The Evaluation of Danfoss Inverter Braking Ability & Select Brake Resitor
摘要：Danfos變頻器的制動(dòng)能力主要與變頻器內(nèi)置制動(dòng)晶體的電流能力和散熱能力有關(guān)。本文根據(jù)丹佛斯變頻器內(nèi)置制動(dòng)晶體管的技術(shù)數(shù)據(jù)和變頻器整機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)，提供了一種估算變頻器實(shí)際制動(dòng)能力及選取制動(dòng)電阻的方法，供大家參考。
關(guān)鍵詞：制動(dòng)率   制動(dòng)電流  結(jié)溫升
Abstract: The Braking ability of Danfoss inverter decided by the current ability and the heat dissipation ability of the brake transistor embedded in the inverter. This paper provided a method to evaluate the actual brake ability of the inverter according to the datasheet of the brake transistor and datasheet of inverter, and how to select the brake resistor.
Keywords:  Brake-duty   Brake-current   Junction-temperature
引言：振華港機(jī)移船絞車(chē)項(xiàng)目選用丹佛斯690V、355kW的變頻器，要求變頻器具有100%轉(zhuǎn)矩連續(xù)制動(dòng)的能力。而丹佛斯變頻器設(shè)計(jì)指南上只保證了此型號(hào)變頻器100%制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，40%制動(dòng)率的能力。但根據(jù)對(duì)此型號(hào)變頻器硬件和技術(shù)數(shù)據(jù)的仔細(xì)分析，我們發(fā)現(xiàn)此變頻器實(shí)際具有比標(biāo)稱(chēng)值大得多的制動(dòng)能力。下面就是估算丹佛斯變頻器實(shí)際制動(dòng)能力和優(yōu)化選擇制動(dòng)電阻的詳細(xì)辦法。

計(jì)算中需要用到的丹佛斯FC302P355KT7E5MH2B變頻器的基本數(shù)據(jù)：
直流中間環(huán)節(jié)制動(dòng)動(dòng)作電壓：1084 VDC
散熱片最高溫度：85 ℃
制動(dòng)晶體管：DP400C1700S100734，兩塊并聯(lián)。
單塊制動(dòng)晶體管標(biāo)稱(chēng)電流400A；

影響丹佛斯變頻器制動(dòng)能力的主要因素
影響變頻器制動(dòng)能力的主要因素為制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通電流能力、變頻器整機(jī)的散熱能力和制動(dòng)晶體管的散熱能力。下面逐一分析。

首先，分析制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通電流能力：
按直流制動(dòng)電流最大值Ibrake_max = 400 × 2 = 800 A
制動(dòng)晶體管瞬時(shí)最大制動(dòng)功率Pbrake_peak = 800 × 1084 = 867 kW
此值高達(dá)變頻器標(biāo)稱(chēng)功率的244%，因此可知制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通電流能力不是制約變頻器制動(dòng)能力的關(guān)鍵因素。

其次分析變頻器工作于連續(xù)制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，變頻器的整機(jī)散熱能力。
設(shè)變頻器在全速、滿載時(shí)發(fā)熱量為100%，則變頻器的整機(jī)散熱能力也為100%。
按丹佛斯技術(shù)資料，可知此時(shí)：
變頻器整流部分發(fā)熱量是26%，變頻器逆變部分發(fā)熱量是74%。
再假設(shè)連續(xù)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)晶體管是連續(xù)工作的，制動(dòng)晶體管上的電流為IBR
根據(jù)能量守恒定律，P制動(dòng)晶體管 = P電機(jī)
推導(dǎo)，IBR ×VDC = ×Io ×Vo ×0.86(功率因數(shù)) ×0.93(電機(jī)效率)
對(duì)于T7機(jī)型，VDC = 1084 V，電機(jī)額定電壓Vo = 660V，
則 IBR = 0.843 Io = 0.937 Io_av
因此有統(tǒng)一的結(jié)論： IBR ≈ Io_av，即制動(dòng)晶體管上的電流與電機(jī)電流平均值相同。
因?yàn)檩敵鲇?路，制動(dòng)只有1路，所以可以一般地認(rèn)為：
制動(dòng)晶體管的發(fā)熱量 =  ×逆變部分發(fā)熱量
則連續(xù)制動(dòng)時(shí)的變頻器整機(jī)發(fā)熱量 = 逆變部分發(fā)熱量 + 制動(dòng)部分發(fā)熱量
                               =  74% + 74% / 3  =  98.7%
                               ≤ 100%
所以得出結(jié)論：變頻器連續(xù)制動(dòng)時(shí)的發(fā)熱功率不大于變頻器連續(xù)電動(dòng)時(shí)的發(fā)熱功率，因此變頻器的整機(jī)散熱能力不是制約變頻器制動(dòng)能力的關(guān)鍵因素。

    進(jìn)一步的分析表明制約變頻器制動(dòng)能力的關(guān)鍵因素是制動(dòng)晶體管的散熱能力，下面的估算將圍繞制動(dòng)晶體管的散熱能力展開(kāi)。

制動(dòng)晶體管的發(fā)熱功率和結(jié)溫限制
制動(dòng)晶體管的發(fā)熱功率 = 導(dǎo)通損耗 + 開(kāi)關(guān)損耗
一、    制動(dòng)晶體管的開(kāi)關(guān)損耗
1.    假設(shè)負(fù)載是純電阻，開(kāi)關(guān)時(shí)的電壓、電流是線性變化的。
單次開(kāi)（關(guān)）的損耗 = 
                                     =  
                                     = 
其中Δt為開(kāi)關(guān)時(shí)間，
制動(dòng)晶體管的總開(kāi)關(guān)損耗PSW = 單次開(kāi)（關(guān)）損耗× fSW × 2  
                         = 
        不過(guò)這一假設(shè)太理想化了。

 
2.    假設(shè)負(fù)載含電感，開(kāi)通、關(guān)斷的電壓、電流波形如下：



開(kāi)通損耗，與模塊中的快恢復(fù)二極管的特性相關(guān)，難以計(jì)算。估算中以固定值0.01 J代入。
        關(guān)斷損耗 = 
 ≈
 =  
制動(dòng)晶體管的總開(kāi)關(guān)損耗 PSW = ( 0.01 +   )× fSW 
本著安全的原則，計(jì)算中選擇較大的 PSW = ( 0.01 +   )× fSW 
fSW ，參閱丹佛斯變頻器技術(shù)資料，制動(dòng)晶體管的開(kāi)關(guān)頻率fSW = 1.2 kHz
Δt，參閱《FC300設(shè)計(jì)指南》中的du/dt數(shù)據(jù)：2261 V/μS
推測(cè)Δt = 1084 / 2261 = 0.48 μS。計(jì)算時(shí)取Δt = 0.5 μS

二、    制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通損耗
1．    制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通壓降-導(dǎo)通電流（VCE-IC）曲線
附件一中沒(méi)有此曲線，但根據(jù)附錄1中制動(dòng)晶體管DP400C1700S100734的特征參數(shù)：
  VCES=1700 V
  IC=400 A（TC=80℃）
  VCE(sat) = 2.0V（IC=400A，TJ=25℃）
  VCE(sat) = 2.4V（IC=400A,TJ=25℃）
 查到三菱CM400DY-34A和英飛凌FZ400R17KE3的晶體管特性與其完全相同，因此可以使用他們的“VCE-IC”特性曲線，獲得制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通壓降。


此晶體管是正溫度系數(shù)的IGBT，所以我們只需要取發(fā)熱最厲害的125℃結(jié)溫時(shí)的數(shù)據(jù)，將其數(shù)字化，得表一：

電流IC（A）        50    100    150    200    250    300    350    400
VCE(sat) （V）    1     1.35    1.6    1.8      2       2.17   2.3    2.4

2．    制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通損耗
PCND = VCE(sat) × IC

三、    制動(dòng)晶體的結(jié)溫升：
制動(dòng)晶體管的結(jié)溫升TRISE = ( Rth(j-c) + Rth(c-f) ) × PLOSS
其中PLOSS 為制動(dòng)晶體管開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗之和，PLOSS = PSW + PCND
其中Rth(j-c) 為制動(dòng)晶體管硅片到模塊散熱片的熱阻，從附件一查到Rth(j-c) = 0.06 K/W
其中Rth(c-f) 為制動(dòng)晶體管模塊散熱片到變頻器散熱片的熱阻，附件一沒(méi)有此數(shù)據(jù)，但是英飛凌模塊DF400R12KE3的封裝與丹佛斯制動(dòng)晶體管的封裝完全相同，內(nèi)部機(jī)構(gòu)相似，而且注意到他們的晶體管熱阻Rth(j-c)也相同，所以計(jì)算中可以參照英飛凌模塊DF400R12KE3的數(shù)據(jù)，取 Rth(c-f) = 0.03 K/W

有了以上數(shù)據(jù)，再依據(jù)制動(dòng)晶體管的最高工作結(jié)溫不能超過(guò)125℃的限制條件，就能計(jì)算丹佛斯變頻器的最大連續(xù)制動(dòng)能力了。

制動(dòng)晶體管的制動(dòng)功率-制動(dòng)率曲線
首先關(guān)于溫度裕度的說(shuō)明，為了變頻器的安全運(yùn)行，必須保留一定的IGBT工作結(jié)溫裕度，但是由于丹佛斯變頻器散熱片的溫度檢測(cè)取自逆變模塊內(nèi)部，而散熱片的實(shí)際溫度要比逆變模塊內(nèi)部低，此溫差已經(jīng)使我們的計(jì)算有相當(dāng)大的溫度裕度。
最大允許結(jié)溫升TRISE-MAX = 最高工作結(jié)溫 – 散熱片最高溫度 = 125-85 = 40 ℃

計(jì)算步驟：
1．首先假設(shè)一個(gè)制動(dòng)功率，比如355kW，然后按此功率算出制動(dòng)晶體管的結(jié)溫升TRISE；
2．如果TRISE ≤ TRISE-MAX ，說(shuō)明在此制動(dòng)功率下能夠連續(xù)制動(dòng)，
如果TRISE > TRISE-MAX ，則說(shuō)明在此制動(dòng)功率下不能連續(xù)制動(dòng)，制動(dòng)率Duty% =
表二、制動(dòng)晶體管結(jié)溫計(jì)算表：


按上述步驟選擇多個(gè)制動(dòng)功率，得到表三，制動(dòng)功率-制動(dòng)率數(shù)據(jù)表格：
制動(dòng)功率(kW)    532       497       461         439
制動(dòng)率(%)       76.9%    84.5%    93.6%    100.0%

繪制成，曲線一、制動(dòng)功率-制動(dòng)率曲線：



    從制動(dòng)功率-制動(dòng)率曲線可以發(fā)現(xiàn)丹佛斯FC302P355KT7E5MH2B變頻器具有超過(guò)100%制動(dòng)轉(zhuǎn)矩連續(xù)制動(dòng)的能力。

制動(dòng)功率-制動(dòng)電阻關(guān)系曲線
解決了制動(dòng)功率-制動(dòng)率的問(wèn)題，接下來(lái)還有更實(shí)際的問(wèn)題需要解決—制動(dòng)電阻的取值。有些變頻器廠家提供了不同制動(dòng)率下的制動(dòng)功率-制動(dòng)電阻關(guān)系曲線，供用戶作選取制動(dòng)電阻之參考，但是丹佛斯變頻器設(shè)計(jì)指南中暫無(wú)此數(shù)據(jù)，所以我們用手工計(jì)算的辦法繪制了一張100%制動(dòng)率時(shí)的制動(dòng)功率-制動(dòng)電阻關(guān)系曲線，供用戶參考。

計(jì)算步驟說(shuō)明如下：
1．首先選取一電阻值，比如3Ω，然后根據(jù)此制動(dòng)電阻值可以知道制動(dòng)電流和制動(dòng)功率，利用表二可以算出連續(xù)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)晶體管的結(jié)溫升TRISE。
2．如果TRISE ≤ TRISE-MAX ，說(shuō)明此阻值下的制動(dòng)功率PR能夠滿足100%制動(dòng)率的要求；
如果TRISE > TRISE-MAX ，則說(shuō)明此阻值下的制動(dòng)功率PR只能滿足Duty% =  的制動(dòng)要求，根據(jù)PR ×Duty% = PBrake-100% ×100%，可以得到調(diào)整后的等效連續(xù)制動(dòng)功率：
PBrake-100% = PR×
按上述計(jì)算辦法，選取多個(gè)制動(dòng)電阻值，得到表四，等效連續(xù)制動(dòng)功率-制動(dòng)電阻數(shù)據(jù)表：


繪制成，曲線二、制動(dòng)功率-制動(dòng)電阻曲線：


制動(dòng)電阻的優(yōu)化選擇
首先，制動(dòng)電阻的最小值受限于制動(dòng)晶體管的導(dǎo)通電流能力，因此有：
RBrake_min =   = 1.36Ω
然后，制動(dòng)電阻的取值決定了變頻器的最大瞬時(shí)制動(dòng)功率。在此應(yīng)用例中，用戶要求電機(jī)最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不小于110%，則PBrake 不小于 355kW×110%×93%(η電機(jī))×98% (η變頻器)= 356kW，制動(dòng)電阻RBrake ≤ 10842/356000 = 3.3 Ω。
小于3.3Ω的制動(dòng)電阻雖然能夠提供更大的瞬時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但是將增加制動(dòng)晶體管的散熱負(fù)擔(dān)，因此滿足最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求的制動(dòng)電阻值3.3Ω就是最佳電阻值。

參考文獻(xiàn)
[1] FC300 Design Guide.  MG.33.BC.02.  Danfoss A/S
[2] FZ400R17KE3 Technical Information. REV2.2 2007-3-28.  Infineon Technologies
[3] DF400R12KE3 Technical Information. REV3.0 2008-10-23. Infineon Technologies
[4] CM300DY-34A Data Sheet. Feb.2009.  MITSUBISHI ELECTRIC
[5] General Consideration for IGBT and Intelligent Power Modules. Sep 1998.   MITSUBISHI ELECTRIC


附件1、DP400C1700S100734模塊技術(shù)資料

 

 

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