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储能系统技术 储能系统 SiC器件 ★ 5.0

用于缓解逆变器供电驱动中中点电压应力的无源滤波器

A Passive Filter for Mitigating Neutral-Point Voltage Stress in Inverter-Fed Drives

作者 Shubham Sundeep · Jiabin Wang · Antonio Griffo
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2024年12月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 SiC器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 碳化硅半导体器件 电磁干扰 中性点电压应力 无源滤波器 电压振荡抑制
语言:

中文摘要

碳化硅(SiC)半导体器件的短开通/关断时间和高开关频率会引发诸多问题,如电机端子和绕组中的过电压、电磁干扰(EMI)增加以及轴承电流等。以往的研究和标准已提出众多EMI滤波器来缓解这些问题。然而,这些滤波器旨在缓解电机端子处的过电压,并未解决三相绕组星形中性点处可能出现的过大电压应力问题,甚至可能会加重这种电压应力。数学模型表明,中性点处的电压应力是由不同相中传播的电压波叠加所致。本研究提出一种基于阻抗测量的分析方法,以选择经济高效的无源滤波器的最优参数,从而减少中性点处的电压振荡。文中给出了详细的实验验证,展示了该方案的优势,且仅产生极小的附加损耗。此外,还将所提出的滤波器的性能与一款商用dV/dt滤波器进行了比较。结果表明,所提出的滤波器可与传统滤波器结合使用,有效抑制所有位置的电压应力并降低传导EMI。

English Abstract

The short turn ON/OFF time and high switching frequencies of the SiC semiconductor devices can lead to several problems such as over-voltage at the machine terminal and in machine windings, increased electromagnetic interference (EMI), and bearing currents. Past studies and standards have proposed numerous EMI filters to mitigate these issues. However, these filters are designed to mitigate the over-voltage at the machine terminals and do not address potentially excessive voltage stress at the star neutral point of a 3-phase winding and may even aggravate this voltage stress. A mathematical model reveals that the voltage stress at the neutral point results from the superposition of voltage waves traveling in different phases. This study proposes an analytical approach, based on impedance measurement, to select the optimal parameters of a cost-effective passive filter to reduce voltage oscillations at the neutral point. Detailed experimental validation is presented showing the benefits of the proposal while resulting in only minimal added losses. Also, the performance of the proposed filter is compared with a commercial dV/dt filter. It is shown that the proposed filter can be used in conjunction with conventional filters to effectively suppress the voltage stress at all locations and reduce conducted EMI.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对逆变器驱动系统中性点电压应力抑制的无源滤波技术具有重要的工程应用价值。随着SiC功率器件在我司光伏逆变器和储能变流器产品中的广泛应用,其高开关频率和快速开关特性带来的系统性挑战日益凸显,这与论文所关注的核心问题高度契合。

该技术的创新之处在于突破了传统EMI滤波器仅关注机端过电压的局限,首次系统性地解决三相绕组星点中性点的电压应力问题。对于阳光电源的逆变器产品而言,这一技术可有效延长变压器和电机绕组的使用寿命,降低绝缘系统的设计余量要求,对提升大功率光伏并网逆变器和储能PCS系统的可靠性具有直接价值。论文提出的基于阻抗测量的参数优化方法具有较强的工程实用性,可与我司现有的dV/dt滤波方案协同使用,形成多层次的EMI抑制体系。

从技术成熟度评估,该方案采用无源器件,成本可控且附加损耗极小,这与阳光电源追求高效率、高功率密度的产品策略相符。特别是在1500V光伏系统和大容量储能系统中,中性点电压应力问题更为突出,该技术的应用前景广阔。

然而,技术落地仍面临挑战:不同拓扑结构和工况下滤波器参数的自适应优化需要大量实验验证;与我司现有EMC设计流程的整合需要系统性工程开发。建议将此技术纳入下一代SiC逆变器平台的预研计划,重点评估其在高海拔、高湿热等极端环境下的长期可靠性表现。