杜成瑞，朱 楠，何 寧，徐德鴻

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

軟開關(guān)逆變器中動(dòng)態(tài)損耗的測(cè)試和建模

杜成瑞，朱 楠，何 寧，徐德鴻

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

相比較傳統(tǒng)硬開關(guān)電路，軟開關(guān)逆變器可以顯著地提高效率和功率密度。為了能夠更加有效地設(shè)計(jì)軟開關(guān)逆變器中的電路參數(shù)，探討了IGBT器件零電壓關(guān)斷損耗和磁性元件磁芯損耗的測(cè)試和建模方法。該方法包括測(cè)試過程中探頭延時(shí)校準(zhǔn)、測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)以及測(cè)試得到的損耗數(shù)據(jù)擬合為數(shù)學(xué)模型的方法，利用該方法對(duì)典型IGBT模塊的關(guān)斷損耗進(jìn)行評(píng)估和選擇，結(jié)合磁性元件的損耗模型對(duì)軟開關(guān)逆變器進(jìn)行了損耗分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)了1臺(tái)30 kW軟開關(guān)逆變器樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該動(dòng)態(tài)損耗模型的準(zhǔn)確性，并且實(shí)現(xiàn)了高功率密度和高效率的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

軟開關(guān)逆變器；零電壓關(guān)斷；開關(guān)損耗；磁芯損耗；損耗建模

相比于傳統(tǒng)硬開關(guān)逆變器，軟開關(guān)逆變器可以有效地減小開關(guān)損耗，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率和功率密度[1-6]。軟開關(guān)逆變器的參數(shù)對(duì)整個(gè)逆變器的效率和功率密度影響較大，因此為了能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)軟開關(guān)逆變器參數(shù)，需要獲得不同條件下開關(guān)器件以及磁性元件的損耗數(shù)據(jù)，并建立損耗模型。典型IGBT模塊的數(shù)據(jù)手冊(cè)中只提供器件在硬開關(guān)條件下的開關(guān)損耗數(shù)據(jù)，而在零電壓開關(guān)ZVS（zero-voltage switching）軟開關(guān)逆變器中，關(guān)斷過程中電壓受到電容的緩沖，無法直接套用數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的數(shù)據(jù)。此外，磁性元件的數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的損耗數(shù)據(jù)通常為正弦激勵(lì)條件下得到的激勵(lì)數(shù)據(jù)。而電力電子電路中典型的激勵(lì)為PWM電壓條件下的激勵(lì)，其損耗數(shù)據(jù)也難以直接獲得。

為了獲得IGBT器件的開關(guān)損耗模型，一種方法為建立器件的物理模型，把IGBT的開關(guān)過程利用電路模型進(jìn)行等效，從而通過預(yù)測(cè)器件在開關(guān)過程中電壓和電流的波形建立其損耗模型[7-11]。 另一種方法為采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得開關(guān)損耗數(shù)據(jù)，并利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行擬合[12，13]。這類方法針對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)合容易操作和實(shí)現(xiàn)。本文方法屬于后一種，該方法是一種消除測(cè)量電壓和電流延時(shí)差的方法，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到不同條件下ZVS關(guān)斷損耗的數(shù)據(jù)，并利用測(cè)試得到的數(shù)據(jù)建立關(guān)斷損耗在關(guān)斷電流和并聯(lián)緩沖電容兩個(gè)維度的數(shù)學(xué)模型，以進(jìn)一步設(shè)計(jì)軟開關(guān)逆變器。通過該方法，本文測(cè)試了5種典型IGBT模塊的關(guān)斷損耗數(shù)據(jù)并建模。結(jié)合對(duì)磁芯材料在PWM電壓激勵(lì)條件下測(cè)試得到的損耗數(shù)據(jù)，對(duì)軟開關(guān)逆變器整體進(jìn)行損耗建模和優(yōu)化計(jì)算,從而選取最優(yōu)的IGBT器件以及其他工作參數(shù)，指導(dǎo)搭建30 kW軟開關(guān)逆變器樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 軟開關(guān)逆變器基本工作原理

本文設(shè)計(jì)和優(yōu)化的軟開關(guān)逆變器[6]如圖1所示。相比較傳統(tǒng)的三相硬開關(guān)逆變器，圖中所示的軟開關(guān)逆變器增加了一個(gè)由1只輔助開關(guān)管S7、諧振電感Lr和鉗位電容Cc組成的輔助支路，以及在每個(gè)主開關(guān)上并聯(lián)了1只諧振電容。

插穗按橫8 cm、縱6 cm的規(guī)格插入苗床中，枝條傾斜60°向下扦插，插穗頂端1/3～1/2露出基質(zhì)。扦插后對(duì)苗床進(jìn)行1次全面清水澆灌，并用遮光率為80%遮陽網(wǎng)進(jìn)行遮陰處理。后期管理注意適時(shí)澆水，保持空氣濕度在75%以上，基質(zhì)濕潤(rùn)但不浸水。

軟開關(guān)逆變器采用ZVS空間矢量控制[6]。根據(jù)電壓矢量可以將整個(gè)工頻周期分為6個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)根據(jù)并網(wǎng)電流方向又分為2個(gè)扇區(qū)，則整個(gè)工頻周期可分為12個(gè)扇區(qū)。以其中一個(gè)扇區(qū)為例介紹軟開關(guān)逆變器的基本工作原理，考察需要建立損耗模型的種類。 該扇區(qū)中 ia＞0，ib＜0，ic＜0，可以采用的電壓矢量有100，110，111和000。為了使得輔助開關(guān)S7在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)只動(dòng)作1次，采用的矢量順序是：111→100→110→111。

初中班主任要以科學(xué)合理的方式展開與學(xué)生之間的交流，幫助學(xué)生健康成長(zhǎng)。能在談話中了解學(xué)生的心理傾向，深化學(xué)生的情感變化，進(jìn)而能更好的把握學(xué)生的心理情感變化，并在交流中包含學(xué)生的自尊心、自信心。

圖1 ZVS逆變器拓?fù)銯ig.1 Topology of ZVS inverter

根據(jù)軟開關(guān)的操作過程，一個(gè)典型的開關(guān)周期可以分為10個(gè)階段，如圖2所示，開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和主要波形如圖3所示。

階段1（t0-t1）：該階段逆變器運(yùn)行于電壓矢量111。開關(guān)S1、二極管D3和D5導(dǎo)通，輔助開關(guān)S7導(dǎo)通。鉗位電容Cc足夠大，其兩端電壓可在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)視為恒定。諧振電感Lr的電流線性減小。

安徽省立醫(yī)院和安徽省腫瘤醫(yī)院2001年7月至2014年7月共收治的17例女性乳腺肉瘤患者，均經(jīng)病理證實(shí)。所有患者均為女性，確診時(shí)年齡為27～58歲，腫塊大小為1～17 cm，乳腺葉狀囊肉瘤9例，脂肪肉瘤3例，血管肉瘤4例，纖維組織肉瘤1例。收集患者的一般資料，包括患者性別、年齡，組織學(xué)分級(jí)，腫瘤病理類型，腫瘤大小，局部復(fù)發(fā)，遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，治療方式和生存時(shí)間等。

階段 2（t1-t2）：t1時(shí)刻，S7關(guān)斷。 Lr和 Cr2、Cr4、Cr6、Cr7開始諧振。在該階段內(nèi)，Vbus下降，同時(shí)vS7上升。在諧振電容的作用下，S7在ZVS條件下完成關(guān)斷。在t2時(shí)刻，Vbus諧振至0，該階段結(jié)束。

階段 3（t2-t3）：t2時(shí)刻以及隨后的一段時(shí)間內(nèi)，Vbus等于0。S6和S2在該階段內(nèi)開通，實(shí)現(xiàn)ZVS開通。

階段 4（t3-t4）：t3時(shí)刻，iLr增加到 0。 b 相和 c 相的橋臂電流開始由二極管D3和D5換流至其并聯(lián)的開關(guān)S6和S2。該階段中D3和D5中電流的變化率被Lr限制低于100 A/μs。因此二極管的反向恢復(fù)損耗可被有效消除。在t4時(shí)刻，iS3和iS5減小到0。

階段9（t8-t9）：該階段的電壓矢量為110。

為了驗(yàn)證探頭延時(shí)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，采用電流探頭和同軸電阻同時(shí)測(cè)試電流波形并進(jìn)行校對(duì)。圖7為Vdc=600 V、Cr=0條件下的關(guān)斷波形。圖中，Ic_probe為電流探頭測(cè)試電流，Ic_r為同軸電阻測(cè)試電流。由圖可以看到，經(jīng)過延時(shí)差校準(zhǔn)后兩個(gè)波形基本重合；同軸電阻由于具有更高的帶寬，測(cè)試到的波形高頻分量更豐富。

階段 7（t6-t7）：t6時(shí)刻后，開通 S7可以實(shí)現(xiàn) ZVS開通。從該階段開始，電壓矢量為100。

階段 8（t7-t8）：在 t7時(shí)刻，S6關(guān)斷，b 相電流開始給Cr6充電，同時(shí)給Cr3放電。因此S6的關(guān)斷過程為ZVS關(guān)斷。在t8時(shí)刻，vS3下降至0，D3開始續(xù)流導(dǎo)通，該階段結(jié)束。

階段 5（t4-t5）：t4時(shí)刻，開通 S4。源 Vdc對(duì) Lr充磁。

4.2 關(guān)斷損耗的模型擬合

關(guān)斷損耗的測(cè)試電路如圖6所示[14]。開通被測(cè)器件DUT（device under test）時(shí)，流過器件的電流 Ic在電感L的限制下從0開始線性增加，達(dá)到所需測(cè)試電流時(shí)關(guān)斷器件，通過測(cè)試器件兩端的瞬時(shí)電壓波形和電流波形測(cè)算器件的關(guān)斷損耗。待測(cè)器件置于溫控臺(tái)上，保證測(cè)試時(shí)IGBT的結(jié)溫恒定在25℃。通過改變緩沖電容Cr則可以得到不同ZVS關(guān)斷條件下的損耗數(shù)據(jù)。

圖2 一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的階段過程Fig.2 Main stages in one switching cycle

圖3 階段分析中的關(guān)鍵波形Fig.3 Key waveforms in the stage of analysis

綜上可見，在整個(gè)開關(guān)周期中共進(jìn)行了2次諧振過程。第1次諧振中橋臂電壓Vbus諧振至0，從而實(shí)現(xiàn)橋臂主開關(guān)的ZVS開通；第2次諧振中輔管S7兩端電壓諧振至0，從而實(shí)現(xiàn)輔管的ZVS開通。結(jié)合對(duì)所有開關(guān)管關(guān)斷過程的分析可以看出，該逆變器中所有開關(guān)均工作于ZVS開通和關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)橋臂電流由續(xù)流二極管向同一橋臂的對(duì)管換流時(shí)，電流變化率被諧振電感Lr限制低于100 A/μs。二極管的反向恢復(fù)損耗得以被消除。因此所有開關(guān)管的損耗僅包含導(dǎo)通損耗和ZVS關(guān)斷損耗。

每個(gè)開關(guān)周期中都有一個(gè)階段用于給諧振電感補(bǔ)充能量，從而保證主管ZVS開通的實(shí)現(xiàn)。所需要補(bǔ)充的能量隨著輸出電流的增加而增加。詳細(xì)的分析過程和理論推導(dǎo)可參考文獻(xiàn)[6]。

磁芯損耗的測(cè)試原理如圖11所示。在原邊加入PWM激勵(lì)波，通過測(cè)量原邊電流和副邊感應(yīng)電壓計(jì)算磁芯的磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁通密度B[15]，從而通過積分計(jì)算磁芯損耗。通過測(cè)量副邊的感應(yīng)電壓可以排除繞組電阻對(duì)感應(yīng)電壓的測(cè)量干擾。在本文測(cè)試電路所采用的原副邊繞組匝數(shù)均為50。

2 測(cè)量通道延時(shí)差校準(zhǔn)

為了測(cè)試IGBT器件的關(guān)斷損耗，需要測(cè)試IGBT關(guān)斷過程中電壓和電流的瞬時(shí)波形。將電壓和電流的瞬時(shí)值相乘得到瞬時(shí)功率，對(duì)整個(gè)關(guān)斷過程中的瞬時(shí)功率進(jìn)行積分即可得到關(guān)斷過程損耗。通常情況下，用于測(cè)試電壓和電流的探頭及其對(duì)應(yīng)的檢測(cè)通道存在的延時(shí)偏差，延時(shí)差會(huì)導(dǎo)致計(jì)算損耗存在偏差。因此在進(jìn)行測(cè)試之前，需要先校準(zhǔn)各個(gè)測(cè)試通道，使其具有相同的延時(shí)。

延時(shí)校準(zhǔn)電路如圖4（a）所示，驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序如圖4（b）所示。利用整流橋?qū)⒔涣麟妷赫鳛橹绷麟妷骸Ｏ乳_通開關(guān)S1，給電容C充電；再斷開S1，開通S2，C和L產(chǎn)生諧振，檢測(cè)電容C的電流Ic及電壓Vc。當(dāng)選擇的電容內(nèi)阻足夠小時(shí)，可以認(rèn)為諧振過程中電容上的損耗為0，因此電壓和電流在一個(gè)諧振周期的積分應(yīng)為0。通過補(bǔ)償實(shí)際測(cè)試的電壓和電流的延時(shí)，保證電壓和電流乘積的積分等于0來校準(zhǔn)探頭的延時(shí)差。

信息化的到來打破了時(shí)間、空間的限制，讓信息傳播更加暢通。社會(huì)中的每個(gè)人都可以成為信息的閱讀者、發(fā)布者和評(píng)論者。思想政治教育的網(wǎng)絡(luò)化使得教育客體主體化。思政教育的參與者相互扶持、相互依托呈現(xiàn)出雙主體或者多主體性。這種教育主體的多變性需要參與思政工作的每個(gè)教育者扮演不同的角色，承擔(dān)不同的任務(wù)，因此需要每個(gè)參與主體相互協(xié)作，共同管理。

圖4 探頭延時(shí)校準(zhǔn)Fig.4 Calibration of the probes

本文選取的電容為0.47 μF EACO STD薄膜電容，在50～100 kHz頻率的等效esr為8 mΩ；電感為16 μH；理論諧振頻率為58 kHz。測(cè)試器材型號(hào)及基本參數(shù)如表1所示。其中測(cè)試帶寬最低的設(shè)備為電流探頭，其帶寬為10 MHz，能夠滿足用于IGBT開關(guān)過程的測(cè)試。同軸電阻用于測(cè)試電流，并與電流探頭測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。

潔凈的飲水、空氣是每個(gè)人生活的必需條件，飲水安全已經(jīng)成為時(shí)下人們最關(guān)心的話題之一，凈水器市場(chǎng)的熱銷正反映了時(shí)下人們對(duì)于健康生活的訴求。

圖5為探頭延時(shí)校準(zhǔn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中電容的電壓和電流波形。圖中，兩段虛線之間為一個(gè)諧振周期，對(duì)該段電壓電流乘積進(jìn)行積分校準(zhǔn)，得到電流探頭的延時(shí)滯后電壓探頭延時(shí)48.8 ns，而同軸電阻所測(cè)試得到的電流波形超前電壓探頭10.3 ns。利用該方法可以消除延時(shí)差對(duì)損耗測(cè)試結(jié)果的影響。

表1 測(cè)試設(shè)備Tab.1 Equipments for test

圖5 探頭延時(shí)校準(zhǔn)波形Fig.5 Waveforms of probe calibration

3 測(cè)試電路介紹

階段 10（t9-t10）：在 t9時(shí)刻，S2關(guān)斷。 ic給 Cr2充電，同時(shí)給Cr5放電。因此S2在ZVS條件下關(guān)斷。該階段結(jié)束于t10時(shí)刻。此時(shí)vS5下降至0，同時(shí)D5開始續(xù)流導(dǎo)通。該階段后，逆變器進(jìn)入新開關(guān)周期，并開始新的循環(huán)。

階段 6（t5-t6）：在結(jié)束對(duì) Lr的充磁過程后，S4在t5時(shí)刻關(guān)斷。該關(guān)斷過程同樣是ZVS關(guān)斷。隨后Lr和 Cr3、Cr4、Cr5、Cr7開始諧振。在該諧振過程中，在 t6時(shí)刻，Vbus從 0 增加至 Vdc+VCc，vS7下降至 0。

圖6 關(guān)斷損耗測(cè)試電路Fig.6 Experimental circuit of the turn-off loss measurement

圖7 關(guān)斷損耗測(cè)試波形Fig.7 Waveforms of the turn-off loss measurement

同軸電阻和電流探頭在Vdc=600 V，Cr=0條件下測(cè)試得到的關(guān)斷損耗如圖8所示。對(duì)比兩者測(cè)試的結(jié)果，整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的偏差不超過11%。由此，可以認(rèn)為采用本方法能夠有效校準(zhǔn)延時(shí)誤差。文中后續(xù)的測(cè)試數(shù)據(jù)均采用同軸電阻測(cè)試得到。

圖8 關(guān)斷損耗測(cè)試校對(duì)Fig.8 Check of turn-off loss measurement

4 ZVS關(guān)斷損耗模型擬合

4.1 ZVS關(guān)斷損耗的測(cè)試

利用搭建的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)容量均為1 200 V/200 A的5種不同型號(hào)的IGBT模塊進(jìn)行測(cè)試。在不同ZVS關(guān)斷條件下，緩沖電容在0～43.8 nF范圍內(nèi)變化時(shí)的關(guān)斷損耗如圖9所示，采用同軸電阻進(jìn)行測(cè)試， 測(cè)試條件：Vce=600 V，Rg=9.1 Ω，Ic=94 A,Vdc=600 V，Tj=25℃，其測(cè)試結(jié)果具體數(shù)據(jù)見表2。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，在硬關(guān)斷條件下模塊2的關(guān)斷損耗最小，而模塊5的關(guān)斷損耗最大。在并聯(lián)了緩沖電容后，ZVS關(guān)斷損耗均小于硬關(guān)斷損耗，并且在測(cè)試范圍內(nèi)隨著并聯(lián)緩沖電容的增加，ZVS關(guān)斷損耗也會(huì)下降。其中模塊2的關(guān)斷損耗隨著緩沖電容增加而下降的比例最多，模塊4和模塊3次之，模塊1最小?？梢姴煌腎GBT模塊ZVS關(guān)斷損耗對(duì)于并聯(lián)緩沖電容的敏感程度是不同的。

比如，可以把3個(gè)蘋果、3個(gè)橘子對(duì)應(yīng)3個(gè)小方塊，把4個(gè)蘋果、4個(gè)橘子對(duì)應(yīng)4個(gè)小方塊，并且讓學(xué)生知道這些量的稱謂，能夠分辨4個(gè)比3個(gè)多．這是從感性具體上升到感性一般的思維過程，是數(shù)學(xué)抽象的第一步，目的就是逐漸舍去蘋果橘子等事物的物理屬性，僅保留事物的量以及量之間的多少關(guān)系．正如第三條基本原則所論述的那樣，對(duì)數(shù)量多少的感知是人的本能，數(shù)學(xué)教學(xué)應(yīng)當(dāng)基于并且發(fā)展這種本能．

圖9 5種IGBT模塊關(guān)斷損耗Fig.9 Turn-off losses of five kinds of IGBT modules

表2 不同IGBT模塊ZVS關(guān)斷損耗測(cè)試結(jié)果Tab.2 ZVS turn-off losses of different IGBT modules

實(shí)驗(yàn)組總體健康、生理功能、社會(huì)功能、活力、生理職能、情感職能、軀體疼痛和精神健康方面和對(duì)照組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間均存在著明顯的差異,且P<0.05,具備統(tǒng)計(jì)學(xué)分析意義。見表1。

本文主要考慮2個(gè)影響IGBT器件ZVS關(guān)斷損耗的參數(shù)：緩沖電容Cr和關(guān)斷電流Ic。關(guān)斷損耗為關(guān)于這兩個(gè)參數(shù)的函數(shù)，其擬合函數(shù)為

式中，p0～p6均為擬合系數(shù)。利用最小二乘法擬合得到不同的IGBT模塊的擬合系數(shù)，如表3所示。所有模塊擬合得到的ZVS關(guān)斷損耗模型相對(duì)均方差均小于2%。IGBT模塊的ZVS損耗模型可以表示為關(guān)于變量Cr和Ic的曲面，如圖10所示。

表3 關(guān)斷損耗擬合系數(shù)Tab.3 Fitting coefficients of the turn-off loss models

圖10 ZVS關(guān)斷損耗模型Fig.10 Models of the ZVS turn-off losses

5 磁芯損耗模型的擬合

上官星雨一路聽得連連點(diǎn)頭，可是……真的不用去找宇晴師父嗎？她長(zhǎng)得那么好看，性格又那么溫柔，她的眼睛里，好像藏著一個(gè)更深的落星湖，幽幽閃著波光，她的雙手又是那么靈巧，好像路邊的每一棵樹，每一朵花，每一條藤蔓，被她的手指觸碰一下，就會(huì)吐芽、生根、開花、結(jié)果，生機(jī)勃發(fā)。她用“點(diǎn)墨山河”的輕功在晴晝花海里奔跑的時(shí)候，就是一個(gè)仙女。

圖11 磁芯損耗測(cè)試原理Fig.11 Schematic diagram of core loss measurement

本文磁芯采用為鐵氧體材料，激勵(lì)源采用占空比為0.5的PWM波，分別測(cè)試磁芯在8 kHz、16 kHz和32 kHz激勵(lì)條件下的單位體積磁芯材料損耗，如圖12所示。

圖12 磁芯材料損耗Fig.12 Loss of the magnetic core

磁芯損耗擬合公式為

式中：D0為開關(guān)S7關(guān)斷占定比；fs為開關(guān)率。

山谷型尾礦庫初期壩，往往壩址區(qū)兩岸地形陡峭，同時(shí)受下游設(shè)施布置影響，上壩道路修筑施工條件差，容易形成上下交叉施工，影響進(jìn)度和安全管理，土石方開挖工程量大，且易形成高陡邊坡，增大項(xiàng)目投資控制和風(fēng)險(xiǎn)管控難度[2]。因此上壩道路修筑需要從地形地貌、大壩特性、壩體填筑、經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合考慮。

3.3 低蛋白飲食初始時(shí)要循序漸進(jìn) CKD患者從正常蛋白飲食過渡到低蛋白飲食要避免短期內(nèi)降幅過大造成腎功能下降。MDRD研究顯示低蛋白飲食組患者首月內(nèi)DPI從1.05 g/(kg·d)驟降到0.58 g/(kg·d)，導(dǎo)致GFR亦隨之快速下降，試驗(yàn)4個(gè)月時(shí)低蛋白飲食組GFR下降[均數(shù)3.4 mL/(min·1.73 m2)]比正常蛋白飲食組[均數(shù)1.8 mL/(min·1.73 m2)]明顯(P<0.01)，飲食蛋白短期內(nèi)降幅過大，導(dǎo)致腎功能快速下降的原因不清，可能是腎血流動(dòng)力學(xué)變化所致，但與普通飲食組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[12]。

代入圖12測(cè)試數(shù)據(jù)，擬合得到：Kc=3.84×10－4,α=1.564，β=2.084。

6 軟開關(guān)逆變器優(yōu)化設(shè)計(jì)和樣機(jī)測(cè)試

根據(jù)IGBT模塊關(guān)斷損耗模型和諧振電感磁芯損耗，結(jié)合器件手冊(cè)提供的開關(guān)器件導(dǎo)通損耗和濾波電感損耗，可以將ZVS并網(wǎng)逆變器各個(gè)損耗用數(shù)學(xué)模型表達(dá)。將逆變器的損耗表示為關(guān)于開關(guān)頻率、諧振電感尺寸、濾波電感尺寸以及散熱器尺寸的函數(shù)，可以將優(yōu)化設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)換為一個(gè)有約束條件的非線性最優(yōu)化問題求解，計(jì)算得到在不同設(shè)計(jì)參數(shù)條件下效率和功率密度的帕累托邊界，指導(dǎo)逆變器的設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖13所示。優(yōu)化算法基于 sequential quadratic programming algorithm，具體約束條件如表4所示。

利用前文所述損耗模型以及優(yōu)化計(jì)算方法對(duì)30 kW軟開關(guān)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行計(jì)算，得到不同的IGBT器件的理論最優(yōu)性能指標(biāo)，如圖14所示。從圖中可以看到，模塊4具有最高的效率和最高的功率密度，其中功率密度考慮到散熱器體積、諧振電感體積、鉗位電容體積以及濾波電感體積。

圖13 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程Fig.13 Flow chart of the optimum design

表4 約束條件Tab.4 Constrained conditions

圖14 效率-功率密度帕累托邊沿Fig.14 Pareto front on efficiency vs.power density

選擇最高功率密度作為樣機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用模塊4搭建樣機(jī)。主要樣機(jī)參數(shù)和優(yōu)化結(jié)果如表5所示。實(shí)際樣機(jī)的功率密度為6.27 kW/L，接近理論值6.32 kW/L。

表5 ZVS逆變器主要參數(shù)及優(yōu)化結(jié)果Tab.5 Main parameters of the ZVS inverter and its optimized knot results

利用Yokogawa WT1800功率分析儀對(duì)樣機(jī)進(jìn)行效率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖15所示。由圖中曲線對(duì)比可知，兩者擬合良好，說明損耗模型是準(zhǔn)確的。圖中，最高測(cè)試效率為98.3%，出現(xiàn)在半載附近；滿載測(cè)試效率為98.1%。

7 結(jié)語

本文介紹了一種用于軟開關(guān)逆變器中IGBT模塊ZVS關(guān)斷損耗和磁芯損耗的測(cè)試和建模方法。通過消除檢測(cè)過程中不同測(cè)試通道的延時(shí)差得到準(zhǔn)確的損耗數(shù)據(jù)。通過擬合的方法建立了一種基于二元多次多項(xiàng)式的ZVS關(guān)斷損耗模型，該模型兼顧緩沖電容和關(guān)斷電流對(duì)ZVS關(guān)斷損耗的影響，對(duì)5種典型IGBT模塊的關(guān)斷損耗進(jìn)行建模，并針對(duì)30 kW軟開關(guān)逆變器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到高功率密度和高效率的目的。樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其功率密度符合理論預(yù)期。實(shí)驗(yàn)效率和理論效率在整個(gè)功率范圍擬合良好，從而驗(yàn)證了本文損耗測(cè)試、建模方法以及設(shè)計(jì)方法的可行性。

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Dynamic Losses Measurement and Modeling of Soft-switching Inverter

DU Chengrui,ZHU Nan,HE Ning,XU Dehong
（College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China）

Compared to the conventional hard-switching inverter,soft-switching inverter is a feasible way to achieve both high efficiency and high power density.In order to design the key parameters of the soft-switching inverter,this paper proposes a measuring and modeling method of the dynamic losses including zero-voltage turn-off loss and magnetic core loss.The method concludes the way to calibrate the delay time of the voltage and current probe,the way to design the test platform,and the way to fit the measured values into mathematical models.Based on the proposed method,several typical IGBT modules are tested.Combining the test results of the magnetic core,loss breakdown and optimum design are implemented on the soft-switching inverter.In this paper,a 30 kW soft-switching inverter prototype is built based on the design.The experimental results prove the accuracy of the dynamic loss models,and both high power density and high efficiency are achieved.

soft-switching inverter;zero-voltage switching turn-off;switching loss;magnetic core loss;loss modeling

杜成瑞

杜成瑞（1985-），男，博士研究生，研究方向：軟開關(guān)逆變器技術(shù)，E-mail：dcr@zju.edu.cn。

第一，從有限的差等性責(zé)任到普遍的平等性責(zé)任。傳統(tǒng)社會(huì)差序性的身份設(shè)定衍生了差等性的責(zé)任。在家庭中，家長(zhǎng)或族長(zhǎng)、男性、長(zhǎng)輩擁有更多的權(quán)利，而女性、晚輩需承擔(dān)更多的責(zé)任，且這些責(zé)任是不以對(duì)等的權(quán)利為前提的單向性道德義務(wù)。同時(shí)，因農(nóng)耕文明的生活方式、社會(huì)公共交往空間的狹小和與來自陌生地域、異己文化的陌生人交往的偶在性決定了傳統(tǒng)社會(huì)的人們基本上都生活在以血緣關(guān)系為基礎(chǔ)的小型熟人共同體內(nèi)，人們生于斯，長(zhǎng)于斯，老于斯，生活半徑小，生活內(nèi)容簡(jiǎn)單，與其交往互動(dòng)的他者相對(duì)穩(wěn)定，一般而言，熟人共同體就是人們的道德責(zé)任所抵達(dá)的邊界。因此，傳統(tǒng)社會(huì)的道德責(zé)任在時(shí)間、空間和他者的意義上都是有限的。

朱楠（1989-），男，博士研究生，研究方向：功率模塊封裝及應(yīng)用，E-mail：zhunan_zju@zju.edu.cn。

由表7可知，8 min烘干時(shí)間偏少，水分未完全去除；而12 min烘干時(shí)間偏多；14 min烘干時(shí)間太多，導(dǎo)致烘干過度，焦化而口感差；在10 min烘干時(shí)間的條件下適宜，且鳳尾魚軟硬剛好，咀嚼有勁道。

何寧（1986-），男，博士研究生，研究方向：軟開關(guān)逆變器技術(shù)，E-mail：hening72 2@zju.edu.cn。

徐德鴻（1961-），男，通信作者，博士，教授，研究方向：電力電子及新能源技術(shù)，E-mail：xdh@cee.zju.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.4.1

TM46

A

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51277163；51337009）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51277163；51337009）