晶闸管在UPS旁路应用中的损耗计算

 

功率晶闸管广泛应用于AC/DC变换器，UPS旁路等场合。本文通过公式计算和在线IPOSIM仿真两种方式，对晶闸管在UPS旁路应用中的损耗计算和结温预估进行说明，给广大工程师在晶闸管选型时提供帮助。晶闸管在AC/DC整流应用中的损耗计算，请参考微信文章《PIM模块中整流桥的损耗计算》。

 

 

晶闸管是半控型电力电子器件，可通过门极在晶闸管承受正向阳极电压时，控制晶闸管导通，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管自行关断。晶闸管一般处于工频开关工作，所以在计算其损耗时，忽略开关损耗，只计算其导通损耗。

 

公式计算方法如下：

 

各参数定义如下：

 

PVT是单个晶闸管的损耗

VT0是阈值电压 (threshold voltage)

ITAV是单个晶闸管输出电流平均值

rT是斜率电阻 (slope resistance)

F是波形因数 (form factor)，可由公式2获得

 

其中ITRMS是单个晶闸管输出电流均方根值，即有效值；对于UPS旁路应用中的正弦半波电流，此时 F取值1.571。（参考文后公式4~6）

上图电路中I1是该相交流电流有效值，ITAV是单个晶闸管的电流平均值，U1为相电压有效值。

 

以600kW UPS，输出电压400 VAC旁路举例，分别考虑下述过载规格，125%功率过载10分钟以及150%功率过载1分钟，并且以85%输出电压作为最恶劣条件。

 

125%功率过载时，对应的最大相电流有效值为：

 

根据公式4计算该单个器件的电流平均值为：
 

 

选择TT820N16KOF和TT600N16KOF作为方案备选，它们的参数如下：
 

 

由于只计算单个晶闸管的损耗，RthJC取单个晶闸管的结壳热阻(per arm,θ=180° sin)。将上述参数代入公式1，并假定器件的壳温Tcase=85°C，根据公式3即可计算出器件结温。

 

对比这两个方案的计算结温，TT820N16KOF的结温裕量有19，TT600N16KOF只有2.5。

 

150%功率过载时，对应的最大相电流有效值为：

 

根据公式4计算该单个器件的电流平均值为：

 

同上述125%功率过载计算方法一样，并且由于规格书中的瞬态热阻在60S时已经稳定，我们可以使用上述表格中的最大RthJC值来计算结温。

 

 

对比这两个方案的计算结温，TT820N16KOF的结温裕量仍然有10℃，TT600N16KOF已经超过最大结温上限了。显然，TT820N16KOF是最适合600kW UPS的旁路方案。此类压接型的晶闸管外观呈现黑色，有着更高的结温规格以及更强的抗冲击电流能力，适合UPS旁路应用。

 

我们再使用IPOSIM来进行仿真，然后同公式计算结果进行对比。

 

，登陆英飞凌官网上的IPOSIM页面，选择AC/AC Applications。

 

在器件选型中，选取TT820N16KOF和TT600N16KOF。

 

 

在Circuit & Control中输入上文计算的I1，这里I1=Iout。

 

 

在Cooling Condition中设置固定壳温(Fixed Case Temperature)，最后运行仿真(Run Simulation)。

 

 

仿真结果如下。其中Parm即是上文计算的PVT，TT系列晶闸管内部是2颗芯片反向并联，Ptot=Parm*2。结果也显示最大结温Tvj max和单个晶闸管电流均方根值ITRMS。

 

125%过载结果

 

150%过载结果

 

对比公式计算和IPOSIM仿真结果，基本一致。

 

 

当然，IPOSIM的功能更强大，在Cooling Condition中还可以设置散热片参数，得到更准确的结温仿真结果。同时，使用IPOSIM也更简单，只需要填入电流有效值即可，并能同时仿真多个方案进行对比。

 

以上，是晶闸管在UPS旁路应用中的损耗评估方法，请各位参考，谢谢。