逆变器尖峰

直流母线尖峰电压计算公式

直流母线尖峰电压计算公式：直流母线电压=额定电压×1.35×功率因数（按0.85~0.95计算）×1.414（电容滤波）。直流母线就是在变频器中承载整流后将交流变成直流，在逆变器中将直流转变为交流。在变频器中用铜排的母线形式安装连接在一起，形成直流公共母线变频驱动系统。在比例连动或有能量反馈的负载（例如：油田瞌头机、脱水机、拉丝机、起重机、比例连动控制系统等负载）一般使用变频器驱动都需增加反馈电网的装置或制动电阻，否则无法顺利使用。

逆变器低电压穿越研究（对称跌落）

电网电压跌落现象在电力系统中普遍存在，其中对称跌落情况指的是在电压跌落期间，电网的三相电压幅度相同且相位保持对称。针对三相对称跌落，本文主要探讨了逆变器在电网电压跌落时的跌落特性及其应对策略。基于国家电网相关技术规定，研究了三相并网逆变器在对称跌落情况下的特性及其采取的措施。

当电网发生对称跌落时，电压跌落幅度为额定电压的20%，并持续1秒。仿真结果表明，在电压跌落瞬间，滤波电抗和电流环控制使得并网电流无法突变，导致输入输出功率不平衡，直流侧功率迅速堆积，直流电压快速上升。若电压环输出缺乏有效限幅措施，输出电流会迅速增大，逆变器相关保护可能会启动，导致脱网。但跌落期间功率稳定，网侧输出电流可增大为原来的5倍。电压恢复瞬间，网侧输出功率突然增大，导致直流电容快速放电，直流侧电压迅速下降，电压环输出很快减小，形成一个功率尖峰。

在电压跌落情况下，光伏并网逆变器的直流侧电压上升，通常情况下，光伏电池板输出功率降至零，功率不再继续堆积，直流侧电压上升至开路电压处。考虑到开路电压通常为额定最大功率点电压的1.3倍多，硬件设计需要考虑直流电源上升带来的器件耐压问题。为解决直流电压上升带来的问题，控制策略允许在低电压穿越时一定程度失效，以允许直流侧电压上升，并通过限幅来控制直流功率或直流目标电流id*，确保逆变器不过流。

为实现低电压穿越，本文提出采用无功优先策略，即优先输出无功电流，以支撑电网电压。无功电流指令iq*根据网侧电压跌落的幅度计算，有功电流指令id*也相应调整，以确保在低电压穿越过程中逆变器不过流。通过仿真验证了在对称跌落情况下的低电压穿越效果，表明该方法有效且具有良好的低电压穿越能力。

总结来说，针对三相对称跌落情况，通过电压环限幅策略和无功优先策略，可以实现逆变器的低电压穿越。然而，电网中的电压跌落情况并不限于对称跌落，不对称跌落更常见，其中包含负序和零序分量，现有的控制策略可能需要进一步调整以适应不对称跌落情况。本文的研究成果为进一步优化逆变器在电网电压跌落情况下的性能提供了理论基础和实践指导。

T型三电平逆变器工作原理

单相拓扑设计以4个IGBT、4个二极管、两个电容C1,C2和一个电感L为基础。假设C1和C2电压差相等，均为Vdc。通过二进制表示四个IGBT的状态，如T1,T2,T3,T4为1、1、0、0，则转换为开关状态C。T型三电平逆变器稳定模态包括C、6、3三种。模态C输出电压Vdc，模态6输出0电压，模态3输出-Vdc。考虑死区后，存在4、2两种状态，死区状态4和死区状态2输出高阻。T型三电平的电压转换流程为Vdc->0->-Vdc->0->Vdc，其切换状态在图2中表示，**为死区状态切换，蓝色为稳态。

T型三电平拓扑中的IGBT控制转换逻辑图在图2中编写。特别注意，拓扑中所有开关状态的循环切换是关键。输出Vdc到0状态变化瞬态，开关状态从C（1100）到状态4（0100）时，IGBT的C-E电压与输出电压的关系以及电流路径在图中显示。关断过程中T1管的Vce两端产生尖峰电压（换流引起）。从4状态到6状态、2状态到6状态、6状态到4状态、4状态到C状态的切换过程，IGBT的C-E电压与输出电压的关系以及电流路径同样在图中给出。小结，IGBT部分在关断时产生电压尖峰，T1和T4管的风险较低，T2和T3管的风险较高。二极管部分在反向恢复时产生峰值功率，D1和D4管的功率较小，D2和D3管的功率较大，需要特别关注。

全桥逆变器开关管电压尖峰产生原因

1. 拓扑结构原因：在全桥逆变器中，由于多个开关管需要在切换时间内依次操作，这会导致电容的充放电过程，从而产生电压尖峰。

2. 开关管反馈导致的振荡：在高频开关操作中，开关管的反馈电感电压和节点电压往往包含高频分量，这些高频分量可能引起振荡，导致输入和输出端电压的瞬时变化，形成电压尖峰。

3. 开关管参数不匹配：在逆变器电路设计中，如果开关管的类型或参数选择不当，例如额定电流不足或开关管结构缺陷，都可能引起开关管电压尖峰的产生。

4. PCB设计和布线问题：PCB板的设计不合理，如导线间隔过小或布线路径过长，可能导致电源信号波形失真，进而引起电压尖峰的产生。

隔离变压器的用处?

隔离变压器在大容量UPS系统中发挥着重要作用。首先，它能有效隔离UPS输出端与负载设备之间的电气连接。当负载设备遇到感性负载突然减少时，可能会产生瞬态电压尖峰。如果没有隔离变压器，这种尖峰会直接作用于UPS的IGBT逆变器上，导致设备损坏。而有了隔离变压器，它能在负载侧产生一定的隔离效果，减少或完全消除这种尖峰，确保UPS和设备能够稳定运行。

其次，隔离变压器能够提升UPS的负载能力。在单相过载或单相短路的情况下，隔离变压器能够重新分配负载，使得某相逆变器上的IGBT负载减少三分之一，从而提高UPS的过载能力和抗短路能力。

再者，隔离变压器还能降低UPS输出端的零地电压。它能将零地电压降低至1V以下，这对减少数据传输中的误码率至关重要。相比之下，没有隔离变压器的UPS，其输出零地电压可能高达7-8V。

最后，隔离变压器通过采用三角/星型连接方式，能够显著降低负载侧的三次谐波，从而提高系统的稳定性和可靠性。这对于需要高精度和高稳定性的应用场合尤为重要。

IGBT应用中的自然换流和强迫换流是什么？

欢迎来到我们的电力电子探索之旅，今天我们将深入解析IGBT在电压型逆变器中的独特换流机制。许多朋友在理解IGBT换流过程时可能感到困惑，今天，我们将彻底揭开这个谜团。

在电力电子教科书中，通常以半控型晶闸管为核心讲解换流原理，而对于全控型IGBT或MOSFET的逆变器，虽然提及了原理，但并未特别强调“换流”这个关键概念。考虑到IGBT的广泛应用和其在电、热应力分析中的重要性，我们决定专门探讨IGBT的换流过程。

换流的基本概念，如同电流在接力赛中的转移，是电流从一个电路分支切换到另一个的过程，即换相。理解这个概念，想象田径接力中的交接棒，每支电流分支的切换就像运动员间的接力。王兆安老师的《电力电子技术》将换流方式分为四大类：

器件换流：利用全控器件自身的断开能力完成换流，这是IGBT和MOSFET的专属技术。

电网换流：由电网提供换流电压，通过直接作用于IGBT实现。

负载换流：当负载为电容性，电流超前于电压，可通过负载自身实现换流。

强迫换流：通过外部电路强制施加反向电压，帮助半控器件晶闸管完成换流，这在IGBT中并不常见。

IGBT与晶闸管的换流方式有所不同：IGBT的关断由驱动信号决定，相对简单，而晶闸管需要更复杂的外部条件。这解释了为何教材通常以晶闸管为例。然而，在实际应用中，IGBT的广泛使用使得深入研究其换流过程更具价值。

为了准确区分，我们引入了“自然换流”和“强迫换流”这两个概念。IGBT内部集成的续流二极管决定了电流路径的多样性。当IGBT承载电流时，强制关断产生强迫换流；反之，当二极管承载电流，换流过程由外部电路决定，称为自然换流。尽管这些术语并非教科书上的标准，但有助于理解换流的本质。

以三相电压型逆变器为例，让我们通过具体案例来阐明。在分析过程中，我们需要了解稳态时电流路径，并遵循IGBT开关的互补原则:

同一桥臂的S1和S4不能同时导通，避免过载。

S1与S2、S4与S3必须互补工作，保证电流的连续性。

在这些规则下，不同状态间的转换揭示了强迫换流和自然换流的运作:

强迫换流：从①到②，S1关断，D4接替维持电流，直到S4开启；从②到①，S4关断，电流通过S1和D4接力。

自然换流：从②到③，电流减小至零后，电流反向，S4继续工作；从③到④，同样通过电流反向和器件切换实现。

现在，我们留一个思考题：在自然换流过程中，电流为什么先减小再增加？请考虑B、C相的开关状态。

换流过程中的电、热应力主要在强迫换流中体现，如关断损耗、电压尖峰和电流尖峰。自然换流则相对轻松，没有器件应力。

希望这次的讲解有助于您理解IGBT的换流机制。如果有所启发，别忘了分享给需要的朋友。想了解更多电力电子知识，关注我们的公众号“耿博士电力电子技术”，每周更新，带你深入电力电子世界！

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