基于IGBT模塊的電能質(zhì)量治理設(shè)備能耗狀況及節(jié)能分析

2.2 應(yīng)用層面實(shí)現(xiàn)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(tài)，即通態(tài)損耗、開通損耗和開斷損耗，分別對(duì)應(yīng)導(dǎo)通、開通、開斷工作狀態(tài)，其總損耗為三者之和。實(shí)際上，除此之外還存在斷態(tài)損耗(漏電流引起，對(duì)應(yīng)斷開狀態(tài))，但其值很小，一般予以忽略^[13,16]。并且，通態(tài)穩(wěn)定時(shí)，通態(tài)損耗也基本維持在恒定水平，因此，重點(diǎn)研究和考慮的是開通損耗和關(guān)斷損耗的變化影響^[13]。

　　影響IGBT開通損耗和關(guān)斷損耗的原因很多，除與IGBT芯片自身外，還受到包括驅(qū)動(dòng)電路的電壓上升時(shí)間、負(fù)載電流、負(fù)載電壓及控制開關(guān)的頻率等因素影響^[11,14]。

　　根據(jù)以上分析，在實(shí)際使用過程中，IGBT模塊從幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)降損節(jié)能，如圖3所示。

　　考慮到現(xiàn)階段我國(guó)IGBT的自主生產(chǎn)水平及使用現(xiàn)狀，本文重點(diǎn)探討除IGBT本體結(jié)構(gòu)以外的負(fù)載電壓、負(fù)載電流、開關(guān)頻率等工作狀態(tài)參數(shù)對(duì)其損耗的影響規(guī)律，以求通過優(yōu)化控制等手段，從使用層面降低其損耗。

　　進(jìn)一步，IGBT開通、關(guān)斷損耗可按如下公式計(jì)算^[17]：

　　分析公式(9)、(10)可知，IGBT開通、關(guān)斷損耗與工作狀態(tài)下電壓、電流及開關(guān)頻率均呈正相關(guān)關(guān)系，這與文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[13]、文獻(xiàn)[14] 等研究結(jié)論相一致。

　　因此，要降低IGBT工作損耗，在實(shí)際使用層面可通過降低其工作狀態(tài)下電壓、電流及開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)。

　　文獻(xiàn)[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(huán)寬度調(diào)節(jié)方法，該方法解決了傳統(tǒng)滯環(huán)電流采用的固定滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)方法存在的，在滯環(huán)寬度過小時(shí)，較大的負(fù)載電流變化率會(huì)導(dǎo)致較高開關(guān)頻率，從而增大了開關(guān)損耗的問題?？蓪?shí)現(xiàn)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(guān)損耗。

　　文獻(xiàn)[8]也指出通過優(yōu)化IGBT使用環(huán)境、性能參數(shù)，以及最優(yōu)的電路拓?fù)?，可以減少器件損耗的產(chǎn)生，加大變換裝置的能源利用效率。

　　文獻(xiàn)[18]對(duì)軟開關(guān)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)電力電子變換器開關(guān)損耗的方法進(jìn)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(guān)特性方面對(duì)四種拓?fù)溥M(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)其主開關(guān)管的開關(guān)損耗、輔助二極管附加損耗、能量有源回饋電路損耗等進(jìn)行了計(jì)算。

　　因此，現(xiàn)階段我國(guó)電力電子設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，在考慮提升IGBT模塊能耗效率時(shí)，雖然受制于IGBT芯片本體無法改善的限制，但是還可以從優(yōu)化IGBT模塊電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化控制方法等角度出發(fā)，提升裝置能效水平。

3 電能質(zhì)量類設(shè)備降損路徑

　　根據(jù)上述分析，IGBT類電能質(zhì)量治理設(shè)備的損耗主要由控制系統(tǒng)損耗、IGBT模塊損耗、濾波電感及電容損耗組成。針對(duì)不同損耗部分，從設(shè)計(jì)、加工工藝、材料選擇、控制系統(tǒng)優(yōu)化等角度出發(fā)，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(zhì)量治理類設(shè)備降損路線圖。

4 結(jié)論

　　SVG、APF和MEC均為主動(dòng)補(bǔ)償，三者主電路圖組成基本一樣，其主要區(qū)別在于系統(tǒng)控制策略的差異;IGBT類電能質(zhì)量控制產(chǎn)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(tǒng)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(tài)損耗、開通損耗、開斷損耗、斷態(tài)損耗4種狀態(tài)。其中，斷態(tài)損耗值很小，一般予以忽略;而通態(tài)穩(wěn)定時(shí)，通態(tài)損耗也基本維持在恒定水平。因此，開通損耗和關(guān)斷損耗是影響IGBT模塊損耗的主要狀態(tài)。IGBT模塊的開通損耗和關(guān)斷損耗可通過優(yōu)化控制方法，改善設(shè)備工作狀況下的電壓上升時(shí)間、負(fù)載電流、負(fù)載電壓及控制開關(guān)的頻率，實(shí)現(xiàn)降低損耗。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]張燁.電能在北京市終端能源消費(fèi)的競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)研究[D].北京：華北電力大學(xué),2009.

　　[2]王偉,黃珂.電能替代戰(zhàn)略：機(jī)遇、挑戰(zhàn)與政策選擇[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)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(xiàn)代經(jīng)濟(jì),2008,79(6):61-62, 65.

　　[4]林海雪.現(xiàn)代電能質(zhì)量的基本問題[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2001,25(10):5-12.

　　[5]董旭,祝勇剛,王楓，等.電能替代戰(zhàn)略實(shí)施下的湖北地區(qū)未來電網(wǎng)發(fā)展模式探究[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2015,11:38-40.

　　[6]羅安.電能質(zhì)量治理和高效用能技術(shù)與裝備[M].北京:中國(guó)電力出版社,2014:1.

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

　　[8]夏興國(guó).電力電子器件損耗的測(cè)試與計(jì)算研究[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào),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(tǒng)分析與改進(jìn)[J].機(jī)電設(shè)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(xué),2010:9.

　　[11]朱衛(wèi)東. SVG產(chǎn)品的散熱研究及實(shí)用設(shè)計(jì)[J].濟(jì)南：山東大學(xué),2013:11.

　　[12]胡建輝,李錦庚,鄒繼斌,等.變頻器中的IGBT模塊損耗計(jì)算及散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009,24(3):159-163.

　　[13]曾江,陳浩平,劉艷.有效降低APF開關(guān)損耗的滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)方法[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2015，37(6)：15-20.

　　[14]衣鵬,王心堅(jiān),孫澤昌. IGBT數(shù)值模型及其損耗規(guī)律研究[J].機(jī)械與電子,2013(8):20-23.

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

　　[16]曾江,葉小軍,劉艷,等.低開關(guān)損耗有源電力濾波器的滯環(huán)電流控制[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(bǔ)償器的優(yōu)化節(jié)能運(yùn)行[J].高電壓技術(shù)，2013，39(2)：488-495.

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

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