摘 要

在单相逆变器中，交流侧含有两倍工频的脉动功率，辐射到直流侧形成两倍工频纹波电流。近年来，关于抑制该纹波电流的方法层出不穷，本文将讨论一种功率解耦模块，然而功率解耦模块中需加入额外的开关管，整体效率是否提高仍有待讨论，因此需要通过热分析来评估带功率解耦模块变换器的效率和性能。本文着重于分析和仿真功率解耦模块在H桥中的应用电路，该电路工作原理已被广泛讨论，然而少有文章针对该电路中电力电子器件进行热分析，分析电力电子的功率损耗和结温的变化有很大意义，有助于器件的选择和电路的可靠性分析，进而提升整个电力电子装置的可靠性。

本文介绍对H桥逆变器进行功率损耗和结温分析的意义，比较一般计算功率损耗公式的局限性，以及其他更加精确的计算公式；阐述介绍功率半导体器件的损耗类型、计算方法及功率半导体器件的电-热模型；分析带功率解耦模块H桥逆变电路的工作原理，得到每一个状态的开关管及二极管的电压应力和电流应力，进一步，得到开关管及二极管的功率损耗，得到开关管及二极管的工作结温；通过IGBT和二极管的数据手册得到功率损耗的仿真模型，在PLECS仿真软件中建立仿真电路，将功率损耗和结温的仿真结果与理论计算结果比较，验证理论分析的正确性。最后对全文的工作做总结，分析本文还存在的问题，以及展望需要完成的问题。

关键词：功率解耦，脉动功率，波形控制方法，功率损耗，结温计算，

PLECS仿真，热分析

Abstract

In the single-phase inverters, there will be double-frequency ripple power in the AC-side. The pulsation power delivered to the DC-side creates low-frequency ripple currents. In recent years, some methods to mitigate the ripple current have been proposed. This article will discuss a power decoupling module, but in the power decoupling module, extra switches are needed. Whether the power decoupling module improves the overall efficiency remains to be discussed. Therefore, efficiency and performance of the converter with a power decoupling module should be evaluated by thermal analysis. This article focuses on the analysis and simulation of H-bridge circuit with power decoupling module. The circuit has been widely discussed, but few articles analyze this circuit based on power electronic power loss and power electronics thermal model. However, the analysis of the power electronic loss and junction temperature changes have a great significance, which helps to select the device and to analyze circuit reliability, thereby enhancing the reliability of the whole power electronic system.

This article describes the meaning of H-bridge inverter power loss and junction temperature analysis. The limitations of general formula for calculating the power loss, as well as other more accurate calculation formula are introduced. This paper also introduces the thermal model of power semiconductor device and the voltage stress and current stress of switch and diode in the H-bridge inverter with power decoupling module. Furthermore, the loss of power semiconductor device can be calculated in this paper, and junction temperature of power semiconductor device can be calculated in this paper; the power loss modelling of IGBT and diode is attained by means of look-up tables that manufacturers provide in the datasheets. A simulation platform is established in PLECS, simulation results are compared with the calculation results. Finally, this paper will summary the whole work, and analyzes the problems still need to be solved.

Key Words： power decoupling, waveform control method, power loss, junction temperature calculation, PLECS simulation, thermal analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及思路 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究内容 3

第二章 电力电子器件的功率损耗 4

2.1 电力电子器件的功率损耗概述 4

2.2 通态损耗 4

2.3 开关损耗 5

2.4 本章小结 6

第三章 功率器件的电热模型 8

3.1 热阻抗 8

3.2 热扩散 10

3.2 热等效网络 11

3.3 散热片的热等效网络 12

3.4 本章小结 13

第四章 带功率解耦模块的H桥电路热分析 14

4.1 功率解耦模块电路的基本原理 14

4.2 器件的功率损耗 15

4.3 本章小结 17

第五章 仿真结果与分析 18

5.1 PLECS软件简介 18

5.2 热描述文件 18

5.3 H桥逆变电路仿真结果 19

5.4 本章小结 23

第六章 总结与展望 24

6.1 全文工作总结 24

6.2展望 24

参考文献 25

致谢 26

附录A 开关管的电流应力公式推导 27

第一章 绪论

1.1 研究背景及思路

近年来，风力发电系统、光伏发电系统、沼气系统等可再生能源越来越受到关注，单相逆变器得到了广泛的应用，然而在单相逆变器中会在直流侧含有两倍频的纹波电流，这样的纹波电流会影响逆变器系统各个方面，如：造成系统浪费，缩短燃料电池系统的使用寿命^[1]，影响光伏系统的MPPT工作点等。因此产生了纹波抑制方法，功率解耦模块就是研究较多的一种方法，虽然模块中用薄膜电容代替了电解电容，减少了损耗，但是额外增加了开关管的数量，进而增加了功率损耗；行业里需要量化该功率解耦模块的功率损耗以及对电路其他器件的电压应力与电流应力的影响。与此同时，现在这种逆变器的功率等级也由低电压变成了中等电压。这些中等电压逆变器能够工作在低开关频率下，减小开关损耗^[2]；然而，输出电压中将含有大量的低次谐波，由于很大总谐波失真（THD）将会导致很大的谐波损耗。考虑到这些原因，如何用一种比较精确的计算方法或者仿真方法,来分析和估算逆变器的功率损耗和结温会有很大研究价值，比如：散热片的设计，热应力计算，半导体器件的寿命预测和提高电力电子变换器的性能和可靠性。

1.2 国内外研究现状

一般来说，半导体开关器件的开关损耗分为两部分：导通损耗和关断损耗。以IGBT为例；IGBT处于完全导通状态，导通损耗可以使用一个简单的模型：

用表示IGBT零电流导通电压，表示IGBT集电极-发射极导通电阻；类似的，和分别表示为二极管零电流导通电压和导通电阻。则IGBT和二极管的平均导通损耗如公式1.1表述：