逆变器共模电压

heric拓扑的优势,为什么单项光伏逆变器通常选用heric拓扑?

非隔离型单相并网逆变器在小功率光伏发电系统中广泛应用，因其体积小、效率高等特点。然而，在并网系统中，由于缺少变压器，光伏电池板与电网间存在多处分布电容，功率器件在高频开关时会导致共模电流的产生。为了保障人员和设备安全，必须对地漏电流进行有效抑制。针对此问题，常见的优化策略有两种：一是采用H桥拓扑并结合双极性PWM调制，可以有效抑制共模电流，但存在开关损耗较大及输出电压幅值跳变的问题；二是提出H5、H6等改进型拓扑，分别在效率与共模电流抑制之间寻求平衡，但它们在成本或效率上存在局限。Heribert Schmidt等学者提出了一种新颖的拓扑结构，即Heric拓扑，仅需增加两个功率器件，即可实现输出共模电压的相对稳定，同时提高整体效率，从而被广泛应用在单相并网逆变器中。

Heric电路通过增加T5/D5与T6/D6两个功率器件，滤波电感在续流过程中提供了双向电流通路，从而控制输出共模电压相对稳定。这种拓扑结构下，功率因数为1时，T5与T6在工频下进行开关操作，正半周期T1与T4进行高频开关，关断时通过T6与D5进行续流，负半周期则同理。T2、T3与T5、D6进行换流，保证逆变器AC端口的共模电压输出相对稳定，基本维持在VDC/2。

在Heric电路需要向电网注入无功电流时，T5、T6则需要在输出电压电流反向区间内分别进行高频开关，以适应输出滞后无功电流的情形。例如，当输出电压V大于0而电流I小于0（规定电流流出H桥为正）时，T1-T4均关断，T5导通，电感电流通过T5与D6进行续流，T5关断时电感电流通过D1与D4流通。同样地，当输出电压V小于0而电流I大于0时，T6、D5与D2、D3进行换流。

在单相户用光伏逆变器的应用中，追求小体积和低噪音是产品设计的关键目标之一，这不仅降低了设备的安装要求，也为用户在运行期间提供了更加宁静的环境。因此，较高的开关频率是功率半导体器件的重要需求之一，而更高的效率和更好的可靠性则是产品设计中不可或缺的特性，有助于为客户提供长期稳定的经济效益。在单相光伏应用中，电网电压通常为220/230VAC，逆变器的母线电压在350-400VDC左右，因此，适合应用高效高速的650V IGBT，以满足这些场景中的需求。

英飞凌新一代650V TRENCHSTOP™ IGBT7 H7产品采用最新的微沟槽栅技术，相比前代产品整体损耗可减少39%，同时配备新一代全电流的发射极控制EC7续流二极管，具有更好的EMI表现。此外，该器件还具备出色的防潮性能，可在恶劣环境中可靠运行，且已通过JEDEC 47/20/22的相关测试，特别是HV-H3TRB测试，符合工业应用标准，非常适合户外应用的户用单相光储逆变器。

对于5kW、8kW至10kW功率等级的Heric单相光伏逆变器，可选用相应的IKWH40N65EH7和IKWH75N65EH7产品，DC-AC级转换效率均可达到98.5%，而T5/T6、D5/D6的损耗较小。在成本优化方面，根据具体需求考虑选择合适大小的器件。此外，英飞凌还提供了一站式的解决方案，包括驱动IC（如EiceDRIVER™ X3 Compact、2EDi family双通道隔离驱动系列）、微控制器产品（如XMC™、PSoC™系列）、以及用于测量和控制的XENSIV™系列电流传感器和AIROC™系列蓝牙wifi产品，以满足不同应用需求。

逆变器供电时为什么只有4种共模电压？

电压电流的变化通过导线传输时有二种形态，我们将此称做“共模"和"差模"。设备的电源线，电话等的通信线，与其它设备或外围设备相互交换的通讯线路，至少有两根导线，这两根导线作为往返线路输送电力或信号。但在这两根导线之外通常还有第三导体，这就是"地线"。干扰电压和电流分为两种：一种是两根导线分别做为往返线路传输；另一种是两根导线做去路，地线做返回路传输。前者叫"差模"，后者叫"共模"。

消除共模干扰的方法包括：

（1）采用屏蔽双绞线并有效接地

（2）强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽

（3）布线时远离高压线，更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线

（4）不要和电控所共用同一个电源

（5）采用线性稳压电源或高品质的开关电源(纹波干扰小于50mV)

电机轴电流与电机驱动

本文作者为德国卡尔斯鲁厄理工学院硕士生陈嘉腾

在电压型变频器驱动电机时，会出现一些寄生高频现象，这些现象与电机系统整体条件密切相关。逆变器du/dt的变化会在导线末端产生高频电流，这些电流会流经轴承及其相关组件。

电机中产生的轴电流可以分为三种：由电弧放电引起的电流（EMD current）、循环电流（Circulation current）和转子对地电流（Rotor ground current）。这些电流的产生原因不同，如图1、图11和图12所示。

循环电流和转子对地电流是高频电流，主要流经绕组对定子/外壳的寄生电容Cws。EDM电流的产生是由于逆变器共模电压在电机轴承上产生寄生电压降，当轴承润滑脂中的击穿场强超过一定值时，就会引发EDM电弧放电。这些现象会导致轴承内壁产生搓板式条纹，从而在电机运行中产生巨大噪音，并可能导致轴承出现不可预测的故障。

在实际应用中，我们可以通过降低逆变器开关器件IGBT的du/dt、采用绝缘轴承、加装逆变器输出共模扼流圈和对电机转子通过碳刷接地等方法，显著降低流经轴承的高频电流。然而，由于共模电压引起的轴承润滑脂绝缘失效的放电现象难以控制。

电机轴电流对轴承的典型损坏包括由逆变器共模电压引起的EDM电弧电流。通过电机的寄生电容网络CWR、Crs、Cb和逆变器共模电压UCM，我们可以计算出电机轴承上的电压Ub。实验表明，一旦轴承上的电压（红色）无法跟随逆变器的共模电压（黑色），就代表着绝缘失效，轴承上产生了电火花放电，进而产生高频循环漏电流。

两电平和三电平共模电压值对轴电流的产生有重要影响。老师详细分析了两种电压值，并指出三相共模电压可以通过三相相电压之和除以3得到。在空间矢量调制方式下，两电平8种开关状态中会出现2种共模电压±1/2Uzk、±1/6Uzk；在三电平27种开关状态下，理论上会有4种电压0、±1/2Uzk、±1/3Uzk、±1/6Uzk，但实际使用中很少出现±1/2Uzk的情况。

为了分析轴电流，我们定义了TCM和Ts。图9表示了在不同调制比下，两电平和三电平各种共模电压所占的占空比对比。我们可以发现，在较低调制比下，两电平的1/2Uzk占比很高，并随着调制比上升降低；在高调制比下，取而代之的是1/6Uzk的共模分量占主导。

在电机驱动系统中，母线电压、IGBT的开关频率是设计参数，一般不会随意改变，而du/dt与开关器件的动态特性有关，可以得以优化。IGBT的du/dt与栅极驱动电阻、结温和开通电流有关，低温小电流时du/dt更高。要降低du/dt，可以用大的驱动栅极电阻，但会牺牲动态损耗。

总结来说，电机产生轴电流的原因有三种，我们有很多应对方式。其中，我们发现逆变器拓扑的选择也会影响电机的轴电流。使用三电平逆变器拓扑在低速下可以降低逆变器共模电压在轴承中发生轴电流的次数。此外，我们还可以通过优化逆变器中IGBT的du/dt来减小轴电流，从而达到延长电机使用寿命的目的。

PWM逆变器是什么?

1. PWM逆变器在电机驱动中扮演着关键角色，它通过调节脉冲宽度来控制电机速度和扭矩。然而，这一过程中可能会产生共模电压，它通过电机内部的寄生电容引起漏电流。

2. 漏电流如果过大，不仅可能触发电机保护电路的误动作，还会产生电磁干扰（EMI），干扰电网中其他设备的正常运行。同时，过大的轴电压和轴承电流会加速电机轴承的磨损，降低系统的可靠性。

3. 为了抑制共模电压，传统的做法包括转轴接地、轴承绝缘和使用导电润滑剂等。尽管这些方法能够在一定程度上降低轴电流，保护电机轴承，但共模电压本身并未被彻底消除。

4. 在电机负载运行时，共模电压依然存在，并通过负载轴承产生破坏性电流。因此，滤波器被引入以减少逆变器输出中的谐波成分。尽管无源滤波器在降低过电压影响方面效果显著，但它们对于变化着的载波频率响应有限。

5. 近年来，有源滤波器作为一种消除共模电压的新型解决方案被提出。例如，Alexander Julian提出的四相逆变器和Annette Jouanne提出双桥逆变器（DBI）等方法，尽管能够减少共模电压，但它们自身也存在如增加开关损耗和谐波失真、需要额外的驱动设备和特定定子绕组配置等限制。

6. 文中提出的有源滤波器结构简单，易于控制，通过产生与PWM逆变器输出电压幅值相等、相位相反的共模电压，有效消除了感应电机端的共模电压问题。仿真和实验结果证明了这种结构的有效性，为提高PWM逆变器系统的可靠性和性能提供了新的途径。

单相小功率逆变器拓扑

逆变器技术在光伏并网系统中的应用日益广泛，尤其在低压电网指令和无功调节方面面临挑战。常见拓扑结构在抑制漏电流和共模电流方面存在局限性，因此高效抑制漏电流的拓扑架构和共模电流抑制成为关键。本文将详细介绍逆变器拓扑在这些问题上的解决方案和改进。

传统小功率逆变器主要使用H4单相全桥拓扑，但由于存在漏电流问题，需要通过改变调制策略或增加RC吸收电路、输出隔离变压器等方式解决，这些措施会导致效率下降、体积增大和成本增加。德国SMA公司推出的H5结构从根本上解决了漏电流问题，随后出现了一系列解决漏电流的拓扑，如H6、双Buck拓扑等，这些拓扑在提高效率方面表现出色。

抑制共模电流是提升逆变器性能的关键之一。共模电流影响系统安全，降低效率，并引入谐波。逆变器中寄生电容的存在导致共模电压变化，进而产生共模电流。抑制共模电流的方法主要是降低共模电压的频率或维持共模电压不变。在实际应用中，选择合适的拓扑结构对于抑制共模电流至关重要。

H4和H6拓扑在抑制共模电流方面的性能分析表明，H6拓扑相对H4拓扑在共模电流抑制上具有优势。H6逆变拓扑采用单极性SPWM调制，产生高频SPWM输出波形，通过LC滤波器连接市电。控制环路通过采样BUS电压、市电电压和电感电流，实现输出电流与市电电压相位的同步，同时满足各法规对输出电流的要求。在工作原理中，H6逆变桥采用6个开关管驱动波形，实现高频和低频开关管的优化配置，以减少损耗和提高效率。

在H6拓扑中，开关管的选取考虑了开关频率和电流峰值等因素，以确保在稳定工作条件下，高频开关管开关动作时的△Vds范围较小，从而减少开关损耗。此外，通过合理配置二极管、滤波电感和滤波电容，实现逆变器的高效运行和良好的电流输出波形。

为了进一步优化逆变器的性能，设计了差分采样电路和抬升电路，以满足DSP28335的ADC输入电压范围需求。逆变器的输出滤波器采用LC或LCL结构，选择合适的滤波器结构以满足不同应用场合的需求，从而实现对高频谐波的有效衰减。

最后，通过双极性和单极性SPWM控制方式的比较，双极性SPWM虽然在损耗和电感电流纹波方面相对较高，但不存在共模漏电流问题，且不容易产生过零点畸变。因此，在设计逆变器控制策略时，需要综合考虑效率、损耗和系统稳定性等因素。

综上所述，高效抑制漏电流的拓扑架构和共模电流抑制策略是小功率逆变器面临的技术难题。通过采用先进的拓扑结构、优化控制策略和合理配置电路组件，可以显著提升逆变器的性能和可靠性，满足低压电网指令和无功调节的需求。

变频器中的共模电压

探索变频器世界的共模电压：挑战与解决方案

在电机驱动系统中，脉宽调制（PWM）技术的广泛应用让变频器（变流器）的作用愈发显著。然而，它带来的共模电压问题不容忽视，它可能导致轴电压、轴电流、电机绝缘损坏，甚至电磁干扰的滋生。深入理解共模电压的产生机理和抑制策略至关重要。

共模电压的产生

逆变器的输出电压并非单一，它包含正序与负序的差模电压，以及零序的共模电压。差模电压驱动电机运转，而共模电压则会引起转矩波动和噪声。当差模电压的瞬时变化（dv/dt）增大，长线传输中电机端电压和电缆内电压会急剧升高，对绝缘构成威胁。共模电压通过定子与转子间的电容耦合，可能产生轴承电流，对电机造成损害，或对相邻设备形成干扰。尤其在高频下，轴电压在转轴上耦合，对轴承润滑剂绝缘造成影响。

抑制策略：硬件与软件并举

要有效抑制共模电压，硬件层面通常采用滤波技术，如RLC滤波器和共模抑制器。RLC滤波器虽能抑制差模干扰和部分高频共模，但对共模电压的dv/dt抑制效果有限。而共模变压器（CMT）通过在逆变器和电机间安装，能有效隔离共模电流，减少噪声和干扰。

软件策略则涉及对调制算法的改进，例如空间矢量调制（SVPWM）的优化版，以及针对特定谐波的消除策略，如NSPWM、AZSPWM等，这些技术可以降低共模电压的产生。

测量与评估

检测共模电压常用的方法包括测量三相输出对地电压、总和对地电压、滤波电容中性点、直流电压中性点和电机中性点电压。这些数据提供了评估共模电压状况的直观指标。

技术优势：三电平算法的应用

三电平算法，如DPWM，因其特有的Udc/6电压分配，能显著抑制共模电压。相比之下，两电平算法的共模电压控制更为显著，例如SVPWM为Udc/3，而两电平则是Udc/2，这展示了三电平技术在共模电压管理上的优势。

深入研究共模电压的产生机制和抑制策略，对于提升电机驱动系统的稳定性和效率具有重要意义，同时也能减少潜在的故障风险，为现代变频器的优化设计提供重要依据。

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