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一种用于抑制SiC基调速驱动器电机端子过电压的主动dv/dt滤波器
An Active dv/dt Filter to Combat Motor Terminal Overvoltage in SiC-Based Adjustable Speed Drives
| 作者 | Wenzhi Zhou · Xibo Yuan · Zhaobo Zhang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年6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 | 碳化硅调速驱动系统 电机端过电压 有源dv/dt滤波器 T型逆变器 LC无源滤波器 |
语言:
中文摘要
在基于碳化硅(SiC)的调速驱动系统中,快速开关电压脉冲会使电力电缆表现得像传输线一样,导致电机端子处出现严重的过电压。本文提出一种有源 $dv/dt$ 滤波器,用于缓解基于碳化硅的电机驱动系统中因反射波现象引起的电机端子过电压问题。该有源 $dv/dt$ 滤波器由一个 T 型逆变器和一个电感 - 电容(LC)无源滤波器组成,其中 T 型逆变器产生准三电平(Q3L)脉冲宽度调制(PWM)电压,以主动调节供给调速驱动系统的电压的 $dv/dt$。本文对有源 $dv/dt$ 滤波器的运行机制进行了数学推导和实验验证。分析表明,当 Q3L PWM 电压的停留时间与 LC 网络谐振周期的一半相匹配时,逆变器输出电压的 $dv/dt$ 可以得到主动控制。实验结果显示,与传统的两电平逆变器相比,该有源 $dv/dt$ 滤波器能够将电机端子处的过电压抑制在 1.15 标幺值以内。
English Abstract
In silicon carbide (SiC)-based adjustable speed drives, the fast-switching voltage pulses cause power cables to act like transmission lines, leading to severe overvoltage at motor terminals. This letter proposes an active dv/dt filter to mitigate the motor terminal overvoltage due to the reflected wave phenomenon in SiC-based motor drive systems. The active dv/dt filter consists of a T-type inverter and an inductor and capacitor (LC) passive filter, where the T-type inverter generates the quasi-three-level (Q3L) pulse width modulation (PWM) voltage to actively regulate the dv/dt of the voltage supplied to the adjustable speed drives. The operation mechanism of the active dv/dt filter is mathematically derived and experimentally verified. The analysis shows that when the dwell time of the Q3L PWM voltage aligns with half of the resonant period of the LC network, the dv/dt of the inverter output voltage can be actively controlled. The experimental results show that the active dv/dt filter can mitigate the overvoltage at motor terminals within 1.15 pu, compared with the conventional two-level inverter.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,该论文提出的主动dv/dt滤波技术对我们在SiC功率器件应用领域具有重要参考价值。随着公司在光伏逆变器和储能变流器产品中广泛采用碳化硅器件以提升效率和功率密度,快速开关带来的电机端过电压问题同样困扰着我们的变频驱动类产品线。
该技术方案通过T型逆变器与LC滤波器的组合,主动调控输出电压的dv/dt,将电机端过电压抑制在1.15倍额定值以内,这为解决长电缆传输引发的反射波过电压提供了新思路。对于阳光电源而言,这项技术在三个方向具有应用潜力:一是光伏水泵系统中电机驱动器的可靠性提升;二是储能系统中风冷或液冷设备的电机控制优化;三是新能源汽车充电桩配套的辅助驱动系统。
技术成熟度方面,该方案基于成熟的T型拓扑和准三电平PWM调制,理论推导完整且有实验验证,具备工程化基础。其核心在于Q3L-PWM驻留时间与LC谐振周期的精确匹配,这要求精准的参数设计和数字控制能力,恰好契合我们在逆变器领域积累的控制算法优势。
主要挑战在于:T型拓扑增加的器件成本和控制复杂度需要权衡;LC滤波器的体积和损耗可能影响系统功率密度;不同电缆长度和电机参数下的自适应调节能力有待验证。但该技术为我们提供了在高端工业驱动市场差异化竞争的机会,特别是在要求高可靠性的光伏制氢电解槽驱动、大型储能温控系统等应用场景中,具有显著的技术溢价空间。建议跟踪该技术发展并评估在特定产品线的试点应用可行性。