基于IGBT模塊的電能質(zhì)量治理設備能耗狀況及節能分析

2.2 應用層面實(shí)現IGBT模塊降損路徑

　　由公式(1)～(8)可知，器件在工作過(guò)程中，IGBT模塊損耗主要包括3種狀態(tài)，即通態(tài)損耗、開(kāi)通損耗和開(kāi)斷損耗，分別對應導通、開(kāi)通、開(kāi)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，對應斷開(kāi)狀態(tài))，但其值很小，一般予以忽略^[13,16]。并且，通態(tài)穩定時(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(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗的變化影響^[13]。

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

　　根據以上分析，在實(shí)際使用過(guò)程中，IGBT模塊從幾個(gè)方面實(shí)現降損節能，如圖3所示。

　　考慮到現階段我國IGBT的自主生產(chǎn)水平及使用現狀，本文重點(diǎn)探討除IGBT本體結構以外的負載電壓、負載電流、開(kāi)關(guān)頻率等工作狀態(tài)參數對其損耗的影響規律，以求通過(guò)優(yōu)化控制等手段，從使用層面降低其損耗。

　　進(jìn)一步，IGBT開(kāi)通、關(guān)斷損耗可按如下公式計算^[17]：

　　分析公式(9)、(10)可知，IGBT開(kāi)通、關(guān)斷損耗與工作狀態(tài)下電壓、電流及開(kāi)關(guān)頻率均呈正相關(guān)關(guān)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(shí)際使用層面可通過(guò)降低其工作狀態(tài)下電壓、電流及開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)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(huán)寬度調節方法，該方法解決了傳統滯環(huán)電流采用的固定滯環(huán)寬度調節方法存在的，在滯環(huán)寬度過(guò)小時(shí)，較大的負載電流變化率會(huì )導致較高開(kāi)關(guān)頻率，從而增大了開(kāi)關(guān)損耗的問(wèn)題?？蓪?shí)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(kāi)關(guān)損耗。

　　文獻[8]也指出通過(guò)優(yōu)化IGBT使用環(huán)境、性能參數，以及最優(yōu)的電路拓撲，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[18]對軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在實(shí)現電力電子變換器開(kāi)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(wú)源軟開(kāi)關(guān)特性方面對四種拓撲進(jìn)行對比分析，并對其主開(kāi)關(guān)管的開(kāi)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)行了計算。

　　因此，現階段我國電力電子設備生產(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(wú)法改善的限制，但是還可以從優(yōu)化IGBT模塊電路拓撲結構、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(lèi)設備降損路徑

　　根據上述分析，IGBT類(lèi)電能質(zhì)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(yōu)化等角度出發(fā)，均可降低其工作過(guò)程中的自身?yè)p耗，圖4給出了基于IGBT模塊的電能質(zhì)量治理類(lèi)設備降損路線(xiàn)圖。

4 結論

　　SVG、APF和MEC均為主動(dòng)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(lèi)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(kāi)通損耗、開(kāi)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)穩定時(shí)，通態(tài)損耗也基本維持在恒定水平。因此，開(kāi)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(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗可通過(guò)優(yōu)化控制方法，改善設備工作狀況下的電壓上升時(shí)間、負載電流、負載電壓及控制開(kāi)關(guān)的頻率，實(shí)現降低損耗。

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