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基于中性点对地电压高频开关振荡的变频电机绕组内部绝缘在线监测

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中国电机工程学报 2024年第2期44卷 817-826,I0032页

作者：李豪李耀向大为李宇昂上海电力大学电气工程学院上海市杨浦区200090 同济大学电子与信息工程学院上海市嘉定区201804

绝缘状态在线监测是提高变频电机可靠性的有效手段。在高速PWM开关暂态激励下,电机绕组漏感与内部分布电容发生谐振会产生几十至几百k Hz的电压振荡,威胁绕组内部绝缘安全可靠运行。该文利用逆变器自激高频开关振荡在线监测绕组内部绝... 详细信息

绝缘状态在线监测是提高变频电机可靠性的有效手段。在高速PWM开关暂态激励下,电机绕组漏感与内部分布电容发生谐振会产生几十至几百k Hz的电压振荡,威胁绕组内部绝缘安全可靠运行。该文利用逆变器自激高频开关振荡在线监测绕组内部绝缘状态。为避免开关振荡多模态混叠并提高状态监测灵敏度,提出一种基于中性点对地电压高频开关振荡的绝缘在线监测方法。首先,分析变频电机共模电压激励特性;然后,研究中性点对地电压高频开关振荡的形成机理与特性,从理论上推导出振荡频率与绕组内部绝缘电容状态之间的关系。设计绕组内部绝缘在线监测方案,包括开关振荡频率提取以及内部绝缘状态评估等。最后,通过热疲劳与老化模拟等实验对该方法的可行性与有效性进行验证。结果表明,该方法能有效监测变频电机内部绕组绝缘状态的微弱变化,具有信噪比高、工况鲁棒等优点。

关键词：变频电机绕组内部绝缘开关振荡中性点对地电压绝缘状态监测

不同封装结构SiC MOSFET的开关振荡分析

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电力电子技术 2024年第5期58卷 138-140页

作者：欧宏李伟邦方玉鑫花清源南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司) 江苏南京211106 南京南瑞半导体有限公司江苏南京211100

此处分析了不同封装结构碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)在开关过程中振荡的产生原因和影响因素。首先建立简化电路模型,准确计算出开关稳态后电压振荡的时域表达式,该电路模型考虑了器件的相关性能参数、器件和电路... 详细信息

此处分析了不同封装结构碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)在开关过程中振荡的产生原因和影响因素。首先建立简化电路模型,准确计算出开关稳态后电压振荡的时域表达式,该电路模型考虑了器件的相关性能参数、器件和电路中的寄生参数。其次通过Matlab软件对模型中的时域表达式进行波形拟合。最后搭建了双脉冲测试平台,实验验证了模型的精确性,也具体量化了不同参数对开关振荡的影响。

关键词：晶体管开关振荡寄生参数电路模型

主绝缘劣化对变频电机宽频开关振荡特性的影响

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电力自动化设备 2022年第9期42卷 218-224页

作者：顾奕李豪向大为严浩郑燕杨兴武上海电力大学电气工程学院上海200090 同济大学电子与信息工程学院上海201804

为研究主绝缘劣化对变频电机开关瞬态宽频振荡特性的影响,建立了计及功率器件开关暂态过程和主绝缘状态的变频调速系统宽频域模型,分析了宽频开关振荡电流的主导模态及其传导路径,探索主绝缘电容变化对开关振荡电流幅频响应特征的作用... 详细信息

为研究主绝缘劣化对变频电机开关瞬态宽频振荡特性的影响,建立了计及功率器件开关暂态过程和主绝缘状态的变频调速系统宽频域模型,分析了宽频开关振荡电流的主导模态及其传导路径,探索主绝缘电容变化对开关振荡电流幅频响应特征的作用规律。仿真和实验结果表明:开关振荡电流主要包含高频差模、高频共模和中频共模3个主导模态分量。开关振荡中频共模分量电流可以渗透进电机绕组内部,其幅频响应特征与主绝缘电容参量有关:共模串联谐振频率随主绝缘电容增加而减小,靠近串联谐振点的幅值特征随主绝缘电容增加而增加,从而为变频电机绝缘在线状态监测提供了一种新的思路。

关键词：变频电机主绝缘开关振荡电流传导路径绝缘劣化

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变频电机电缆老化下的高频开关振荡特性研究

电力电子技术 2023年第8期57卷 43-45,54页

作者：高鹏举顾奕马金龙李豪上海电力大学电气工程学院上海200090 国网上海市电力公司浦东供电公司上海200120

交流电缆是逆变器电机系统中传输电能的关键部件。针对变频电机系统电缆早期状态劣化特征微弱的问题,通过理论和实验研究了变频电机电缆老化下的高频开关振荡特性。首先,建立了三相四芯电缆的高频等效模型并分析了电缆绝缘劣化对绝缘电... 详细信息

交流电缆是逆变器电机系统中传输电能的关键部件。针对变频电机系统电缆早期状态劣化特征微弱的问题,通过理论和实验研究了变频电机电缆老化下的高频开关振荡特性。首先,建立了三相四芯电缆的高频等效模型并分析了电缆绝缘劣化对绝缘电容参数的影响。然后,研究了电缆绝缘电容变化对系统差模开关振荡频率和阻尼特征的影响。最后通过加速热老化实验在3 kW感应电机对拖系统中进行了验证,实验结果表明,电缆加速老化后开关振荡频率变化了2.09%、阻尼变化了13.08%、阻尼特征相比于频率特征更加灵敏。该研究可为变频电机电缆早期劣化状态监测提供理论支撑。

关键词：变频电机电缆开关振荡频率阻尼

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碳化硅MOSFET开关振荡抑制方法研究

碳化硅MOSFET开关振荡抑制方法研究

作者：许梦伟湖南大学

学位级别：硕士

宽禁带材料碳化硅(silicon carbide,SiC)相对于传统材料硅在饱和漂移速度、临界击穿场强及热导率等方面具有绝对的优势。这使得功率半导体SiC MOSFET开关频率更高、导通电阻更小、高温耐受力更好,因此在新能源汽车、光伏风电、智能电网... 详细信息

宽禁带材料碳化硅(silicon carbide,SiC)相对于传统材料硅在饱和漂移速度、临界击穿场强及热导率等方面具有绝对的优势。这使得功率半导体SiC MOSFET开关频率更高、导通电阻更小、高温耐受力更好,因此在新能源汽车、光伏风电、智能电网等中高功率系统中正发挥着越来越重要的作用。然而,在实际情况中,SiC MOSFET由于快速开关以及低阻尼特性,会导致功率回路寄生电感与自身寄生电容之间发生谐振而造成严重的开关振荡。这种现象不仅会加剧系统的电磁干扰,还可能会引起功率器件的误动作甚至损坏设备,影响系统的可靠运行。除此之外,开关瞬态期间由寄生电感引起的过电压,将增加功率器件的电压应力,所以不得不留有更多的电压裕量来保证其安全性,这无疑增加了设计成本。这些亟待解决的问题阻碍了SiC MOSFET的广泛应用。因此,为充分发挥SiC MOSFET的性能优势,需要对这些现象产生的原因进行深入分析并找到适合的解决办法。本文对现有的缓冲电路分析后,针对RC缓冲和C-RC缓冲提出了相应的优化设计方法,并将其应用至逆变器以观察它们对开关波形的改善效果。现有的设计方法主要存在以下不足:系统特征根的虚部反拉氏变换后引入的衰减正弦项恰好表现为瞬态期间的开关振荡。先进的缓冲设计正是基于这一原则,通过调整缓冲参数将极点全部配置在负实轴上或者尽可能提高极点阻尼比从而抑制振荡。然而,有关RC缓冲设计的研究工作,为便于计算没有考虑由功率器件引线键合而造成的封装寄生,因此最终得到的缓冲参数实际上不能完全抑制开关振荡。对于C-RC缓冲而言,现有的研究没有详细讨论不同缓冲参数如何影响极点的阻尼比,因此没有系统地分析各参数的振荡抑制性能。除开关振荡外,同样需要仔细讨论由回路寄生电感所导致的关断电压过冲以及开关瞬态期间母线电压波动所引起的缓冲损耗。值得注意得是,实际应用中变换器中大多采用桥臂结构,并且开关器件处于连续运行状态。因此对于缓冲电路而言,基于双脉冲测试的理论设计与实际的变换器应用之间也存在一定的差距。所以为了解决上述问题,本文的主要研究内容如下:(1)提出了抑制SiC MOSFET开关振荡的RC缓冲优化设计方法。首先,根据双脉冲电路建立了开关振荡的二端口网络,通过求解Z参数矩阵得出了系统的特征方程,而非推导特定输入与输出的传递函数。其次,利用穷举法建立了可以将系统极点完全配置在实轴上的RC缓冲区域,因此该区域可以获得最佳的振荡抑制性能。与现有的RC缓冲设计对比,结果表明忽略寄生参数将显著影响缓冲区域,从而突出了所提出方法的优势。然后,通过仿真与实验验证阐述了该方法的有效性。最后,进一步讨论了缓冲重叠区域的存在条件,给出了缓冲区域中的损耗分布并据此说明了选取缓冲元件时需要考虑的其他因素。(2)提出了改善SiC MOSFET开关特性的C-RC缓冲优化设计方法,综合考虑了其对关断电压过冲、开关振荡以及缓冲损耗这三方面的影响。首先,根据电压过冲的等效电路模型,讨论了不同缓冲参数对超调的影响,并初步确定了缓冲电容的选取准则。其次,推导出系统的特征方程,使用根轨迹法讨论了系统极点随不同缓冲参数的变化趋势;极点实部表示振荡阻尼比而虚部代表振荡频率,因此可以根据实部评估振荡抑制效果而根据虚部划分高、低频振荡。然后以阻尼比0.4为依据建立了可以充分抑制开关振荡的C-RC缓冲区域。由于缓冲电容的选取提前保证了电压过冲的抑制,因此该区域可以同时抑制振荡及过冲。然后,通过LTspice仿真给出了缓冲区域中的损耗分布。最终,不仅通过实验验证了上述设计方法的正确性与有效性;并将RC缓冲及C-RC缓冲分别应用至开关频率为50k Hz的斩波电路中,通过观察两者的温度变化情况来进一步突出C-RC缓冲在损耗方面的优势。(3)考虑到缓冲电路理论设计与实际应用之间的差异,加之变换器设计更为关注整体的电压/电流波形而非开关器件的瞬态行为,因此利用SiC MOSFET搭建了逆变器,对比RC缓冲以及C-RC缓冲在器件连续运行时对逆变器开关波形的改善情况。该逆变器与功率放大器串联后一起向扬声器供电。尽管负载阻抗随频率剧烈变化,但在一定频率范围内仍然实现了恒流输出。首先,对该逆变器的软硬件设计展开了介绍。其中硬件设计包括主要的技术指标、器件选型、电路设计三方面,而软件设计则介绍了主体的程序设计流程。其次,分析了逆变器相关的性能指标,如稳定性及效率。最后,对比了RC缓冲及C-RC缓冲对开关波形的改善效果。

关键词： SiC MOSFET 缓冲电路开关振荡电压过冲缓冲损耗

基于感应耦合的碳化硅MOSFET开关振荡抑制研究

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基于感应耦合的碳化硅MOSFET开关振荡抑制研究

作者：李嘉文湖南大学

学位级别：硕士

以碳化硅(silicon carbide,SiC)MOSFET为代表的宽禁带半导体功率器件彻底改变了电力电子技术,带来了高效率高功率密度的功率变换器。与传统的Si器件相比,SiC MOSFET具有耐高温、耐高压、低导通损耗、低开关损耗、高开关频率等优势,已逐... 详细信息

以碳化硅(silicon carbide,SiC)MOSFET为代表的宽禁带半导体功率器件彻底改变了电力电子技术,带来了高效率高功率密度的功率变换器。与传统的Si器件相比,SiC MOSFET具有耐高温、耐高压、低导通损耗、低开关损耗、高开关频率等优势,已逐渐代替Si IGBT,被广泛运用于电力牵引、光伏发电、智能电网等领域。但是,SiC MOSFET过快的开关速度与低阻尼特性会导致其快速开关过程中出现明显的开关振荡,严重影响了其高效与可靠应用。此外,剧烈的开关振荡会增加额外的功率损耗,加剧系统的电磁干扰,甚至可能会引起器件误触发从而损坏功率设备。因此,碳化硅MOSFET成为电力电子主流器件仍然面临着艰巨的挑战。为了充分发挥SiC MOSFET极快开关速度和低损耗的优势,必须深入研究SiC MOSFET开关振荡的机理,并且找到合适的开关振荡抑制方法。本文基于一种新型的感应耦合阻尼电路,抑制SiC MOSFET开关振荡。针对感应耦合阻尼的设计方法,现有研究存在以下不足:目前关于感应耦合阻尼电路的分析方法,大部分研究主要依赖于寻找峰值特征阻抗,分析二次侧电阻R与峰值阻抗之间的关系,认为:特征阻抗最大点,振荡抑制效果最好,从而得到了耦合阻尼电路中电阻R的最优取值范围。然而,损耗元件与开关振荡之间缺乏一个清晰量化的关系。此外,现有文献仅仅针对特定的耦合条件下,只调节一个缓冲元件R,未讨论对阻尼性能也有很大影响的耦合电感与二次侧电容的优化设计。因此,只能获得有限的开关振荡抑制效果。针对上述问题,本文基于多角度的理论分析,提出了更准确、更全面的感应耦合阻尼优化设计方法,既能反映开关振荡频率和衰减系数随缓冲元件的演化趋势,又能量化感应耦合阻尼对开关振荡的影响,从而确定了阻尼性能优异的缓冲元件区域。本文主要研究内容如下:(1)利用SiC MOSFET,首次在电子领域构建了一种暂态宇称时间(parity-time,PT)对称系统,可用于抑制SiC MOSFET开关振荡。首先,利用SiC器件低损耗特性,构建了开关耦合振荡电子系统。依据SiC MOSFET开关状态,在开通/关断振荡阶段对电子系统进行等效电路变换与化简,可以分别得到一个RLC谐振腔。接下来,借助向量法与拉普拉斯变换,成功揭示了开关振荡暂态过程中隐藏的PT对称哈密顿算符。然后,搭建了暂态PT对称电子系统的实验电路,并运用ANASYS Q3D仿真软件分析了PCB线圈的内外径、过孔直径、铜箔宽度等结构参数对线圈电磁参数的影响,优化了感应线圈的设计。通过分析暂态PT对称电子系统的频域特性和动态特性,证实了频率分叉、阻尼分叉以及相变过程本征向量的正交性。此外,测量的频域和动态特性表明:奇异点有着最佳的碳化硅MOSFET开关振荡抑制效果。(2)探究了强耦合下,感应耦合阻尼电路对碳化硅MOSFET开关振铃、开关损耗的影响,以实现有效抑制碳化硅MOSFET开关振荡。从半桥电路上、下SiC MOSFET两端出发,建立了针对开关振荡暂态过程的二端口网络,并推导了系统的特征方程。由于极点阻尼比的大小决定了系统的阻尼程度,本文提出了一种基于主动配置极点的阻尼优化设计方法。采用根轨迹法分析了缓冲元件对极点运动轨迹的影响,从而确定了阻尼电路的最佳电路结构以及关键参数区域(电感系数A和二次侧电阻R)。研究表明:在强耦合区域,感应耦合RL阻尼电路的振荡抑制性能优于经典的RLC谐振腔。此外,为了增强电感耦合,在二次侧线圈中加入镍锌铁氧体,确保其在实现良好的振荡抑制效果的同时不会增加系统的重量和体积。实验结果显示:采用RL阻尼电路不仅能明显抑制开关振荡,缓解系统的EMI压力,而且能大幅度降低SiC MOSFET开关损耗。(3)以感应耦合RLC阻尼电路为对象,全面讨论了RLC阻尼的关键缓冲元件对开关振铃的影响,以完全消除开关振荡。首先通过等效电路变换与简化,建立了包含RLC阻尼电路的二端口网络,并推导了四阶特征方程。然后,采用根轨迹法定量分析了电感因数A、二次侧电容C和二次侧电阻R对系统极点分布轨迹的影响。以极点阻尼比为1作为设计标准,确定了可以完全消除开关振荡的RLC阻尼电路A-C-R区域。最后,搭建了半桥双脉冲实验平台。实验结果证实了所设计的RLC阻尼能够完全消除开关振荡且比经典的RLC谐振腔阻尼性能更好。

关键词：碳化硅MOSFET 开关振荡电磁干扰感应耦合阻尼

SiC MOSFET开关振荡特性及并联应用器件筛选的研究

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SiC MOSFET开关振荡特性及并联应用器件筛选的研究

作者： ABUOGO James Opondo 华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

碳化硅(SiC)MOSFET是一种很有前景的开关式电力电子变换器器件。更宽的带隙、更快的开关速度和更高的导热系数,使得其在高压、高温和高频应用中要优于硅IGBT和硅MOSFET等硅基器件。然而,SiC MOSFET的应用仍面临着开关振荡和并联电流不... 详细信息

碳化硅(SiC)MOSFET是一种很有前景的开关式电力电子变换器器件。更宽的带隙、更快的开关速度和更高的导热系数,使得其在高压、高温和高频应用中要优于硅IGBT和硅MOSFET等硅基器件。然而,SiC MOSFET的应用仍面临着开关振荡和并联电流不平衡等挑战。SiC MOSFET器件的高开关速度加剧了开关振荡。随之引发的传导振荡使器件的功率损耗增加,并会引起谐波,对电力系统产生不良影响;而辐射振荡则可能会对通信和控制系统造成电磁干扰。因此,了解这些振荡的触发机制和特征是有必要的。除此之外,本文还研究了并联器件之间的电流不平衡问题。SiC MOSFET的器件参数存在着显著的差异性,当器件并联时会导致电流不平衡。而这可能导致局部发热及进一步器件的退化和失效。本文通过对开关瞬态过程的详细分析,揭示了振荡的触发机理,建立了一个简单的二阶RLC等效电路模型。并研究了电路和器件寄生参数的不同对开关振荡的影响。在理论分析和仿真分析的基础上,确定了关断瞬态振荡和峰值增大的原因。实验结果也验证了这一分析。在器件并联筛选方面,首先通过对同批次SiC MOSFET器件产品的测试,确定器件参数的分布情况。在此基础上,提出了一种基于线性回归算法的机器学习模型,用于器件并联前的分选。通过实验结果表明,所提出的器件分选方法能够有效地减小并联器件的暂态和稳态电流不平衡。

关键词： SiC MOSFET 开关振荡双脉冲测试并联机器学习模型

寄生电感对SiC MOSFET开关振荡的影响及其抑制

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汽车电器 2018年第7期 7-9页

作者：伍理勋韩洋陆海峰陈磊株洲中车时代电气股份有限公司湖南株洲412001 清华大学电机工程与应用电子系北京100084

SiC器件具有高结温、高阻断电压、高热导、低损耗等特点,在电动汽车电机控制器方面具有巨大的应用前景。但由于SiC MOSFET的开关速度更快,在寄生参数的作用下,开关振荡比Si基器件严重很多。本文将研究寄生电感对SiC MOSFET开关振荡的影... 详细信息

SiC器件具有高结温、高阻断电压、高热导、低损耗等特点,在电动汽车电机控制器方面具有巨大的应用前景。但由于SiC MOSFET的开关速度更快,在寄生参数的作用下,开关振荡比Si基器件严重很多。本文将研究寄生电感对SiC MOSFET开关振荡的影响,对基于SiC器件的变换电路PCB设计给予一定的指导,并给出了抑制SiC MOSFET开关振荡的建议。

关键词： SiC MOSFET 寄生电感开关振荡

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基于开关振荡的驱动电机匝绝缘故障诊断

电气传动 2022年第12期52卷 68-73页

作者：严浩巴桑顾奕上海电力大学电气工程学院上海200090 国网西藏电力公司拉孜县供电公司西藏日喀则850000

绝缘失效会引起电机匝间、相地和对地故障,轻则造成设备停机,重则危害人身安全,产生灾难性的后果。为了在匝绝缘劣化的早期能够对劣化状态进行在线灵敏监测,提出一种基于开关振荡的多频率特征逆变器驱动电机匝绝缘故障诊断的新方法。首... 详细信息

绝缘失效会引起电机匝间、相地和对地故障,轻则造成设备停机,重则危害人身安全,产生灾难性的后果。为了在匝绝缘劣化的早期能够对劣化状态进行在线灵敏监测,提出一种基于开关振荡的多频率特征逆变器驱动电机匝绝缘故障诊断的新方法。首先,利用高频电压传感器和高频电流传感器对信号进行提取;然后,判断是否为开关暂态过程,如果是,则提取开关瞬态下的电流幅值峰值,利用带通滤波器对信号进行多频带处理,并计算一个周期下的电流幅值峰值点的平均值,根据结果选出绝缘故障敏感频率;最后,做出不同工况下的开关瞬态下电流峰值点均值图及开关事件下电流幅值的散点图。根据实验结果可知,当绝缘发生劣化,可通过多频率特征下的开关振荡电流信号对匝绝缘进行故障诊断。

关键词：绝缘劣化开关振荡多频率故障诊断

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