電阻RL之間，即測(cè)量功率單元交流輸出電流和流過(guò)功率單元內(nèi)開(kāi)關(guān)器件的電流值。第二電壓傳感器TV2與負(fù)載電阻RL并聯(lián)，即測(cè)量功率單元交流側(cè)輸出電壓值，檢測(cè)裝置中所有傳感器輸出信號(hào)線連接至控制計(jì)算單元，以計(jì)算功率單元中開(kāi)關(guān)器件的損耗和附屬元件損耗。

所述控制計(jì)算模塊核心是數(shù)字信號(hào)處理器，輸出觸發(fā)脈沖至功率單元器件G1，G2(全橋?yàn)镚1～G4)，利用交流電壓閉環(huán)控制功率單元交流側(cè)電壓跟蹤給定值，從而使功率單元在所配置的負(fù)載電阻RL下輸出額定功率。接收檢測(cè)裝置的采樣信號(hào)，計(jì)算開(kāi)關(guān)器件損耗和功率單元輸入、輸出功率，經(jīng)通信端口將計(jì)算結(jié)果傳送至上位機(jī)界面。

其中開(kāi)關(guān)器件損耗包括第一、二開(kāi)關(guān)器件G1、G2的開(kāi)關(guān)損耗和通態(tài)損耗，計(jì)算步驟如下：

(1)記錄G1和G2相鄰觸發(fā)脈沖狀態(tài)，記錄G1和G2開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻電流數(shù)值。

(2)當(dāng)功率單元輸出交流電流為“+”時(shí)(定義功率單元電容充電的電流方向?yàn)椤?”)，且G2相鄰開(kāi)關(guān)脈沖由關(guān)斷(0狀態(tài))變?yōu)殚_(kāi)通(1狀態(tài))時(shí)，計(jì)算G2開(kāi)通損耗P_on2，和G1關(guān)斷損耗P_off1。若電流為“+”且G2相鄰開(kāi)關(guān)脈沖由1狀態(tài)變?yōu)?狀態(tài)，則只計(jì)算G2關(guān)斷損耗P_off2。當(dāng)功率單元輸出交流電流為“-”時(shí)(定義功率單元電容放電的電流方向?yàn)椤?”)，且G1相鄰開(kāi)關(guān)脈沖由0狀態(tài)變?yōu)?狀態(tài)，則計(jì)算G1開(kāi)通損耗P_on1和G2關(guān)斷損耗P_off2，反之若電流為“-”且G1相鄰開(kāi)關(guān)脈沖由1狀態(tài)變?yōu)?狀態(tài)，則只計(jì)算G1的關(guān)斷損耗P_off1，開(kāi)通和關(guān)斷損耗的計(jì)算公式分別如式(1)所示，式中i_CE為當(dāng)前采用周期功率單元交流側(cè)輸出電流值，以英飛凌IKQ120N60TA型號(hào)IGBT為例，i_CE額定值為120A。a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂為根據(jù)器件生產(chǎn)廠商用戶(hù)手冊(cè)中開(kāi)關(guān)器件損耗特性擬合的二次曲線系數(shù)，E_on和E_off為開(kāi)通和關(guān)斷損耗能量，T為損耗累計(jì)時(shí)間，取穩(wěn)態(tài)后10s為一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期，即T＝10s，P_on和P_off為開(kāi)通和管損耗功率。

(3)當(dāng)功率單元輸出交流電流為“+”時(shí)(定義功率單元電容充電的電流方向?yàn)椤?”)且G2當(dāng)前狀態(tài)為開(kāi)通(1狀態(tài))時(shí)，計(jì)算G2通態(tài)損耗P_{pass2_T}。若交流電流為“+”，但G2當(dāng)前狀態(tài)為關(guān)斷(0狀態(tài))，則計(jì)算G1的反并聯(lián)二極管通態(tài)損耗P_{pass1_D}。反之，若電流為“-”且G1當(dāng)前狀態(tài)為開(kāi)通(1狀態(tài))，則計(jì)算G1的通態(tài)損耗P_{pass1_T}。若交流電流為“-”，但G1當(dāng)前狀態(tài)為關(guān)斷(0狀態(tài))時(shí)，則計(jì)算G2的反并聯(lián)二極管通態(tài)損耗P_{pass2_D}。開(kāi)關(guān)器件G1、G2以及二極管的通態(tài)損耗如式(2)所示，式中P_{pass1_T}為開(kāi)關(guān)器件通態(tài)損耗，P_{pass1_D}為開(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)二極管通態(tài)損耗。以英飛凌IKQ120N60TA型號(hào)IGBT為例，i_CE額定值為120A。根據(jù)器件生產(chǎn)廠商用戶(hù)手冊(cè)，G1、G2偏置電壓V_CE0為1.5V，反并聯(lián)二極管偏置電壓V_f0為1.65V，G1、G2的導(dǎo)通電阻r_CE為0.0069Ω，反并聯(lián)二極管通態(tài)電阻r_f為0.0033Ω。

(4)計(jì)算總開(kāi)關(guān)損耗P_sw如式(3)所示，對(duì)于全橋結(jié)構(gòu)的功率單元，由于開(kāi)關(guān)器件互補(bǔ)動(dòng)作，可以認(rèn)為第三、四功率開(kāi)關(guān)器件的損耗與第一、二開(kāi)關(guān)器件相同。

(5)通過(guò)功率單元直流側(cè)輸入電壓U_in和輸入電流I_in，以及交流側(cè)輸出電壓U_out和I_out計(jì)算功率單元中除開(kāi)關(guān)器件以外的所有附屬元件的總損耗，如式(4)所示。

(6)將計(jì)算結(jié)果經(jīng)通信端口發(fā)送至人機(jī)界面。

其中，擬合的二次曲線系數(shù)a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂首先在器件生產(chǎn)廠商用戶(hù)手冊(cè)中開(kāi)關(guān)器件損耗特性圖上選擇一定數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，選擇7組數(shù)據(jù)分別為：關(guān)斷損耗：[20,1.2]，[40,2]，[80,2.8]，[120,4.5]，[160,5.63]，[200,7.7]，[240,8.57]。開(kāi)通損耗：[20,1.2]，[40,2.5]， [80,4.6]，[120,6.87]，[160,10]，[200,14.23]，[240,18]。再利用Matlab軟件的曲線擬合功能，即可得到擬合二次曲線的系數(shù)a1＝1.9425e-5,b1＝0.0294,c1＝0.6146。a2＝1.6019e-4,b2＝0.0342,c2＝0.6525。

其中交流電壓閉環(huán)控制如圖7所示，是將交流電壓給定值U^*與功率單元交流側(cè)電壓檢測(cè)值U的誤差傳送至PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出與限幅模塊的輸入端連接，限幅模塊輸出U_m和正弦信號(hào)生成單元輸出sin wt均與乘法單元連接，限幅模塊輸出限幅值為0～1，乘法單元輸出信號(hào)U_ref與三角載波模塊數(shù)值比較，輸出觸發(fā)脈沖，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出數(shù)值大于三角波時(shí)輸出第一開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通，第二開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷的命令，反之則輸出第二功率器件開(kāi)通第一功率器件關(guān)斷的命令，并傳送給功率單元模塊。

所述人機(jī)界面如圖1所示，經(jīng)通訊端口與控制計(jì)算模塊連接，接收并顯示控制計(jì)算模塊發(fā)送的損耗計(jì)算結(jié)果，同時(shí)向控制計(jì)算模塊發(fā)送啟動(dòng)、停止命令，以及設(shè)置功率模塊運(yùn)行額定功率、額定電壓、過(guò)電流保護(hù)值和過(guò)電壓保護(hù)值參數(shù)，操作控制計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)功率單元運(yùn)行的控制和保護(hù)功能。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。