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The Evaluation of Danfoss Inverter Braking Ability & Select Brake Resitor

摘要：Danfos申慱sunbet手机版APP的制动能力主要与申慱sunbet手机版APP内置制动晶体的电流能力和散热能力有关。本文根据丹佛斯申慱sunbet手机版APP内置制动晶体管的技术数据和申慱sunbet手机版APP整机的技术数据，提供了一种估算申慱sunbet手机版APP实际制动能力及选取制动电阻的方法，供大家参考。

关键词：制动率   制动电流  结温升

Abstract: The Braking ability of Danfoss inverter decided by the current ability and the heat dis si p ation 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： 振华港机移船绞车项目选用丹佛斯690V、355kW的申慱sunbet手机版APP，要求申慱sunbet手机版APP具有*转矩连续制动的能力。而丹佛斯申慱sunbet手机版APP设计指南上只保证了此型号申慱sunbet手机版APP*制动转矩，40%制动率的能力。但根据对此型号申慱sunbet手机版APP硬件和技术数据的仔细分析，我们发现此申慱sunbet手机版APP实际具有比标称值大得多的制动能力。下面就是估算丹佛斯申慱sunbet手机版APP实际制动能力和优化选择制动电阻的详细办法。

计算中需要用到的丹佛斯FC302P355KT7E5MH2B申慱sunbet手机版APP的基本数据：

直流中间环节制动动作电压：1084 VDC

散热片zui高温度：85 ℃

制动晶体管：DP400C1700S100734 ，两块并联。

单块制动晶体管标称电流400A ；

影响丹佛斯申慱sunbet手机版APP制动能力的主要因素

影响申慱sunbet手机版APP制动能力的主要因素为制动晶体管的导通电流能力、申慱sunbet手机版APP整机的散热能力和制动晶体管的散热能力。下面逐一分析。

首先，分析制动晶体管的导通电流能力：

按直流制动电流zui大值I brake_max  = 400 × 2 = 800 A

制动晶体管瞬时zui大制动功率P brake_peak  = 800 × 1084 = 867 kW

此值高达申慱sunbet手机版APP标称功率的244%，因此可知制动晶体管的导通电流能力不是制约申慱sunbet手机版APP制动能力的关键因素。

其次分析申慱sunbet手机版APP工作于连续制动状态时，申慱sunbet手机版APP的整机散热能力。

设申慱sunbet手机版APP在全速、满载时发热量为*，则申慱sunbet手机版APP的整机散热能力也为*。

按丹佛斯技术资料，可知此时：

申慱sunbet手机版APP 整流部分发热量是 26% ，申慱sunbet手机版APP逆变部分发热量是 74% 。

再假设连续制动时，制动晶体管是连续工作的，制动晶体管上的电流为 I BR

根据能量守恒定律， P 制动晶体管  = P 电机

推导，I BR  ×V DC  = ×Io ×Vo ×0.86（功率因数） ×0.93（电机效率）

对于T7机型，V DC  = 1084 V，电机额定电压Vo = 660V，

则 I BR  = 0.843 Io = 0.937 Io_av

因此有统一的结论： I BR ≈ Io_av，即制动晶体管上的电流与电机电流平均值相同。

因为输出有3路，制动只有1路，所以可以一般地认为：

制动晶体管的发热量 = ×逆变部分发热量

则连续制动时的申慱sunbet手机版APP整机发热量 = 逆变部分发热量+ 制动部分发热量

                               =  74% + 74% / 3  =  98.7%

≤  *

所以得出结论：申慱sunbet手机版APP连续制动时的发热功率不大于申慱sunbet手机版APP连续电动时的发热功率，因此申慱sunbet手机版APP的整机散热能力不是制约申慱sunbet手机版APP制动能力的关键因素。

    进一步的分析表明制约申慱sunbet手机版APP制动能力的关键因素是制动晶体管的散热能力，下面的估算将围绕制动晶体管的散热能力展开。

制动晶体管的发热功率和结温限制

制动晶体管的发热功率 = 导通损耗 + 开关损耗

一、 制动晶体管的开关损耗

1. 假设负载是纯电阻，开关时的电压、电流是线性变化的。

单次开（关）的损耗=

 =

 =

其中 Δt 为开关时间，

制动晶体管的总开关损耗P SW  =单次开（关）损耗 ×  f SW ×  2

                         =

        不过这一假设太理想化了。

2. 假设负载含电感，开通、关断的电压、电流波形如下：

开通损耗，与模块中的快恢复二极管的特性相关，难以计算。估算中以固定值0.01 J 代入。

        关断损耗=

≈

 =

制动晶体管的总开关损耗P SW  = （ 0.01 +  ） ×  f SW

本着安全的原则，计算中选择较大的P SW  = （ 0.01 +  ） ×  f SW

f SW  ，参阅丹佛斯申慱sunbet手机版APP技术资料，制动晶体管的开关频率f SW  = 1.2 kHz

Δt ， 参阅《FC300 设计指南》中的 du/dt 数据：2261 V/ μS

推测 Δt  = 1084 / 2261 = 0.48 μS 。计算时取 Δt  = 0.5 μS

二、 制动晶体管的导通损耗

1． 制动晶体管的导通压降- 导通电流（ V CE -I C ）曲线

附件一中没有此曲线，但根据附录1 中制动晶体管 DP400C1700S100734 的特征参数：

  V CES =1700 V

  I C =400 A（ T C =80 ℃）

  V CE（sat）  = 2.0V（ I C =400A， T J =25 ℃）

  V CE（sat）  = 2.4V（ I C =400A,T J =25 ℃）

 查到三菱CM400DY-34A 和英飞凌 FZ400R17KE3 的晶体管特性与其*相同，因此可以使用他们的“ V CE -I C ”特性曲线，获得制动晶体管的导通压降。

此晶体管是正温度系数的IGBT ，所以我们只需要取发热zui厉害的 125 ℃结温时的数据，将其 数字化，得表一：

电流I C （A ）	50	100	150	200	250	300	350	400
V CE（sat）  （V ）	1	1.35	1.6	1.8	2	2.17	2.3	2.4

2． 制动晶体管的导通损耗

P CND  = V CE（sat） ×  I C

三、 制动晶体的结温升：

制动晶体管的结温升 T RISE =  （ R th（j-c） + R th（c-f） ） × P LOSS

其中 P LOSS  为制动晶体管开关损耗和导通损耗之和， P LOSS  = P SW  + P CND

其中 R th（j-c） 为制动晶体管硅片到模块散热片的热阻，从附件一查到 R th（j-c） = 0.06 K/W

其中 R th（c -f ） 为制动晶体管模块散热片到申慱sunbet手机版APP散热片的热阻，附件一没有此数据，但是英飞凌模块 DF400R12KE3 的封装与丹佛斯制动晶体管的封装*相同，内部机构相似，而且注意到他们的晶体管热阻R th（j-c） 也相同，所以计算中可以参照英飞凌模块 DF400R12KE3 的数据，取R th（c-f）  = 0.03 K/W

有了以上数据，再依据制动晶体管的zui高工作结温不能超过125℃的限制条件，就能计算丹佛斯申慱sunbet手机版APP的zui大连续制动能力了。

制动晶体管的制动功率-制动率曲线

首先关于温度裕度的说明，为了申慱sunbet手机版APP的安全运行，必须保留一定的IGBT工作结温裕度，但是由于丹佛斯申慱sunbet手机版APP散热片的温度检测取自逆变模块内部，而散热片的实际温度要比逆变模块内部低，此温差已经使我们的计算有相当大的温度裕度。

zui大允许结温升T RISE-MAX  = zui高工作结温 –  散热片zui高温度 = 125-85 = 40 ℃

计算步骤：

1．首先假设一个制动功率，比如355kW，然后按此功率算出制动晶体管的结温升T RISE ；

2．如果T RISE  ≤ T RISE-MAX  ，说明在此制动功率下能够连续制动，

如果T RISE  > T RISE-MAX  ，则说明在此制动功率下不能连续制动，制动率Duty% =

表二、制动晶体管结温计算表：

名称	计算公式	值	单位
制动功率P Br		439	kW
制动开启电压V DC		1084	V
制动晶体管电流I C （2并）	I C =1000×P e ×T Br /V DC /2	202	A
制动晶体管导通压降V CE （结温125℃时）	查图表	1.808	V
制动晶体管导通损耗P CND	P CND  =I C  ×V CE	366	W
开关频率f sw		1200	Hz
开关时间Δt		0.5	uS
开通损耗E SW（on）		0.01	J
关断损耗E SW（off）	E SW（off）= V DC ×I C ×Δt/2	0.0549	J
开关损耗P SW	P SW =（E SW（ON） +E SW（OFF） ）×f SW	78	W
制动晶体管总损耗P LOSS	P LOSS  =P CND + P SW	444	W
晶体管热阻R th（j-c）		0.06	K/W
模块-散热片热阻R th（c-f）		0.03	K/W
晶体管结温升T RISE	T RISE =（R th（j-c） +R th（c-f） ）×P LOSS	40.0	K
散热片温度T h		85	℃
晶体管允许结温升T RISE-MAX	T RISE-MAX =125-T h	40	℃
制动率Duty%		100.1%

按上述步骤选择多个制动功率，得到表三，制动功率-制动率数据表格：

制动功率 （kW）	532	497	461	439
制动率 （%）	76.9%	84.5%	93.6%	100.0%

绘制成，曲线一、制动功率-制动率曲线：

    从制动功率-制动率曲线可以发现丹佛斯FC302P355KT7E5MH2B申慱sunbet手机版APP具有超过*制动转矩连续制动的能力。

制动功率-制动电阻关系曲线

解决了制动功率- 制动率的问题，接下来还有更实际的问题需要解决 — 制动电阻的取值。有些申慱sunbet手机版APP厂家提供了不同制动率下的制动功率- 制动电阻关系曲线，供用户作选取制动电阻之参考，但是丹佛斯申慱sunbet手机版APP设计指南中暂无此数据，所以我们用手工计算的办法绘制了一张 * 制动率时的制动功率 - 制动电阻关系曲线，供用户参考。

计算步骤说明如下：

1．首先选取一电阻值，比如 3 Ω，然后根据此制动电阻值可以知道制动电流和制动功率，利用表二可以算出连续制动时制动晶体管的结温升 T RISE 。

2． 如果T RISE  ≤ T RISE-MAX  ，说明此阻值下的制动功率P R 能够满足*制动率的要求；

如果T RISE  > T RISE-MAX  ，则说明此阻值下的制动功率P R 只能满足Duty% = 的 制动要求，根据P R  ×Duty% = P Brake-*  ×*，可以得到调整后的等效连续制动功率：

P Brake-*  = P R ×

按上述计算办法，选取多个制动电阻值，得到表四， 等效连续制动功率-制动电阻数据表：

制动电阻（Ω）	1.355	1.8	2.2	2.6	2.677	2.7	3.1	3.8
制动功率P R （kW）	867	653	534	452	439	435	379	309
结温升T RISE （K）	99.2	68.8	52.3	41.6	40.0
等效连续 制动功率（kW）	350	380	409	435	439	435	379	309

绘制成，曲线二、制动功率- 制动电阻曲线：

制动电阻的优化选择

首先， 制动电阻的zui小值受限于制动晶体管的导通电流能力，因此有：

R Brake_min  =  = 1.36Ω

然后，制动电阻的取值决定了申慱sunbet手机版APP的zui大瞬时制动功率。在此应用例中，用户要求电机zui大制动转矩不小于110%，则P Brake  不小于 355kW×110%×93%（ η 电机 ）×98%  （ η 申慱sunbet手机版APP ）= 356kW，制动电阻R Brake  ≤ 1084 2 /356000 = 3.3 Ω。

小于3.3Ω的制动电阻虽然能够提供更大的瞬时制动转矩，但是将增加制动晶体管的散热负担，因此满足zui大制动转矩要求的制动电阻值3.3Ω就是*电阻值。

参考文献

[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 Inligent Power Modules. Sep 1998.   MITSUBISHI ELECTRIC

附件1 、 DP400C1700S100734 模块技术资料

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