基于IGBT模块的电能质量治理设备能耗状况及节能分析

2.2 应用层面实现IGBT模块降损路径

　　由公式(1)～(8)可知，器件在工作过程中，IGBT模块损耗主要包括3种状态，即通态损耗、开通损耗和开断损耗，分别对应导通、开通、开断工作状态，其总损耗为三者之和。实际上，除此之外还存在断态损耗(漏电流引起，对应断开状态)，但其值很小，一般予以忽略^[13,16]。并且，通态稳定时，通态损耗也基本维持在恒定水平，因此，重点研究和考虑的是开通损耗和关断损耗的变化影响^[13]。

　　影响IGBT开通损耗和关断损耗的原因很多，除与IGBT芯片自身外，还受到包括驱动电路的电压上升时间、负载电流、负载电压及控制开关的频率等因素影响^[11,14]。

　　根据以上分析，在实际使用过程中，IGBT模块从几个方面实现降损节能，如图3所示。

　　考虑到现阶段我国IGBT的自主生产水平及使用现状，本文重点探讨除IGBT本体结构以外的负载电压、负载电流、开关频率等工作状态参数对其损耗的影响规律，以求通过优化控制等手段，从使用层面降低其损耗。

　　进一步，IGBT开通、关断损耗可按如下公式计算^[17]：

　　分析公式(9)、(10)可知，IGBT开通、关断损耗与工作状态下电压、电流及开关频率均呈正相关关系，这与文献[8]、文献[13]、文献[14] 等研究结论相一致。

　　因此，要降低IGBT工作损耗，在实际使用层面可通过降低其工作状态下电压、电流及开关频率来实现。

　　文献[13]提出了一种基于三相平均电流大小和各相电流大小的滞环宽度调节方法，该方法解决了传统滞环电流采用的固定滞环宽度调节方法存在的，在滞环宽度过小时，较大的负载电流变化率会导致较高开关频率，从而增大了开关损耗的问题。可实现在保持同样的控制精度的情况下，有效降低有源电力滤波器的开关损耗。

　　文献[8]也指出通过优化IGBT使用环境、性能参数，以及最优的电路拓扑，可以减少器件损耗的产生，加大变换装置的能源利用效率。

　　文献[18]对软开关技术在实现电力电子变换器开关损耗的方法进行了研究，提出了四种带有能量有源回馈吸收的变换器桥臂单元，并从无源软开关特性方面对四种拓扑进行对比分析，并对其主开关管的开关损耗、辅助二极管附加损耗、能量有源回馈电路损耗等进行了计算。

　　因此，现阶段我国电力电子设备生产企业，在考虑提升IGBT模块能耗效率时，虽然受制于IGBT芯片本体无法改善的限制，但是还可以从优化IGBT模块电路拓扑结构、优化控制方法等角度出发，提升装置能效水平。

3电能质量类设备降损路径

　　根据上述分析，IGBT类电能质量治理设备的损耗主要由控制系统损耗、IGBT模块损耗、滤波电感及电容损耗组成。针对不同损耗部分，从设计、加工工艺、材料选择、控制系统优化等角度出发，均可降低其工作过程中的自身损耗，图4给出了基于IGBT模块的电能质量治理类设备降损路线图。

4 结论

SVG、APF和MEC均为主动补偿，三者主电路图组成基本一样，其主要区别在于系统控制策略的差异;IGBT类电能质量控制产品的主要损耗部分依次为IGBT模块损耗、滤波电感及电容损耗、控制系统损耗，其中，前两者损耗分别约占总损耗的50%和45%。

　　IGBT模块损耗主要包括通态损耗、开通损耗、开断损耗、断态损耗4种状态。其中，断态损耗值很小，一般予以忽略;而通态稳定时，通态损耗也基本维持在恒定水平。因此，开通损耗和关断损耗是影响IGBT模块损耗的主要状态。IGBT模块的开通损耗和关断损耗可通过优化控制方法，改善设备工作状况下的电压上升时间、负载电流、负载电压及控制开关的频率，实现降低损耗。

　　参考文献：

　　[1]张烨.电能在北京市终端能源消费的竞争力评价研究[D].北京：华北电力大学,2009.

　　[2]王伟,黄珂.电能替代战略：机遇、挑战与政策选择[J].华北电力大学学报(社会科学版)，2014,4：1-5.

　　[3]牛东晓,张烨,谷志红.电能在终端能源中的替代研究[J].现代经济,2008,79(6):61-62, 65.

　　[4]林海雪.现代电能质量的基本问题[J]. 电网技术,2001,25(10):5-12.

　　[5]董旭,祝勇刚,王枫，等.电能替代战略实施下的湖北地区未来电网发展模式探究[J].应用能源技术，2015,11:38-40.

　　[6]罗安.电能质量治理和高效用能技术与装备[M].北京:中国电力出版社,2014:1.

　　[7]王兆安.电力电子技术是电能质量控制的重要手段——特邀主编评述[J].电力电子技术,2004,38(6):1.

　　[8]夏兴国.电力电子器件损耗的测试与计算研究[J].齐齐哈尔大学学报,2016,32(1):1-5.

　　[9]殷炯,师蒙超,王玉斌,等.安装于集装箱中的SVG散热系统分析与改进[J].机电设备,2014(4)：46-50.

　　[10]宋静文.大功率光伏逆变器损耗模型的研究[J].广西：广西大学,2010:9.

　　[11]朱卫东.SVG产品的散热研究及实用设计[J].济南：山东大学,2013:11.

　　[12]胡建辉,李锦庚,邹继斌,等.变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计[J].电工技术学报，2009,24(3):159-163.

　　[13]曾江,陈浩平,刘艳.有效降低APF开关损耗的滞环宽度调节方法[J].电气传动自动化,2015，37(6)：15-20.

　　[14]衣鹏,王心坚,孙泽昌. IGBT数值模型及其损耗规律研究[J].机械与电子,2013(8):20-23.

　　[15]许德伟,朱东起,黄立培,等.电力半导体器件和装置的功率损耗研究[J].清华大学学报(自然科学版),2000,40(3):5-8.

　　[16]曾江,叶小军,刘艳,等.低开关损耗有源电力滤波器的滞环电流控制[J].华南理工大学学报(自然科学版),2009,37(11):76-82.

　　[17]雷烈波,李勇,胡广振,等.高压大容量静止同步补偿器的优化节能运行[J].高电压技术，2013，39(2)：488-495.

　　[18]王蓓蓓.电力电子开关换向过程能量吸收回馈方法研究[D].北京：北京交通大学,2015.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第6期第33页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。