把涌流从 1270 安压到 508 安，代价为什么记在电容上

 预充电在固态变压器的设计流程里常被当成一段等电容充上来的过场，真正要守的却是两个时刻的电流峰值。把桥臂涌流从 1270 安压到 508 安并不难，难的是同一套调制策略会把子模块电容电压的瞬时波动从 11.8 伏推到 61.1 伏。电流应力降下去，电压应力涨上来，这笔账没法同时抹平。

未充电的电容就是一条短路线

固态变压器的中压侧不是一个器件在扛电压，而是几十个子模块串起来分担。一台桥臂电压 40 千伏的样机，每个桥臂串 20 个子模块，每个模块里的电容额定电压 2000 伏。合闸之前，这 20 个电容的电压都是零。

对交流侧来说，20 个零伏电容串起来，等效于一根导线。合闸那一瞬间，电网看到的是线路阻抗加上一段几乎为零的容抗，电流只受回路里那点电阻和电感限制。这就是涌流。它跟负载无关，跟控制策略也无关，只跟合闸时刻的相位和回路阻抗有关。

真正能让涌流有限的，是串进去的那只限流电阻。文献里取的 10 欧，把首段涌流峰值压到 425.84 安。这个数字看起来不算大，但对电阻本体不成立。峰值那一刻，电阻上的瞬时功率是电流的平方乘阻值，425.84 安对应 1.81 兆瓦。一只几十瓦的电阻要在毫秒量级上承受兆瓦级的瞬时功率，选型依据只能是能量而不是功率。

限流电阻只算对了一半

把涌流压下去之后，接下来的问题是要充多久。这段过程里开关器件全部封锁，电流走的是子模块里的反并联二极管，交流电经二极管整流后给串联电容充电。文献把这一段等效成一阶环节，截止频率 10.33 赫兹，折成时间常数是 15.4 毫秒。

按这个时间常数往下推，充到几千伏只需要几十毫秒。实际不是。样机在这一段里跑了 0.336 秒，电容电压升到 606.25 伏，只到额定值的 30.3%。0.336 秒相当于 22 个时间常数。差这么多，原因是等效不能只看一只电阻和一个电容：二极管导通角随电容电压上升而收窄，二倍频功率脉动又在不断把电荷倒回去，充电电流的有效值远低于按一阶环节算出来的值。

这一段的作用不是把电容充满，只是把它垫到一个能让控制算法工作的底子上。30% 的电压够让子模块的驱动供电、采样和通信跑起来，剩下的 70% 交给主动调制去完成。

解锁瞬间才是电流尖峰

二极管整流切到主动调制，是整套预充电里最危险的一步。切换之前，子模块的投入状态由二极管自然决定；切换之后，控制器按排序结果决定这一周期投入哪几个模块。投入数量一旦跟桥臂电流的实际相位错开，桥臂电感上的伏秒就不平，电流会在一两个开关周期里冲上去。

文献给的对照很直白。用载波移相调制接管，切换瞬间桥臂涌流 1270.36 安，是首段的 2.98 倍；输入侧涌流 3772.91 安，也是桥臂电流的 2.97 倍。这两个倍数几乎一样，说明放大发生在同一处：子模块投入数量的突变，被桥臂电感积分成了电流。

这里有个容易被忽略的细节。首段涌流有 10 欧电阻在挡，切换之后电阻还在回路里，但它挡不住这种由控制引起的尖峰，因为尖峰的能量来自桥臂电感的储能，而不是电网的直接馈入。

图 1　预充电两个阶段与三个电流峰值的位置（依据原文第 4.2 节绘制）

排序算法把峰值压下去

要压住这个尖峰，靠的是让投入的子模块数量跟着桥臂电压走，而不是跟着固定的调制波走。最近电平逼近调制做的就是这件事：每一周期按当前桥臂电压算出应该投入几个模块，再从 20 个模块里挑出电容电压最合适的那几个。

挑的方式有两种。冒泡排序每一周期把 20 个模块的电压两两比较一遍，比较次数在 190 次上下；快速排序的平均比较次数是 20 乘以 2 的对数，约 86 次。文献把两种排序都做了一遍，切换瞬间的桥臂涌流从 1270.36 安降到 508.50 安，输入侧从 3772.91 安降到 1492.90 安，降幅都在 60%。两种排序之间的差别在实验台上更清楚：样机三个子模块、载波 1 千赫兹，切换涌流从 5.88 安降到 4.32 安，再降到 3.92 安。

数字到这里都朝着好的方向走。问题出在下一段。

电容电压波动涨了五倍

同一组仿真里，子模块电容电压的波动范围从 11.80 伏变成 61.11 伏，涨了 5.18 倍。

原因不难找。涌流之所以能压下去，是因为切换瞬间投入的模块数被刻意压少了，桥臂等效输出电压与桥臂额定电压之间留下了一段差值。这段差值不会消失，它落在串联电容上，把电容电压往上顶。想少让电流冲出去，就得多让电压顶上去，两者是同一件事的两面。

均衡本身没有坏。20 个子模块之间的最大电压差值只有 3.48 伏，相对 2000 伏的额定值不到 0.2%。这说明排序确实把最该投入的模块挑出来了。出问题的是共模分量：所有模块一起往上飘，幅度到了 61 伏。对电容来说，这 61 伏是实实在在的电压应力，要计入寿命预算；对 2000 伏额定的器件来说，它是 3% 的余量消耗。

图 2　三种策略下涌流与电容电压波动的对照（依据原文第 4.3 节绘制）

算力预算也是一笔成本

按电压排序再决定投入哪几个模块，这件事每周期都要做一遍，代价是控制器里的排序运算。

20 个模块的快速排序平均 86 次比较，1 千赫兹载波意味着每秒 8.6 万次比较，对一颗 FPGA 来说不算什么。真正吃紧的是模块数上去之后。桥臂从 20 个模块加到 40 个，排序的比较次数按对数涨到约 213 次，看起来只涨了 2.5 倍，但采样与通信的周期数、以及每个控制周期里要搬动的数据量是线性涨的。文献在实验里把排序数据量从 100 条加到 2000 条，测的就是这条边界。

更实在的约束是控制周期。1 千赫兹载波给 1 毫秒，里面要放采样、排序、均压、环流抑制和保护判断。排序占掉的份额越大，留给保护的时间越少。而预充电这一段恰恰是最需要保护的时段，涌流、过压、通信中断都可能在这几百毫秒里出现。

一句话

预充电的账不是把涌流压到多低，而是把电流应力换成电压应力之后，电容和控制器还剩下多少余量。

内容来源：Energies（MDPI 开放获取），2025 年第 18 卷第 11 期，文章号 2895

原文标题：A Low Inrush Current Pre-Charging Strategy of M3C with Improved Nearest Level Modulation

作者：Rufei He, Yikai Li, Yumin Peng, Yiming Ma, Fanqi Huang, Hailong Li, Wei Luo

DOI：10.3390/en18112895

链接：https://doi.org/10.3390/en18112895

配图说明：图 1、图 2 均为自行绘制，为原理示意，非原文原图复制

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来源：21ic电子网