电力电子系统中器件利用率计算与评估方法｜大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制专题

清华大学电机系电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室的研究人员孙建宁、袁立强、谷庆、李婧、赵争鸣，在2017年第14期《电工技术学报》上撰文指出，电力电子系统性能评估有不同的评价指标，其中器件利用率是一个很重要的指标，但鲜有系统化的评价方法。在电力电子系统设计过程中，对于半导体开关器件的选型主要由工程经验确定，没有定量方法的指导。

以电能路由器为例，提出一种计算和评估电力电子系统中器件利用率的方法，应用于各种不同的组合电路中，通过对电路及器件参数的分析与计算，得到器件利用率的结果。器件利用率的数值越高，说明器件利用程度越高。对不同方案的器件利用率进行计算与比较，得出不同方案中器件利用程度的定量对比结果，以此作为器件选型的定量依据。通过具体实例分析器件利用率的应用场景，验证了器件利用率计算和评估方法的有效性。

近年来，随着化石能源的枯竭与各种新能源发电的快速发展与接入，新一代电网需要更强的接纳和提高新能源并网发电的能力，同时电网的可控性与可靠性也需要达到更高的水平[1,2]。其中，相应的电力电子变换系统成为其重要保证，而如何评价电力电子变换系统优劣又是其关键问题。电力电子系统性能评估有不同的评价指标，其中器件利用率是重要指标之一。

在评价众多电力电子系统方案的优劣时，需要确定具体标准进行比较。由于半导体器件所处的核心地位，各实现方案对半导体器件的使用情况将成为电力电子系统性能好坏的重要决定因素。充分合理的利用半导体器件，将使得电力电子系统的总体性能得以提升。因此，如何衡量电力电子系统中半导体器件的使用情况是研究重点。

早期器件的选型与变换器参数的设计是以器件安全工作区（Safe Operating Area, SOA）作为依据[3]；随后有文献提出填充率的概念，在半导体器件工作电压电流图中将变换器实际运行区域与变换器最大运行区域参数进行对比计算，得出填充率，作为衡量变换器优劣的评价标准。

文献[4-6]不仅考虑半导体器件本身的参数与性能，还将变换器其他元件以及杂散参数引入分析，提出系统安全工作区（Systematic SafeOperating Area, SSOA）的概念，并利用此概念进行变换器及器件参数的选择与分析。文献[7]在进行设计时，提出将器件总数量作为评价指标，并通过拓扑组合的设计有效减少了器件总数。

文献[8]在进行系统的设计时，则全面考虑了变换器输出电平数、单个器件电压电流等级、通态损耗、开关损耗、开关频率以及元器件数量等多个因素，并据此完成优化设计。

上述几种评价方法中，安全工作区和填充率可以考虑器件本身的参数，但无法将器件数量与组合方式引入分析；单纯的以器件数量作为衡量标准，又缺失了对器件参数的考量。文献[8]针对器件使用情况进行了全面的分析，但所需工作量太大，难以进行普遍适用和快捷的应用。

本文以典型多器件组合的电力电子系统——电能路由器为对象，从半导体器件的利用程度为切入点，根据半导体器件最主要的参数，即阻断电压和导通电流，提出器件利用率的概念，并给出其计算及应用的方法。器件利用率并非针对单个器件，而是以能够独立进行能量变换的组合电路作为基本单元，通过多个单元的组合关系来描述整个电力电子变换器中器件利用情况的物理量。

它受到电路拓扑、器件参数选取以及器件数量等多个因素的影响。器件利用率越高，说明拓扑、器件选择和电路参数等因素的匹配程度越好，方案设计越合理。器件利用率是电力电子电路与系统设计的一个关键参数，可作为评价方案优劣程度的重要指标。

图7  电能路由器的子模块级联结构与MMC结构

结论

本文提出了一种分析电力电子变换器半导体器件利用率的方法，以电能路由器结构和参数为例进行了分析评估。利用本文所提出的器件利用率的概念，可以清楚明确地用定量的方式来比较不同电路结构的器件利用程度。在进行电路设计时，可以通过器件利用率的比较来从多种方案中选取最优结果。

本文提出的器件利用率的计算及评估方法是电力电子系统设计的一个有效的辅助工具。在综合考虑各种设计需求的同时，进行适当的器件利用率分析，可以使方案选取和优化变得更加高效，为电力电子系统设计提供帮助。