基于IGBT模塊的電能質量治理設備能耗狀況及節能分析

2.2 應用層面實現IGBT模塊降損路徑

　　由公式(1)～(8)可知，器件在工作過程中，IGBT模塊損耗主要包括3種狀態，即通態損耗、開通損耗和開斷損耗，分別對應導通、開通、開斷工作狀態，其總損耗為三者之和。實際上，除此之外還存在斷態損耗(漏電流引起，對應斷開狀態)，但其值很小，一般予以忽略^[13,16]。并且，通態穩定時，通態損耗也基本維持在恒定水平，因此，重點研究和考慮的是開通損耗和關斷損耗的變化影響^[13]。

　　影響IGBT開通損耗和關斷損耗的原因很多，除與IGBT芯片自身外，還受到包括驅動電路的電壓上升時間、負載電流、負載電壓及控制開關的頻率等因素影響^[11,14]。

　　根據以上分析，在實際使用過程中，IGBT模塊從幾個方面實現降損節能，如圖3所示。

　　考慮到現階段我國IGBT的自主生產水平及使用現狀，本文重點探討除IGBT本體結構以外的負載電壓、負載電流、開關頻率等工作狀態參數對其損耗的影響規律，以求通過優化控制等手段，從使用層面降低其損耗。

　　進一步，IGBT開通、關斷損耗可按如下公式計算^[17]：

　　分析公式(9)、(10)可知，IGBT開通、關斷損耗與工作狀態下電壓、電流及開關頻率均呈正相關關系，這與文獻[8]、文獻[13]、文獻[14] 等研究結論相一致。

　　因此，要降低IGBT工作損耗，在實際使用層面可通過降低其工作狀態下電壓、電流及開關頻率來實現。

　　文獻[13]提出了一種基于三相平均電流大小和各相電流大小的滯環寬度調節方法，該方法解決了傳統滯環電流采用的固定滯環寬度調節方法存在的，在滯環寬度過小時，較大的負載電流變化率會導致較高開關頻率，從而增大了開關損耗的問題。可實現在保持同樣的控制精度的情況下，有效降低有源電力濾波器的開關損耗。

　　文獻[8]也指出通過優化IGBT使用環境、性能參數，以及最優的電路拓撲，可以減少器件損耗的產生，加大變換裝置的能源利用效率。

　　文獻[18]對軟開關技術在實現電力電子變換器開關損耗的方法進行了研究，提出了四種帶有能量有源回饋吸收的變換器橋臂單元，并從無源軟開關特性方面對四種拓撲進行對比分析，并對其主開關管的開關損耗、輔助二極管附加損耗、能量有源回饋電路損耗等進行了計算。

　　因此，現階段我國電力電子設備生產企業，在考慮提升IGBT模塊能耗效率時，雖然受制于IGBT芯片本體無法改善的限制，但是還可以從優化IGBT模塊電路拓撲結構、優化控制方法等角度出發，提升裝置能效水平。

3 電能質量類設備降損路徑

　　根據上述分析，IGBT類電能質量治理設備的損耗主要由控制系統損耗、IGBT模塊損耗、濾波電感及電容損耗組成。針對不同損耗部分，從設計、加工工藝、材料選擇、控制系統優化等角度出發，均可降低其工作過程中的自身損耗，圖4給出了基于IGBT模塊的電能質量治理類設備降損路線圖。

4 結論

　　SVG、APF和MEC均為主動補償，三者主電路圖組成基本一樣，其主要區別在于系統控制策略的差異;IGBT類電能質量控制產品的主要損耗部分依次為IGBT模塊損耗、濾波電感及電容損耗、控制系統損耗，其中，前兩者損耗分別約占總損耗的50%和45%。

　　IGBT模塊損耗主要包括通態損耗、開通損耗、開斷損耗、斷態損耗4種狀態。其中，斷態損耗值很小，一般予以忽略;而通態穩定時，通態損耗也基本維持在恒定水平。因此，開通損耗和關斷損耗是影響IGBT模塊損耗的主要狀態。IGBT模塊的開通損耗和關斷損耗可通過優化控制方法，改善設備工作狀況下的電壓上升時間、負載電流、負載電壓及控制開關的頻率，實現降低損耗。

　　參考文獻：

　　[1]張燁.電能在北京市終端能源消費的競爭力評價研究[D].北京：華北電力大學,2009.

　　[2]王偉,黃珂.電能替代戰略：機遇、挑戰與政策選擇[J].華北電力大學學報(社會科學版)，2014,4：1-5.

　　[3]牛東曉,張燁,谷志紅.電能在終端能源中的替代研究[J].現代經濟,2008,79(6):61-62, 65.

　　[4]林海雪.現代電能質量的基本問題[J]. 電網技術,2001,25(10):5-12.

　　[5]董旭,祝勇剛,王楓，等.電能替代戰略實施下的湖北地區未來電網發展模式探究[J].應用能源技術，2015,11:38-40.

　　[6]羅安.電能質量治理和高效用能技術與裝備[M].北京:中國電力出版社,2014:1.

　　[7]王兆安.電力電子技術是電能質量控制的重要手段——特邀主編評述[J].電力電子技術,2004,38(6):1.

　　[8]夏興國.電力電子器件損耗的測試與計算研究[J].齊齊哈爾大學學報,2016,32(1):1-5.

　　[9]殷炯,師蒙超,王玉斌,等.安裝于集裝箱中的SVG散熱系統分析與改進[J].機電設備,2014(4)：46-50.

　　[10]宋靜文.大功率光伏逆變器損耗模型的研究[J].廣西：廣西大學,2010:9.

　　[11]朱衛東. SVG產品的散熱研究及實用設計[J].濟南：山東大學,2013:11.

　　[12]胡建輝,李錦庚,鄒繼斌,等.變頻器中的IGBT模塊損耗計算及散熱系統設計[J].電工技術學報，2009,24(3):159-163.

　　[13]曾江,陳浩平,劉艷.有效降低APF開關損耗的滯環寬度調節方法[J].電氣傳動自動化,2015，37(6)：15-20.

　　[14]衣鵬,王心堅,孫澤昌. IGBT數值模型及其損耗規律研究[J].機械與電子,2013(8):20-23.

　　[15]許德偉,朱東起,黃立培,等.電力半導體器件和裝置的功率損耗研究[J].清華大學學報(自然科學版),2000,40(3):5-8.

　　[16]曾江,葉小軍,劉艷,等.低開關損耗有源電力濾波器的滯環電流控制[J].華南理工大學學報(自然科學版),2009,37(11):76-82.

　　[17]雷烈波,李勇,胡廣振,等.高壓大容量靜止同步補償器的優化節能運行[J].高電壓技術，2013，39(2)：488-495.

　　[18]王蓓蓓.電力電子開關換向過程能量吸收回饋方法研究[D].北京：北京交通大學,2015.

　　本文來源于《電子產品世界》2017年第6期第33頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。