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高压电力电子应用中的电气绝缘频域建模研究综述
Frequency-Domain Modeling of Electrical Insulation and Application to High-Voltage Power Electronics: A Review
| 作者 | Xize Dai · Jian Hao · Ruijin Liao · Claus Leth Bak |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年6月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 工商业光伏 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 宽禁带半导体 电气绝缘系统 频域建模 极化动力学 高压电力电子 |
语言:
中文摘要
现代电力应用,如高压直流输电、电气化交通和工业系统,越来越依赖宽带隙半导体,这推动了对能够承受高电场和开关电压波形的电气绝缘系统的需求。绝缘系统的可靠设计对于确保高压电力电子设备的高功率密度和运行稳定性至关重要。在多频电压条件下,绝缘材料内部与频率相关的极化动态特性会显著影响宏观介电性能和绝缘性能。本文全面综述了暴露于不同上升时间开关电压波形下的电气绝缘的频域建模方法。文章研究了用于表征与频率相关的极化动态行为的半经验方程和等效电路模型的进展,分析了这些模型的优点、局限性以及对各种应用的适用性。通过整合频域模型,解决了快速上升电压波形给电气绝缘带来的挑战。文中讨论了电热场计算和健康评估等实际案例,证明了考虑极化动态行为的必要性。综述最后对新兴趋势进行了展望,包括先进绝缘材料和诊断技术的发展。这项工作为高压电力电子应用中的绝缘设计和可靠性分析提供了有价值的指导。
English Abstract
Modern power applications, such as high-voltage direct current transmission, electrified transportation, and industrial systems, increasingly rely on wide-bandgap semiconductors, driving the need for electrical insulation systems capable of withstanding high electric fields and switching voltage waveforms. The reliable design of insulation systems is critical to ensuring the high-power density and operational stability for high-voltage power electronics. Under multifrequency voltage conditions, frequency-dependent polarization dynamics within insulation materials significantly influence the macroscopic dielectric properties and insulation performance. This article provides a comprehensive review of frequency-domain modeling methodologies for electrical insulation exposed to switching voltage waveforms with varying rising times. It examines advancements in semi-empirical equations and equivalent circuit models for characterizing frequency-dependent polarization dynamics behaviors, analyzing the strengths, limitations, and suitability for various applications. Challenges caused by the fast-rising voltage waveforms to electrical insulation are addressed by integrating frequency-domain models. Practical case studies such as electrothermal field calculations and health assessments are discussed, demonstrating the necessity of the inclusion of polarization dynamics behaviors. The review concludes with insights into emerging trends, including the development of advanced insulating materials and diagnostic techniques. This work offers valuable guidance for insulation design and reliability analysis in high-voltage power electronics applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这篇关于电气绝缘频域建模的综述论文具有重要的战略参考价值。随着公司在大功率光伏逆变器、储能变流器及高压直流输电系统等产品线的持续升级,宽禁带半导体(如SiC、GaN)的应用已成为提升功率密度和效率的关键路径。然而,这些器件的高频开关特性带来了更严苛的绝缘系统挑战,论文所述的频域建模方法正是解决这一痛点的有效工具。
在实际应用层面,该技术对阳光电源多个产品线具有直接价值。对于1500V及以上高压光伏逆变器,快速电压上升沿会在变压器、电容器等绝缘部件中激发复杂的极化动态响应,传统静态设计方法已难以准确评估绝缘裕度。频域建模能够精确刻画绝缘材料在多频率电压下的介电特性演变,为电热场仿真和寿命预测提供更可靠的参数基础。在储能系统领域,电池与PCS之间的高频电磁耦合同样需要考虑绝缁系统的频变特性,以确保长周期运行的可靠性。
技术成熟度方面,半经验公式和等效电路模型已在学术界得到广泛验证,但工程化应用仍需与具体产品设计深度结合。主要挑战在于建立涵盖温度、湿度、老化等多物理场耦合的综合模型,以及开发快速准确的在线诊断技术。对阳光电源而言,这既是技术攻关的机遇点,也是构建差异化竞争优势的突破口。建议公司加强与高校科研机构合作,将频域建模方法融入产品设计流程,特别是在新型绝缘材料筛选、故障预测性维护等方向进行前瞻性布局,为下一代高可靠性电力电子装备奠定技术基础。