这类变换器损耗和散热分析存在以下一些特点：

1）器件在变换器中具有一定的对称性。比如三相三电平拓扑，相与相之间存在对称性，但一个桥臂内，还会出现内管、外管和箝位二极管等不对称性。

2）系统容量较高，器件开关频率低，变换器输出电流波形中谐波分量相对较大。

3）器件为平板压装结构，器件安装在不同的散热器上，有时从系统结构紧凑角度出发，需要根据器件损耗对散热器尺寸进行优化，不同位置的散热器尺寸不同。

这些特点为该类变换器的损耗分析和散热分析带来一定的复杂性。同样在这类变换器中，电力半导体器件的功率损耗是变频器主电路中的主要发热源，过大开关器件损耗会导致器件温度的升高、系统性能下降甚至变频器故障。所以半导体器件损耗分析同样十分重要。在这类变换器中，损耗分析将更加复杂和困难，往往与变频器的开关器件特性、电路拓扑、PWM方式、吸收电路和电路杂散电感等因素耦合更加密切。

在传统方式中，开关器件损耗是通过一段较长时间内的平均效应来计算的。根据该平均值，只能采取几种简单的方式来确保开关器件的温升，比如同时采用开通和关断吸收电路，并将吸收电路的主要参数设计得足够大，以较大的代价将开关器件的功率损耗转化成为吸收电路的损耗。或者将变频器的冷却系统中的冷却效果加强，将一些可以风冷的变频器设计成为水冷变频器。这些措施在一定程度上增加了变频器的成本，降低了变频器的效率。正是开关器件功率损耗分析的不准确，才给变频器整个系统的设计和优化带来困难。此时必须从半导体器件损耗的基本公式出发进行准确分析，类似上一小节中的公式推导所使用的一些假设前提将不成立。

本小节以一个6kV/1250kW基于IGCT三电平变频器中的IGCT和箝位二极管的功率损耗为对象，根据开关器件的特性，给出其不同开关状态下功率损耗模型，包括导通、阻断、开通和关断等状态。同时，分析了开关器件功率损耗与变频器中其他元素之间的关系。

1.IGCT功率损耗模型

一般来说，可控的双稳态器件具有4种不同的开关状态，分别是导通、阻断、开通和关断状态，有时会将关断过程中的反向恢复过程单独罗列，在此不做考虑。在该IGCT变频器中，IGCT和箝位二极管的型号分别是5SHX14H4502和5SDF05F4502，直接给出相关的数据。在分析之前需要指出，在各模型中“P”代表功率，其单位为W，“Q”代表能量，其单位是J。

当IGCT处于导通状态时，其端电压如式（8-39）所示，其中U_T0=1.65V，r_T=1.2mΩ。则IGCT在其导通期间的功率损耗也可以给出，其中i_av是该导通时间内的平均电流，i_rms是IGCT中电流的有效值。

U_T=U_T0+i·r_T （8-39）

P_T-on=i_av·U_T0+i²_rms·r_T （8-40）

当IGCT处于阻断状态时，其漏电流中包括了IGCT的正向漏电流和反并联二极管的反向漏电流。IGCT在阻断过程中的功率损耗如下所示，其中，i_T0=20mA。实际上从IGCT的出厂最终测试报告中可以看出，该漏电流往往远小于其手册中所标称的数值，这种偏差对IGCT的损耗分析影响不大。在许多相关应用中，该损耗是可以忽略不计的，本节对其进行考虑主要是为了对比分析。

P_T-off=i_T0·U_T （8-41）

在IGCT开通过程中，其端电压逐渐下降到接近零的状态，流经电流上升。由于不同的开关条件，比如不同的吸收电路和器件结温等，该过程中的电压和电流波形是各不相同的。在IGCT的数据手册给出了相应的测试条件下的能量损耗值，对应此次分析IGCT的数值为0.45J，IGCT每次开通能量损耗建立的模型为

式中 k₁——根据IGCT当时开关条件与标准测试条件关系引入的修正系数；

Q_on0——0.45J；

U_Tp——IGCT开通前的端电压；

i_L——开通后流经IGCT中的电流；

U_d0和i_L0——数据手册中的标准测试条件，分别为2700V和1100A（开关器件结温为115℃）。(www.daowen.com)

与IGCT开通相似，其每次关断的能量损耗为

式中 k₂——根据IGCT当时开关条件与标准测试条件关系引入的修正系数；

Q_off0——5J；

i_Lp——IGCT关断前流经的电流；

U_T——IGCT关断后的稳态电压；

U_d0和i_L0——定义和数值与开通情况下的相同。

很显然，IGCT关断能量损耗比开通的大很多。

在此变频器中用的都是逆导型IGCT，在IGCT中集成了反并联二极管。反并联二极管的阻态损耗已经包含到整个IGCT的阻态中，同时忽略其开通损耗，则反并联二极管的功率损耗模型如下面所示，其中前者为其通态功率损耗，后者为其关断能量损耗。

式中，U_F0=3.15V，r_F=3.2mΩ，k₃为修正系数，Q_foff0为2.2J，i_Lp为二极管开始关断时的电流，U_F为其关断后的稳态电压，U_d0与i_L0定义与前面相同。

与IGCT的通态损耗模型类似，箝位二极管的通态、阻态、开通和关断的损耗分别如下面所示。

其中，U_D0为2.42V，r_D为2.0mΩ，i_D0为20mA，Q_don0为0.01J，Q_doff0为3.1J，其他定义与IGCT损耗模型类似。在一些分析和应用中，将二极管的阻态和开通损耗忽略，本小节中为了进行对比，对它们进行了考虑。

2.IGCT功率损耗仿真估测

在上面所分析的数学公式基础上，结合相应的变频器系统仿真，就可以得到该变频器中各器件在不同运行工况下的功率损耗。其中，满载运行时，外管（拓扑中最上端和最下端IGCT）不同状态损耗的比例图以及不同开关器件总损耗的相对比例图如图8-30所示。从图中可以看出，外管的功率损耗较大，占所有开关器件的一半左右，而内管的损耗约为30%。在相关研究中指出：在关断相同电流时，内管对应的换流回路杂散电感较大，关断条件较恶劣，关断损耗较大，同时在三电平结构中，流经外管的电流一定要流经内管，似乎内管的功率损耗应该大，但是实际仿真计算结果却不然，这是所采用的控制方式、负载特性、电路拓扑特性共同作用的结果。

图8-30 不同状态不同开关功率损耗比例图

同样，采用这样的IGCT损耗模型和系统仿真，也可以分析不同开关频率，不同PWM方式下变换器中各损耗分布情况，实际分析表明在三电平变换器中，变换器输出的电压和电流的相位差跟内、外管损耗的比例存在紧密关系。所以此小节的分析结果在其他应用中并不具有借鉴作用，比如三电平PWM整流器、有源滤波装置等。