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用于电力电子模块局部放电检测的高频电流互感器设计与分析
High-Frequency Current Transformer Design and Analysis for Partial Discharge Detection of Power Electronic Modules
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅 局部放电 高频电流互感器 绝缘结构 局部放电检测 |
语言:
中文摘要
在中压应用中,碳化硅因其更高的开关速度、更高的热导率和更高的电压等级而具有广阔的应用前景。与此同时,更高的电压等级和更高的功率密度给绝缘结构带来了巨大的压力。局部放电(PD)是衡量绝缘结构性能的一个重要指标。然而,针对局部放电电流传感系统的专门设计研究有限,且缺乏对局部放电和系统噪声频域特性的分析。鉴于这种情况,首先,提出了高频电流互感器(HFCT)系统,并建立电路模型来分析参数对频率响应和增益的影响。其次,基于上述分析,针对电力电子功率模块局部放电的特性设计了一种专用的高频电流互感器系统,包括信号前端电路,并通过矢量网络分析仪验证了理论分析的正确性。对该系统进行了校准,结果表明其能够以相对较高的精度捕捉 10 pC 的电荷量。最后,对功率模块进行了局部放电检测实验,所提出的系统能够在时域中有效检测局部放电信号。
English Abstract
In medium-voltage applications, silicon carbide has a promising future due to its higher switching speed, higher thermal conductivity, and higher voltage levels. Meanwhile, higher voltage levels and higher power density put severe stress on the insulation structure. Partial discharge (PD) is an important characterization for the performance of insulation structure. However, there is limited research on dedicated design for PD current sensing systems, and there is also a lack of analysis of the frequency-domain characteristics of PD and system noise. In view of this situation, first, the high-frequency current transformer (HFCT) system is proposed, and the circuit model is established to analyze the influence of parameters on the frequency response and gain. Second, based on the analysis, a special HFCT system was designed for the characteristics of PD of power electronic power modules, including signal front-end circuits, and the correctness of the theoretical analysis was verified by a vector network analyzer. The system was calibrated and proved to capture the 10-pC charge with relative accuracy. Finally, the PD detection experiment of the power module is carried out, and the proposed system can effectively detect the PD signal in the time domain.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项高频电流互感器(HFCT)局部放电检测技术具有重要的战略价值。随着公司在中压光伏逆变器、储能变流器及电动汽车充电设备领域的持续深耕,碳化硅(SiC)功率器件的应用已成为提升产品竞争力的关键路径。该技术针对SiC器件在高电压、高功率密度工况下的绝缘可靠性监测需求,提供了精确的局部放电检测方案。
该研究的核心价值在于建立了完整的HFCT系统电路模型,并通过频域特性分析优化了传感器设计,实现了10皮库仑级别的高灵敏度检测。这对阳光电源的产品开发具有三重意义:首先,可嵌入1500V及以上高压光储系统的在线监测功能,实现绝缘老化的预测性维护,降低系统故障率;其次,可应用于SiC模块的出厂测试和可靠性验证,提升产品质量管控能力;第三,为新一代高功率密度逆变器的绝缘设计提供量化评估工具。
从技术成熟度评估,该方案已完成实验室验证,但向产品化转化仍需解决几个挑战:电磁兼容性设计需适应逆变器高频开关噪声环境,传感器的小型化与成本控制需满足量产要求,同时需建立针对不同封装形式功率模块的PD特征数据库。
建议阳光电源将此技术纳入下一代智能功率模块的研发路线图,结合公司在电力电子拓扑和数字控制方面的优势,开发具有自诊断功能的智能化产品,这将在工商业储能、集中式逆变器等高可靠性要求场景中形成显著的差异化竞争优势。