基于IGBT損耗模型的STATCOM中開關模塊的損耗分析

鄧穎容

(長沙供電分公司，湖南 長沙 410000)

基于IGBT損耗模型的STATCOM中開關模塊的損耗分析

鄧穎容

(長沙供電分公司，湖南 長沙 410000)

STATCOM作為柔性交流輸電系統中的重要成員之一，由于其體積小，容量大，調節連續，響應快等優勢，在電力系統中的應用越來越廣泛。以電壓型STATCOM為基礎，針對其中存在的大量的IGBT開關模塊，結合IGBT自身的物理與數學結構，提出了一種在STATCOM工作特性之下的IGBT損耗分析。實驗證明，此方法在精度與運算速度上都能較好的實現工程需要，具有一定的應用價值。

STATCOM;IGBT;損耗分析

1 引言

在我們日常生活用電以及工業等用電中，由于存在有大量的非線性、沖擊性裝置，這些非線性、沖擊性負載已經大大影響了設備的運行[1,3]，且易增加設備容量，使得電網中存在有大量的無功，影響電網的電能質量。為了解決由此造成的功率因數降低的問題，需要裝設無功補償設備。現有的補償無功，解決諧波等電能質量問題的方法大體分為兩種[4-7]：一種是利用電力電子裝置本身的性能進行改進；一種是安裝無功補償裝置。相對而言，后者較為簡單，實施方便，故應用較為廣泛。實際應用中的無功補償裝置大體分為三類：低壓無功補償裝置；無源濾波裝置與同步補償器。近年來，隨著電力電子技術的發展，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)逐漸走進人們的視野[8-9]，其作為開關元件具有驅動功率小，開關頻率高的特點取代了傳統STATCOM中作為開關元件的GTO。然而，由于STATCOM的容量大，開關模塊多，且開關頻率高，對其開關元件的損耗分析尤其是IGBT及其反向串聯晶閘管的損耗分析顯得尤為重要。本文基于IGBT的物理結構與數學結構提出針對STATCOM中的開關模塊做出其損耗分析，具有一定的意義。

2 STATCOM的主電路結構

2.1 STATCOM的基本結構

圖1 STATCOM的單機-無窮大系統及其網絡圖

STATCOM主電路結構一般分為電壓型與電流型兩種，本文主要采用電壓型橋式電路。圖1所示為一個中點接有STATCOM的單機-無窮大系統及其網絡圖。

由圖2所示的U-I特性曲線中的非線性區域可知STATCOM具有電源特性，因此在其等值電路圖中采用的是可控電源替代。

在實際模擬過程中，STATCOM可分為3個部分：一是消除逆變過程中產生的高次諧波的電抗器；二是起續流作用并通過脈寬調制技術控制的IGBT及其反向二極管的開關模塊，也是本文的損耗分析的對象；三是為裝置提供電壓的直流側電容。

圖2 U-I特性曲線

2.2 STATCOM的工作原理

STATCOM的主要功能便是快速跟蹤負荷電流，分析其諧波，無功以及不對稱分量等并實時產生補償電流，調節無功功率問題。從圖3可知，整個STATCOM裝置相當于一個可控的電壓源，因此假定STATCOM側的空載電壓為U1，系統相電壓為US，其連接阻抗為X，可求得其輸出電流為

(1)

從而可以得出其單相輸出無功為

(2)

圖3 STATCOM系統裝置圖

由式(2)可知，當STATCOM側電壓高于系統側電壓，即U1>US時，裝置向系統注入無功，等效為在系統中并聯一個電容，其原理如圖4所示。

圖4 STATCOM工作原理圖(U1>US)

當STATCOM側電壓低于系統側電壓時，即U1

圖5 STATCOM工作原理圖(U1

3 IGBT開關模塊的暫態分析

基于STATCOM中所用的IGBT模塊形式，將IGBT開關模塊的物理與數學模型代入其中，進行損耗分析。

IGBT開關模塊的損耗分析與暫態分析，國內外也有許多關于這方面的文章。但大多數考慮的因素比較多，存在有缺陷。一般廠家只是簡單的提供了特殊工況下的損耗參數與曲線，對于IGBT開關模塊作為STATCOM中的開關模塊的暫態分析與損耗而言，應根據其特性與實際實驗得出的參數，再結合廠家提供的參數，進行曲線擬合，得出其精確值。

3.1 基于物理結構與數學方法的IGBT損耗模型

通過分析IGBT內部結構，以及載流子等的工作情況，運用各種電氣元件來模擬IGBT的工作過程，并結合IGBT的數學結構的方法，從而擬合出精確的STATCOM中IGBT的損耗曲線，達到分析的目的。

IGBT的一般物理結構有Hefner，sheng，Kraus等物理模型(分別如圖6～8所示)，通過分析比較各物理模型，并結合IGBT在STATCOM中的實際工作情況，本文選用其sheng結構來進行模擬如圖9所示。主要歸因于sheng物理結構主要用于D-IGBT，其特點是在描述IGBT靜態特性時，采用二維載流子分布的方法，同時考慮了期間的動態特性與溫度的影響。

圖6 Saber軟件中的Hefner模型圖

在將IGBT的物理結構模型搭建完畢之后，本文的重心就在于將先進的數學方法引入其暫態與損耗分析中來。基于IGBT的數學方法研究，國內外專家已經給出了許多種。但是大多數由于其考慮的因素不全面，使得計算不精確；一部分沒有考慮到IGBT在不同的電氣設備中的工作情況，使得計算誤差較大。

其數學方法有指數方法、線性化方法、多項式方法、三角形方法等，但這些數學方法都或多或少有其不足之處。如果單純采用其數學方法進行計算，其計算量較大，且不能依據其實際工作情況，會產生一定誤差。而一般廠家也只提供特殊情況下IGBT的損耗參數或者曲線，且不能考慮實際工作中，IGBT的溫度，電壓以及模型對其的影響。因此本文所采取的措施為運用TSC中IGBT的sheng物理結構的實際工作情況，并結合廠家所給出的技術參數，采用線性化方法與指數方法結合的數學方法。

圖7 Kraus模型圖

圖8 sheng模型圖

圖9 STATCOM中IGBT的損耗模型

4 損耗分析

4.1 導通損耗

根據廠家提供的IGBT導通時電壓電流參數，與實際測量得到的在TSC中IGBT導通時刻電壓電流實際參數進行比對與校驗，得到IGBT典型的電壓/電流曲線如圖10所示。

圖10 IGBT典型的電壓/電流曲線圖

由于負載是感性的，因此在載波周期時間τ內，電流流過IGBT的時間為ατ，而余下的(1-α)τ時間內，電流流過反向二極管。因此，此時的導通損耗將記及IGBT的導通損耗以及反向二極管的損耗兩部分。

在TSC的控制方式下，設調制函數為g(α)，θ為電流與電壓之間的相角，而調制系數為N。由此可得占空比為：

(3)

因此計算得知在第K個載波周期內，IGBT的導通損耗為：

(4)

4.2 開通損耗

在計算IGBT的開通損耗時，不僅僅要考慮其電流，集電極電壓，還應考慮IGBT在各結溫下的不同損耗特性。本文采用的IGBT的型號為G40N150D。根據廠家提供的IGBT在不同結溫，電流下的開通損耗表如表1所示。

表1 IGBT在不同結溫，電流下的開通損耗表 mJ

由于其開通損耗相對來說較小，且須根據實際結溫情況，故本文對于STATCOM中IGBT的開通損耗采用結合廠家所給資料，結合IGBT實際工作情況取定。

4.3 關斷損耗

IGBT的損耗分為靜態損耗與動態損耗。而動態損耗包括之前提到的開通損耗，以及本節將講到的關斷損耗。由圖11所得的IGBT典型開關波形可以看出，在關斷時，電流與時間的關系成一定比例關系。

圖11 IGBT典型開關波形

取下降時間為tf，根據廠家所提供的資料進行比較，得到m=0.7,n=0.3。可近似求得tf。

(5)

由此可計算得知其關斷損耗為：

(6)

從而計算得出的關斷損耗功率為：

(7)

5 總結

依據本文第2節所提出的在STATCOM中的IGBT開關模塊的物理結構與數學結構，結合公式(4)～(7)，可以分析得出IGBT開關模塊的損耗。為了驗證本文方法的有效性與實用性，取型號為G40N150D的IGBT作為本次仿真與實驗的樣本。表2為其簡要參數。

表2 型號為G40N150D的IGBT的參數表

經實驗與仿真得知，本文所搭建的物理結構和數學模型，在對IGBT作為STATCOM中開關模塊進行損耗分析時，具有較好的精確度與實用性。

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Loss Analysis of STATCOM Switching Module Based on IGBT Loss Model

DENGYing-rong

(Changsha Power Supply Branch，Changsha 410000,China)

STATCOM as an important member of the FACTS,because of its small size,large capacity,adjusting continuous,fast response and other advantages,the applications in the power system are more and more widely.This paper is based on the voltage type STATCOM,for which there is a lot of IGBT switch modules,combined with the physical and mathematical structure of IGBT itself,we presents an analysis under the STATCOM characteristics of IGBT loss.Experiments show that,this method realizes the needs in the engineering precision and speed,this method has certain application value.

STATCOM;IGBT;loss analysis

1004-289X(2015)03-0049-05

TM71

B

2014-05-03

鄧穎容(1990-)女，助理工程師,長沙市電力局。