微網電能質量治理裝置的工程實用技術

劉兵

摘 ?要：文章首先從開關器件的損耗分析入手，提出了一些降低裝置損耗的措施，采用多電平變換器拓撲以及軟開關控制技術等，并根據損耗分析結果對開關器件的選型進行指導;其次，對微網電能質量治理裝置在發生電網短路時的保護問題進行了分析，并對解決方案進行探究。

關鍵詞：開關器件;微網電能;電網短路

中圖分類號：TM761 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）36-0001-02

1 ?電力電子開關器件損耗分析

電壓源變流器損耗PTotal主要由IGBT損耗PT和反并聯二極管損耗PD組成。由開關過程中，IGBT和續流二極管的典型電壓電流波形可知，IGBT在開通和關斷過程中存在電壓、電流均不為零的時間段，期間就產生了開關損耗。同時，在其導通狀態下，由于正向導通壓降的存在，也會伴隨著導通損耗。一般可以忽略截止損耗和驅動損耗，因此IGBT損耗PT主要包括：通態損耗PTcon、開通損耗Pon、關斷損耗Poff。

IGBT的通態功耗由其正向導通壓降和導通電阻引起，其大小取決于流通過電流（受變流器輸出電流以及IGBT開關過程影響），同時受結溫的影響。

IGBT的開通和關斷功耗由IGBT的導通和關斷延遲引起，對于給定的控制參數和被忽略寄生元素，其大小取決于開關頻率、流通過的電流、直流母線電壓（開通和關斷過程，電壓變化范圍的一端就是母線電壓），同時受結溫的影響。

續流二極管損耗主要包括：反向恢復損耗、通態損耗。由于開通時間不長，考通損耗可以不作考慮。截止損耗由于其非常小的截止電流，也可以不予考慮。但反向恢復損耗則不同，其反向恢復時間并不短，且電壓電流值也并不小，因此一定不能忽略。FWD的通態損耗由其正向導通壓降和導通電阻引起，取決于流通過的電流（受變流器輸出電流以及IGBT開關過程影響），同時受結溫的影響。FWD反向恢復損耗由Diode的反向恢復過程引起，對于給定的續流二極管參數和省略了寄生元素，其大小取決于開關頻率、流通過的電流、直流母線電壓，同時受結溫的影響。

2 ?降地損耗的具體措施

根據本文第一節中關于開關器件損耗影響因素的分析，可以從PWM調制方式、變流器電路結構、開關控制方式以及開關器件選型等方面對裝置中的電力電子變換器進行損耗優化。

2.1 ?PWM調制方式

換流器損耗與開關頻率和調制策略有很大的關系，開關頻率和調制策略不同，對換流器損耗的影響也不同。相比正弦脈寬調制SPWM， 空間矢量脈寬調制SVPWM可以通過適當地分配零矢量，在同樣采樣周期的基礎上，每相每周期最多可有 120 °的扇區不開關，從而最多可將開關總次數減少1/3，如果在負載電流較大的區域不開關器件，將大大減小器件的開關損耗。相同輸出諧波水平下，空間矢量脈寬調制SVPWM 的開關頻率較SPWM平均降低約1/3，將降低50%的換流器開關損耗。

2.2 ?變流器電路結構

多電平變換器具有輸出波形諧波成分小、開關頻率低以及損耗小的優點，可以用于提高裝置效率。三電平變流器有不同的拓樸結構，如二極管箱位（NPC）三電平變流器、飛跨電容式三電平變流器、全橋級聯三電平變流器及一些改進型三電平拓撲。

2.3 ?選擇低損耗的開關元件和二極管等元器件

開關器件的導通壓降和導通電阻是產生損耗的根本原因，因此選擇合理的器件對于降低裝置損耗也有重要意義。選擇IGBT以及二極管時，在滿足成本要求的前提下，優先選擇正向導通壓降和導通電阻較小、開關損耗較小和工作結溫大的元件。

另外，隨著SiC功率半導體器件技術的發展，未來SiC器件也可能在降低損耗方面發揮重要作用。

3 ?短路時裝置的保護策略

3.1 ?微網電能治理裝置中IGBT的短路

隨著IGBT在微網電能質量治理裝置以及在電氣各個領域更為廣泛的應用，其應用環境也越來越不好，過電流現象以及短路現象不時地出現。但是對于電能質量治理裝置來說，不管從可靠性還是安全性方面考慮，這種功率半導體開關器件由于負載短路而燒壞的情況都是絕對不允許出現的。

當微網電能治理裝置發生短路故障時，首先考慮IGBT處于何種工作狀態。如果IGBT導通狀態下發生短路情況，由于電感在直流回路中特別小，因此其短路電流將會特別大，這在IGBT的使用中是一定不能出現的情況。實際運行過程中，IGBT在短路狀態下通常要通過一定的技術措施來限制流通過它的短路電流。

電能治理裝置中IGBT的短路電流和功耗是由短路回路中的總電感量決定的。當回路中電感量數值較大時，IGBT關斷過程中的di/dt比較小，則IGBT的飽和狀態將會被延緩。為了保護IGBT 器件免受該過電壓的沖擊，需要將該電壓尖峰控制在 IGBT額定反向截止電壓之下。

在電感量數值較小的情況下，IGBT關斷過程中的電流變化率di/dt就會比較大。因此，IGBT將會迅速進入退飽和階段，并伴隨著結溫快速上升現象。

3.2 ?短路保護的主要措施

基于以上分析，微網電能治理裝置中IGBT的短路保護策略應綜合考慮器件可能受到的各種短路電流沖擊，具體安全措施包括以下幾個方面。

3.2.1 ?降低回路中的短路電流值

在系統短路情況下，IGBT的端電壓Uce將會逐漸上升到直流母線的額定電壓等級。短路過程持續時間越長，半導體器件的導通損耗和開關損耗就會越大。如果散熱系統不能及時將這部分損耗導致的熱量傳遞出去，IGBT結溫將會劇烈升高，達到一定程度則會使IGBT發生永久性損壞。

因此，當發生短路時，必須將回路中的短路電流進行限制，避免出現上述危險情況的發生。另外，當系統檢測到短路故障發生時，應該快速控制驅動電路撤銷IGBT的驅動信號，將短路電流對IGBT和濾波電容等元器件的沖擊程度降到最低，保障裝置內內開關器件的安全。

3.2.2 ?關斷速度的設計

一般來說，在關斷過程中，大功率IGBT在通常情況下的電流變化速率是特別大的，典型值為1000 A/ us。假設電路中的寄生電感大小為200 nH， 則正確關斷過程中一般會產生200 V以上的沖擊電壓。因此在設計IGBT短路保護時，要充分考慮關斷過程中電流變化速率在回路寄生電感中所產生的沖擊電壓的限制，盡可能使IGBT的關斷過程持續時間較長。

因此，可以適當降低柵極電壓，使得短路情況下的電流變化率與正常關斷時相近。

3.2.3 ?短路保護的時限設計

從IGBT 短路狀態時所承受的電壓、電流和極高功率沖擊的考慮，IGBT的短路持續時間越短越有利于保持良好狀態。在實際應用過程中，短路保護電路的動作時決定了短路持續時間。動作時間包括了檢測電路響應時間、驅動電路的延遲時間、避免二極管反向恢復效應所造成的“假短路”需要的時間以及安全裕量的考慮等。從恢復過電流/短路的檢測，到檢測與信息處理電路做出短路保護動作同樣需要時間，其造成的時間延遲大約為1～2 us。系統中驅動電路從輸入到輸出的時間延遲一般在0.2 us左右。

除此之外，仍需注意，短路保護狀態下IGBT的關斷過程為慢關斷過程。

因此，從檢測系統和信息處理電路做出短路保護指令起到IGBT的徹底關斷大約需要1～2 us。考慮上述所有的延遲時間后，還需保持一定的安全裕量時間以確保IGBT在短路狀態下能夠安全可靠的關斷。

4 ?結 ?語

降低微網電能質量治理裝置的損耗對于節約能源、減小散熱器體積具有重要意義。微網電能質量治理裝置的主體往往是各種拓撲的電力電子變流器，因此其損耗主要是由變流器內工作于高頻開關狀態開關器件（IGBT等）造成的。通過對裝置降損策略和短路保護方案這兩方面工程實用技術的探究，有利于推動微網電能質量治理裝置在電力系統中更好地發展。

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