基于SiC器件的中壓變換器因外部絕緣問題限制了其功率密度的提高,迫切需要研究其外部絕緣設(shè)計與評估方法。本文首先提出了一種基于硅光電倍增管的局部放電光學(xué)檢測傳感器;然后,利用此傳感器研究了2種外部絕緣結(jié)構(gòu)在PWM激勵下的局部放電（partial discharge, PD）特性,并總結(jié)了普適的電力電子高壓絕緣設(shè)計建議;最后,以Si C中壓變換器中2個關(guān)鍵絕緣部件的設(shè)計評估作為實例,利用所提傳感器進(jìn)行絕緣考核性試驗。結(jié)果表明:Si PM光學(xué)傳感器具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點,適合PWM激勵下的電力電子應(yīng)用;2種典型外部放電缺陷下,PD起始電壓均隨著器件開關(guān)切換速度和頻率的提高而降低;對于沿面放電,PD脈沖主要分布于PWM激勵的上升和下降沿,而對于尖端放電,PD脈沖主要存在于PWM激勵的平坦區(qū);實例結(jié)果驗證了所提傳感器在功率變換器絕緣系統(tǒng)離線評估甚至未來在線監(jiān)測應(yīng)用中的可行性。提出的電力電子絕緣設(shè)計建議和評估方法,對未來中壓高功率密度變換器的絕緣設(shè)計與評估具有借鑒意義。 

【文章來源】：高電壓技術(shù). 2020,46(10)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

基于SiPM的PD傳感器Fig.1SiPM-basedPDsensor

張崇興，吳文杰，謝佳成，等：中壓變換器關(guān)鍵部件絕緣設(shè)計與評估方法研究3409光學(xué)傳感器，可以準(zhǔn)確地獲取2種不同放電缺陷下的實驗數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)的處理分析，總結(jié)出一些功率變換器外絕緣設(shè)計與評估建議。2.1兩種外部放電模型對于功率變換器來說，發(fā)生在空氣中的外部放電可分為2類：1)沿面放電，它發(fā)生在暴露的金屬、絕緣介質(zhì)和空氣三者的結(jié)合點交界面上，然后沿著絕緣表面發(fā)展，PCB的外露金屬墊上的放電或疊形母排的金屬連接件處的放電均屬于沿面放電的范疇；2)尖端放電，它發(fā)生在暴露于空氣中且附近沒有其他絕緣介質(zhì)的金屬件附近，即存在于高壓部件或相鄰的PEBBs之間具有不同電勢的金屬件間。由于外部放電發(fā)展主要受電場分布和界面特性的影響，因此本文建立了2種典型的外部放電缺陷模型：1）棒板沿面放電缺陷，試品為GPO3絕緣板，如圖2(a)所示；2）尖端放電缺陷，如圖2(b)所示。圖中，D為棒電極直徑；r為曲率半徑；為板電極直徑；d為針板電極間距。2.2重復(fù)PWM激勵及其波形參數(shù)定義對于PWM型激勵，由于功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制方式和應(yīng)用場合的不同，其波形參數(shù)在變換器運(yùn)行過程中會發(fā)生變化，具體包括極性、上升/下降時間、幅值、占空比和頻率等，如圖3所示。由于這些參數(shù)對局部放電的發(fā)展有著不同的影響，因此需要研究2種不同放電缺陷下放電特征與波形參數(shù)之間的關(guān)系，以給出相對完整的絕緣設(shè)計原則和建議。本文采用商用高壓方波源實現(xiàn)了輸出參數(shù)可調(diào)的PWM激勵，其極性可以是單極性或雙極性；輸出幅值最高可達(dá)25kV；上升/下降時間可在0.7~70μs內(nèi)連續(xù)可調(diào)；脈沖寬度可調(diào)范圍為0~150μs(正負(fù)脈寬可單?

3410高電壓技術(shù)2020,46(10)20%±4%，因此可忽略大氣條件的變化對放電狀態(tài)的影響。3基于PWM激勵下局部放電特性的功率變換器絕緣設(shè)計與評估建議對于2種外部放電缺陷模型，本節(jié)首先對比研究了SiPM和HFCT局部放電檢測有效性，然后分別研究了PWM激勵下典型的局部放電波形及其相基局部放電譜圖(phase-resolvedpartialdischarge，PRPD)特征，并解釋了造成2種放電特征差異的物理機(jī)制。在理論解釋的基礎(chǔ)上，最后研究了PDIV隨波形參數(shù)(極性、開關(guān)速度和重復(fù)頻率)的變化規(guī)律，以期得到普適的功率變換器絕緣設(shè)計評估指導(dǎo)建議。PDIV試驗流程如下：逐步增大激勵電壓幅值，當(dāng)觀察到超過背景噪聲的第一個PD脈沖時，所施加電壓的峰值被記錄為UPDIV(i)；對于沿面放電，首先在同一絕緣板(GPO3)上重復(fù)實驗10次；然后更換一個新的樣品再重復(fù)10次，以確保實驗的可重復(fù)性。多次實驗PDIV的平均值被視為最終的PDIV值，計算式為20PDIVPDIV11=()(1,2,20)20iUUii(1)此外，本文所有的PRPD譜圖均為提取200個PWM激勵周期的PD脈沖繪制而成，并計算了平均放電電流(Ip)，其定義為在選定的參考時間間隔(Δt)內(nèi)n個PD幅值(Qj)的總和除以該時間間隔，按下式計算：1p=(1,2,)njjQIjnt(2)3.1SiPM和HFCT局部放電檢測有效性對比針對本文所述的不同放電結(jié)構(gòu)或部件樣品，對HFCT所測信號進(jìn)行了FFT頻譜分析，如圖5所示。結(jié)果表明，在高dV/dt的PWM激勵下，試品的等效電容較大時，位移電流的幅值可到數(shù)百mA，頻率分布范圍為近60M

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]碳化硅功率器件技術(shù)綜述與展望[J]. 盛況,任娜,徐弘毅.  中國電機(jī)工程學(xué)報. 2020(06)
[2]方波電壓下交聯(lián)聚乙烯中的空間電荷特性[J]. 王霞,舒子航,段勝杰,王華楠,吳鍇.  高電壓技術(shù). 2020(02)
[3]電力電子設(shè)備中的電氣絕緣問題[J]. 王鵬,趙政嘉,劉雪山,周群,雷勇,王為.  高電壓技術(shù). 2018(07)
[4]高壓方波脈沖波形參數(shù)對局部放電的影響[J]. 郭小霞,吳廣寧,高波,周力任,曹開江.  絕緣材料. 2008(05)



本文編號：3247114