در سیستم‌های قدرت مدرن، افزایش راندمان مبدل‌های الکترونیک قدرت یکی از مهم‌ترین اهداف طراحی محسوب می‌شود. اینورترهای چندسطحی به دلیل کاهش هارمونیک‌های ولتاژ و جریان، کاهش تنش روی کلیدهای قدرت و بهبود کیفیت توان، در کاربردهایی مانند درایوهای ولتاژ متوسط، سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر و اتصال منابع تولید پراکنده به شبکه بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. با این حال، افزایش تعداد کلیدهای نیمه‌هادی و فرکانس کلیدزنی باعث ایجاد تلفات توان قابل توجهی در تجهیزات قدرت می‌شود که می‌تواند بر بازده، قابلیت اطمینان و طول عمر سیستم تأثیر مستقیم داشته باشد.

در این شبیه‌سازی، نحوه محاسبه تلفات کلیدهای قدرت در یک اینورتر سه‌فاز سه‌سطحی با استفاده ترکیبی از بلوک‌های Specialized Power Systems و Simscape بررسی می‌شود. هدف اصلی، تحلیل تلفات کلیدهای IGBT و دیودهای موازی آن‌ها، بررسی رفتار حرارتی قطعات نیمه‌هادی و ارزیابی توان خروجی قابل دستیابی در مقابل فرکانس کلیدزنی است.

معرفی سیستم قدرت مورد بررسی

سیستم مورد مطالعه شامل یک منبع DC با ولتاژ مثبت و منفی 1800 ولت است که یک اینورتر سه‌فاز سه‌سطحی با توان نامی 400 کیلووات را تغذیه می‌کند. خروجی اینورتر پس از تبدیل انرژی DC به AC، از طریق یک ترانسفورماتور افزاینده با نسبت تبدیل 2200 ولت به 25 کیلوولت به یک شبکه توزیع متصل می‌شود.

شبکه قدرت مورد استفاده دارای مشخصات 25 کیلوولت، توان ظاهری 40 مگاولت‌آمپر و فرکانس 50 هرتز است. ساختار اینورتر سه‌سطحی بر اساس یک توپولوژی رایج در مبدل‌های ولتاژ متوسط طراحی شده است که امکان تولید شکل موج خروجی با کیفیت بالاتر نسبت به اینورترهای دو سطحی را فراهم می‌کند.

هر بازوی سه‌سطحی اینورتر شامل سه ماژول نیم‌پل IGBT تجاری است. در این ساختار، ماژول سوم به پالس کنترلی IGBT نیاز ندارد، زیرا تنها دیودهای موازی آن به عنوان دیودهای کلمپ نقطه خنثی عمل می‌کنند. این ویژگی یکی از خصوصیات مهم توپولوژی‌های سه‌سطحی است که باعث کاهش تعداد کلیدهای فعال در مسیرهای خاص جریان می‌شود.

سیستم کنترلی اینورتر

برای تولید پالس‌های مورد نیاز کلیدهای قدرت، یک سیستم کنترل پیشرفته در مدل شبیه‌سازی استفاده شده است. این سیستم شامل دو کنترل‌کننده PI اصلی است. کنترل‌کننده اول به عنوان تنظیم‌کننده توان اکتیو و راکتیو (PQ Regulator) عمل می‌کند و وظیفه تنظیم توان انتقالی بین اینورتر و شبکه را بر عهده دارد.

کنترل‌کننده دوم یک کنترل‌کننده جریان است که جریان‌های سه‌فاز خروجی اینورتر را تنظیم کرده و پالس‌های مناسب برای تحریک IGBTها را تولید می‌کند. ترکیب این دو حلقه کنترلی باعث می‌شود اینورتر بتواند توان مرجع تعیین‌شده را با ضریب توان مشخص به شبکه تزریق کند.

مدل‌سازی نیم‌پل IGBT همراه با محاسبه تلفات

در این شبیه‌سازی، بازوی فاز A اینورتر با استفاده از سه بلوک Half-Bridge IGBT With Loss Calculation مدل‌سازی شده است. هر نیم‌پل شامل دو بلوک IGBT/Diode است که توسط سیگنال‌های کنترلی خارجی تحریک می‌شوند.

محاسبه تلفات IGBTها بر اساس اطلاعات ارائه‌شده در دیتاشیت سازنده انجام می‌شود. این روش نسبت به مدل‌های ساده کلید ایده‌آل، دقت بسیار بالاتری در پیش‌بینی رفتار حرارتی و راندمان واقعی مبدل دارد.

محاسبه تلفات کلیدزنی IGBT

تلفات کلیدزنی هنگام روشن و خاموش شدن IGBT ایجاد می‌شوند. این تلفات به دلیل وجود هم‌زمان ولتاژ و جریان در مدت زمان کوتاه تغییر وضعیت کلید رخ می‌دهند.

برای محاسبه تلفات روشن شدن (Turn-on Loss)، سه پارامتر اصلی مورد استفاده قرار می‌گیرند:

• ولتاژ دو سر قطعه قبل از کلیدزنی
• جریان عبوری از قطعه بعد از کلیدزنی
• دمای پیوند نیمه‌هادی

این مقادیر وارد یک جدول سه‌بعدی Lookup Table می‌شوند که بر اساس داده‌های آزمایشگاهی سازنده ساخته شده است. خروجی این جدول انرژی تلف‌شده هنگام روشن شدن است که به یک پالس توان تبدیل شده و به شبکه حرارتی قطعه تزریق می‌شود.

برای محاسبه تلفات خاموش شدن (Turn-off Loss) نیز مشابه همین روش استفاده می‌شود، با این تفاوت که مقادیر جریان قبل از خاموش شدن، ولتاژ بعد از خاموش شدن و دمای پیوند بررسی می‌شوند.

محاسبه تلفات هدایت IGBT

علاوه بر تلفات کلیدزنی، IGBT در حالت روشن نیز دارای تلفات هدایت است. زمانی که جریان از IGBT عبور می‌کند، به دلیل وجود ولتاژ اشباع Vce مقداری توان در قطعه تلف می‌شود.

در مدل شبیه‌سازی، جریان کلکتور (Ic) و دمای پیوند برای تعیین ولتاژ اشباع IGBT استفاده می‌شوند. مقدار Vce توسط یک جدول دوبعدی استخراج شده و سپس با جریان Ic ضرب می‌شود تا توان تلفاتی هدایت به دست آید.

رابطه کلی محاسبه تلفات هدایت به صورت زیر است:

Pconduction = Vce × Ic

محاسبه تلفات دیودهای موازی

دیودهای آنتی‌پارالل متصل به IGBTها نیز در هنگام عبور جریان و تغییر وضعیت کلیدها دارای تلفات هستند. دو نوع اصلی تلفات دیود شامل تلفات بازیابی معکوس و تلفات هدایت است.

تلفات بازیابی معکوس زمانی ایجاد می‌شود که دیود از حالت هدایت به حالت قطع تغییر وضعیت می‌دهد. برای محاسبه این تلفات، جریان قبل از کلیدزنی، ولتاژ بعد از کلیدزنی و دمای پیوند وارد یک جدول سه‌بعدی می‌شوند و انرژی تلف‌شده استخراج می‌شود.

تلفات هدایت دیود نیز بر اساس جریان عبوری If و ولتاژ روشن Vf محاسبه می‌شود:

Pdiode = Vf × If

مدل حرارتی قطعات نیمه‌هادی

یکی از بخش‌های مهم این شبیه‌سازی، بررسی افزایش دمای قطعات قدرت است. تلفات الکتریکی ایجاد شده در IGBT و دیودها به یک شبکه حرارتی منتقل می‌شوند تا دمای پیوند نیمه‌هادی محاسبه شود.

ظرفیت حرارتی پیوند و مقاومت حرارتی بین پیوند و بدنه با استفاده از یک شبکه Cauer تک‌سلولی مدل شده است. این شبکه توسط بلوک State-Space در محیط Simulink پیاده‌سازی شده است.

برای مدل‌سازی دقیق‌تر مسیر انتقال حرارت، از بلوک‌های Thermal Foundation در Simscape استفاده شده است. این شبکه شامل دو سلول Cauer است که ظرفیت‌های حرارتی بدنه و هیت‌سینک و همچنین مقاومت‌های حرارتی بین آن‌ها و محیط را نمایش می‌دهد.

در این مدل برای کاهش زمان اجرای شبیه‌سازی، مقادیر ظرفیت حرارتی به صورت ساده‌شده انتخاب شده‌اند؛ اما ساختار کلی مدل مشابه سیستم‌های واقعی خنک‌کاری قطعات قدرت است.

نتایج شبیه‌سازی

پس از اجرای شبیه‌سازی، عملکرد اینورتر در شرایط مختلف کاری بررسی می‌شود. در بازه زمانی صفر تا 5 ثانیه، اینورتر توان خروجی 372 کیلووات را با ضریب توان 0.85 تولید می‌کند. در این حالت فرکانس کلیدزنی برابر 850 هرتز است.

مجموع تلفات مبدل در این شرایط حدود 2.7 کیلووات به دست می‌آید. بیشترین دمای پیوند برابر 125 درجه سانتی‌گراد بوده و در IGBT شماره یک ماژول اول یا IGBT شماره دو ماژول دوم مشاهده می‌شود.

در بازه زمانی 5 تا 12 ثانیه، توان خروجی اینورتر به 210 کیلووات کاهش پیدا می‌کند و فرکانس کلیدزنی به 1850 هرتز افزایش می‌یابد. با وجود تغییر شرایط کاری، مقدار تلفات کل مبدل همچنان حدود 2.7 کیلووات باقی می‌ماند و بیشترین دمای پیوند در همان IGBT مشاهده می‌شود.

اهمیت شبیه‌سازی تلفات در طراحی اینورترهای قدرت

محاسبه دقیق تلفات در اینورترهای چندسطحی نقش مهمی در انتخاب مناسب کلیدهای قدرت، طراحی سیستم خنک‌کننده و افزایش طول عمر تجهیزات دارد. مدل‌های ساده که تنها رفتار سوئیچینگ ایده‌آل را در نظر می‌گیرند، نمی‌توانند افزایش دما و محدودیت‌های واقعی قطعات نیمه‌هادی را پیش‌بینی کنند.

استفاده از قابلیت محاسبه تلفات در Simscape Electrical امکان بررسی هم‌زمان رفتار الکتریکی و حرارتی سیستم را فراهم می‌کند. این موضوع به مهندسان اجازه می‌دهد قبل از ساخت نمونه عملی، عملکرد مبدل را در شرایط مختلف توان، فرکانس کلیدزنی و بار بررسی کنند.

جمع‌بندی

در این شبیه‌سازی، یک اینورتر سه‌فاز سه‌سطحی 400 کیلوواتی متصل به شبکه مدل‌سازی شد و روش محاسبه تلفات IGBT و دیودهای قدرت مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از بلوک‌های Specialized Power Systems و Simscape، تلفات کلیدزنی، تلفات هدایت و رفتار حرارتی قطعات نیمه‌هادی تحلیل شدند.

نتایج نشان می‌دهد که افزایش فرکانس کلیدزنی و تغییر توان خروجی تأثیر مستقیمی بر تلفات و دمای قطعات دارد. چنین مدل‌هایی در طراحی مبدل‌های قدرت صنعتی، سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر و تجهیزات ولتاژ متوسط کاربرد گسترده‌ای دارند و محیط Matlab و Simscape Electrical ابزار قدرتمندی برای انجام این تحلیل‌ها فراهم می‌کنند.