基于IGBT模块的电能质量治理设备能耗状况及节能分析

各主要损耗部分的占比情况，如图2所示。可以看出，SVC与SVG及其他IGBT类电能质量控制设备损耗构成的差别在于不存在IGBT模块损耗，而对于具有IGBT模块的各类设备，IGBT模块的损耗占比总损耗最大约为50%，其次为滤波电感、电容损耗，约45%，其余为控制系统部分及其他损耗，约5%。可以看出，IGBT类电能质量控制产品的两大主要损耗为IGBT模块损耗、滤波电感及电容损耗，这两部分是降低设备自身工作损耗潜力的重点挖掘对象。

2 IGBT模块损耗节能路径分析

2.1 IGBT模块损耗构成

由1.2部分可知，基于IGBT模块的主回路损耗是SVG、APF、MEC等设备在工作状态下的主要损耗之一。IGBT模块的损耗主要源自于内部IGBT及二级管(续流FWD、整流芯片)的损耗，主要是IGBT和FWD产生的损耗[11]。在实际的电力电子变换装置中，装置的IGBT损耗、FWD损耗、总损耗有如下计算关系^[15]：

IGBT总损耗：

(1)

FWD总损耗：

(2)

总损耗：

(3)

式中，P_l,s-on、P_l,s-off和P_l,s-st为第l个IGBT的平均开通、关断和通态损耗;P_l,d-off和P_l,d-st分别为第l个FWD_i的平均关断和通态损耗。

进一步，第l个器件上IGBT的平均开通、关断和通态损耗，可按如下公式计算：

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