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功率因数对开关器件的影响CONCEPT|PowerIntegrationsSupport.China@igbt-driver.com中文技术支持热线：400-0755-669©2014CONCEPT|PowerIntegrations负载的功率因数对IGBT变换器的热影响在做功率单元设计时，功率因数会影响到功率器件的发热情况，以及IGBT模块内部的热应力分布，对工程师而言，有必要了解清楚功率因数对功率器件的发热的影响程度件的发热的影响程度。实践及理论都证明，功率因数的大小对于二极管和IGBT的发热的分布是有很大影响的。很大影响的。©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage1中文技术支持热线：400-0755-669复习一下功率因数的概念---纯阻性无源负载对于一个正弦波电压源来说，当输出电压与输出电流同相位时，负载对于个正弦波电压源来说，当输出电压与输出电流同相位时，负载此时的功率因数=1；如下图，一个单相交流电压源，拖一个纯电阻负载，此时负载上的交流电压与交流电流的相位差=0°，两者同相，这时的该负载的功率因数=1；此时负载从电源吸入纯有功功率；此时负载从电源吸入纯有功功率；三相交流系统同理；©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage2中文技术支持热线：400-0755-669复习一下功率因数的概念-----阻感性负载对于一个正弦波电压源来说，当输出电流滞后于输出电压且电流与电压的夹角90°则功率因当输出电流滞后于输出电压，且电流与电压的夹角90°，则功率因数0cosφ1；如下图，单相交流电源拖电阻、电感负载(阻感负载)，此时负载上的电流的相位会滞后于电压的相位，相位差的角度90°，此时负载要从电压源吸收有功功率及感性无功功率；三相交流系统同理三相交流系统同理；©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage3中文技术支持热线：400-0755-669复习一下功率因数的概念-----纯感性无源负载对于一个正弦波电压源来说，当输出电流滞后于输出电压且电流与电压的夹角90°则功率因当输出电流滞后于输出电压，且电流与电压的夹角=90°，则功率因数=0；如下图，单相交流电源拖纯电感负载，此时负载上的电流的相位会滞后于电压的相位，相位差的角度=90°，此时负载要从电压源吸收纯感性无功功率，没有有功功率；三相交流系统同理三相交流系统同理；©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage4中文技术支持热线：400-0755-669复习一下功率因数的概念-----阻容性无源负载对于一个正弦波电压源来说，当输出电流超前于输出电压且电流与电压的夹角90°则功率因当输出电流超前于输出电压，且电流与电压的夹角90°，则功率因数0cosφ1；如下图，单相交流电源拖电阻、电容负载(阻容负载)，此时负载上的电流的相位会超前于电压的相位，相位差的角度90°，此时负载要从电压源吸收有功功率及容性无功功率；三相交流系统同理三相交流系统同理；©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage5中文技术支持热线：400-0755-669复习一下功率因数的概念-----纯容性无源负载对于一个正弦波电压源来说，当输出电流超前于输出电压且电流与电压的夹角90°则功率因当输出电流超前于输出电压，且电流与电压的夹角=90°，则功率因数=0；如下图，单相交流电源拖纯电容负载，此时负载上的电流的相位会超前于电压的相位，相位差的角度=90°，此时负载要向电压源吸收纯容性无功功率，没有有功功率；三相交流系统同理三相交流系统同理；©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage6中文技术支持热线：400-0755-669功率因数为负数的情况-----阻感性有源负载对于一个正弦波电压源来说，当输出电流滞后于输出电压且电流与电压的夹角90°则功率因当输出电流滞后于输出电压，且电流与电压的夹角90°，则功率因数会变成负数，-1cosφ0；如下图，单相交流电源拖电感及另一有源负载，此时负载上的电流的相位滞后于电压的相位，相位差的角度90°，此时负载要向电压源吸收纯感性无功功率及向电源回馈有功功率；三相交流系统同理三相交流系统同理；©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage7中文技术支持热线：400-0755-669功率因数为负数的情况-----阻感性有源负载对于一个正弦波电压源来说，当输出电流超前于输出电压且电流与电压的夹角90°则功率因当输出电流超前于输出电压，且电流与电压的夹角90°，则功率因数会变成负数，-1cosφ0；如下图，单相交流电源拖电容及另一有源负载，此时负载上的电流的相位超前于电压的相位，相位差的角度90°，此时负载要向电压源吸收纯容性无功功率及向电源回馈有功功率；三相交流系统同理三相交流系统同理；©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage8中文技术支持热线：400-0755-669功率因数为负数的情况-----纯阻性有源负载对于一个正弦波电压源来说，当输出电流超前于输出电压且电流与电压的夹角180°则功率因当输出电流超前于输出电压，且电流与电压的夹角=180°，则功率因数cosφ=-1；如下图，单相交流电源拖另一有源负载，此时负载上的电流的相位超前于电压的相位，相位差的角度=180°，此时负载要向电源回馈有功功率，没有无功；三相交流系统同理三相交流系统同理；©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage9中文技术支持热线：400-0755-669重新认识功率因数的概念---总结请注意在讨论功率因数时务必先把负载定义清楚一般我们是讨请注意，在讨论功率因数时，务必先把负载定义清楚，般我们是讨论负载的功率因数，或者说站在负载的角度讨论功率因数。1.如果是正数，说明负载向电源吸取有功功率；2.如果是负数，说明负载向电源回馈有功功率；3如果是0说明负载与电源互相交换纯无功能量完全没有有功3.如果是0，说明负载与电源互相交换纯无功能量，完全没有有功；4.如果是1或者-1，则负载与电源只交换有功能量，没有无功能量；©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage10中文技术支持热线：400-0755-669应用中的功率因数-----电机拖动变频器牵引电机时，电机的功率因数为正数，电机吸收有功能量有功能量送到电机，电机功率因数为正电机牵引工况有功能量送到电机，电机功率因数为正电机牵引工况电机制动时时，电机的功率因数为负数，电机向变频器回馈有功能量；电机制动工况有功能量回馈变频器，电机功率因数为负电机制动工况©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage11中文技术支持热线：400-0755-669应用中的功率因数----背靠背变流器下图为背靠背的变流器牵引电机，如果将电网看成是整流侧变流器的负载，则：1整流侧从电网吸入有功能量时电网的功率因数为负数1.整流侧从电网吸入有功能量时，电网的功率因数为负数；2.整流侧向电网回馈有功能量时，电网的功率因数为正数；（请注意，在讨论功率因数时，务必先把负载定义清楚，一般我们是讨论负载的功率因数）负载的功率因数。）整流侧从电网吸入有功能量整流侧整流侧逆变侧逆变侧整流器向电网回馈有功能量©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage12中文技术支持热线：400-0755-669应用中的功率因数----APF或SVG下图为一个APF或SVG，这是直接挂在电网上的装置，其目标是滤除电网的谐波（APF）或为电网补偿无功功率（SVG）；如果把这个装置作为电网的负载，装置功率因数恒为0；这句话反过来说也可以：把电网作为装置的负载，电网的功率因数恒为0；因为这个装置只与电网交换无功能量不交换有功能量因为这个装置只与电网交换无功能量，不交换有功能量；APForSVGAPForSVG©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage13中文技术支持热线：400-0755-669负载功率因数=1，IGBT和二极管的热分配当功率=1时，意味着负载表现为纯电阻特性，以右图为例，电压与电流的相位差为0度。我们知道，如果此时开关IGBT，由于负载为阻性，IGBT关断后，二极管是不存在续流过程的，因为负载电流马上就断了，二极管完全没有续流过程，二极管的导通损耗为0（理想情况下）。结论：所有的负载电流都流过IGBT，二极管没有承担电流，所以在这种情况下，IGBT的导通损耗最大极管的导通损耗极小损耗最大，二极管的导通损耗极小。©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage14中文技术支持热线：400-0755-669负载功率因数=-1，IGBT和二极管的热分配当功率=-1时，意味着负载向电源回馈纯有功功率，以下图为例，电压与电流的相位差为180度。在下图中，Iab在整个Uab为负的区间内只流过a桥臂下管的二极管，该IGBT虽然有开通和关断行为，但是电流只穿过续流二极管。因此，在这种工况中，IGBT是不导通电流的，全部是二极管承载电流。结论：所有的负载电流都流过二极管，IGBT没有承担电流，所以在这种情况下，二极管的导有承担电流所以在种情况下极管的导通损耗最大，IGBT的导通损耗极小。©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage15中文技术支持热线：400-0755-669从电压电流相位观察IGBT与二极管的电流分配情况从上面两个例子可以看出一些规律：1.当电压与电流波形同相时，有功能量从电源流向负载，IGBT承载电流；2当电压与电流波形反相时有功能量从负载流向电源极管承载电流2.当电压与电流波形反相时，有功能量从负载流向电源，二极管承载电流；下图可以得到一些信息：黄色部分是有功能量流向负载IGBT承载电流黄色部分是有功能量流向负载，IGBT承载电流；绿色部分是有功能量流向电源，二极管承载电流；以下图为例，黄色部分对应的角度为135°，绿色部分为45°，所以IGBT承载电流的时间是二极管的3倍。©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage16中文技术支持热线：400-0755-669功率因数=0从上一页分析可知，当功率因数=0时，IGBT和二极管分别有50%的时间承载电流会比较平均50%的时间承载电流，会比较平均。下图中黄色和绿色的时间是相等的黄色部分为二极管下图中黄色和绿色的时间是相等的，黄色部分为二极管承载电流，绿色部分为IGBT承载电流。©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage17中文技术支持热线：400-0755-669不同功率因数时损耗的分布以下表格是某厂家的仿真软件的计算结果，以300A，1200V的IGBT为例，输出电流为某一具体数值，应用为三相正弦波逆变，只调整功率因数，其他条件不变，分别得到三组结果。可见：他条件不变，分别得到三组结果。可见：1.cosφ=1，IGBT的导通损耗较高，二极管导通损耗较低；2.cosφ=-1，二极管的导通损耗较高，IGBT导通损耗较低；3.cosφ=0，二极管及IGBT的导通损耗比较平均；cosφ=1φ极管导损耗较均；cosφ=0cosφ=-1©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage18中文技术支持热线：400-0755-669四象限变流器的分析下图为四象限变流器，拖动电机，整流侧的负载为电网，电网的功率因数为-1，根据之前分析的理论，整流侧的二极管承载了大部分电流，导通损耗是比较高根据之前分析的论整流侧的极管承载了大部分电流导通损耗是较高的，因此这些二极管的发热也会比较严重，所以一般用于整流侧的IGBT的续流二极管的容量需要扩大些。整流侧从电网吸入有功能量整流侧整流侧逆变侧逆变侧整流器向电网回馈有功能量©2014CONCEPT|PowerIntegrationspage19中文