大功率变频器高频模型分析

大功率变频器高频模型分析

王婷婷

中国核工业第五建设有限公司，上海金山， 201500

摘要：变频器每个开关器件的通断都伴随着电磁暂态过程，在此过程中产生的 EMI，主要通过直流母排、无源电路元件以及输出电路等进行传播。本文主要分析这些元件在高频特性下的等效模型，为建立完整的大功率变频器传导干扰模型打下基础，也是解决变频器产生电磁传导干扰预测及抑制问题的根本前提。

关键词：大功率变频器；EMI；高频模型；直流母排

Analysis of the High Frequency Model of High Power Convertor

Abstract: Electromagnetic Transient accompanied by each high power electronic switch turn on and off in convertor applications and the electromagnetic interference (EMI) generated in this process. The EMI spread through the direct current bus、passive circuit elements and output circuits. In this paper, Equivalent models in high frequency response of various circuit elements are analyzed. It is the foundation of the high power convertor EMI model building and the fundamental premise to settle the problem of predicting and suppressing the convertor EMI.

Keywords: high power convertor; EMI; high frequency model; DC bus

0. 引言

由于节能减排、低碳经济及生产工况的需要，变频器，尤其是大功率变频器的研究引起了越来越广泛的关注。但是由于PWM技术所固有的脉冲性质，电力电子设备在开关过程中，功率开关器件会有很高的开关频率，这样会造成很高的电流、电压变化率，即di/dt和du /dt。而电力电子设备电路中一定会存在寄生电容或寄生电感，高的电压电流变化率通过寄生参数作用产生强烈的瞬态噪声，产生电磁传导干扰。大功率变频器因其优越的控制性广泛应用与煤矿井下等恶劣环境场合，其电磁传导干扰会影响变频器本身和其他井下设备的安全可靠运行，所以大功率变频器传导干扰预测即高频模型的建立是解决其电磁干扰抑制问题的根本前提。

0. 大功率变频器传导干扰源的产生

在大功率变频器中，其产生的传导EMI噪声频率范围为150KHz~30MHz，因此，高频功率变换器既包括开关频率及其谐波造成的传导干扰，也包括一些其他干扰。它的传导干扰主要来源于整流电路、逆变电路以及高频PWM控制电路。其产生的本质原因是IGBT的高速开关动作引起的电压电流变化率，因此认为电压电流瞬变率是产生大功率变频器调速系统EMI的主要根源。对IGBT的开通与关断过程进行瞬态分析，对于IGBT开通瞬态过程中集电极电流Ic、集射极电压Vce的波形图如图1（a）所示，IGBT关断瞬态过程中集电极电流Ic、集射极电压Vce的波形图如图1（b）所示。

图1（a）开通瞬态过程

图1（b）关断瞬态过程

从图1（a）、（b）中可以看出，对于开关频率所产生的干扰，由于电力电子电路在稳态情况下总是工作于周期性开关状态，因此这类干扰实质上可以看成是一种脉冲串序列的干扰，通常可以把这种干扰看作是一种受调制的脉冲串，可以认为是一系列重复频率为1/T(T为开关周期)的不同类型的脉冲串所引起的干扰。

0. 无源器件高频模型

在电力电子设备中，电阻、电感和电容都有大量的被用到。但是随着开关频率的越来越高，电阻、电感和电容在高频下是否还是以纯电阻、纯电容和纯电感的方式工作却值得商榷。电阻、电容和电感的高频模型建立是构建大功率变频器的电路模型的关键之一。

1. 电阻元件高频模型

电阻在低频状态下使用时是最普通的电子元件，它可以看作是一个相角为0的高频元件。它的阻抗可以表示为：

Z (f)=R∠0o （1）

但是在实际应用中，电阻的阻抗特性与理想情况有很大区别，而且在较高频范围内，电阻的阻抗会表现出一定的容性和感性。如图2(a)为电阻的高频等效电路，图中的Lpar表示漏感，Cpar表示寄生电容。对于1Ω抗分析仪Agilent4094A测得电阻高频特性下的阻抗曲线如图2(b)所示。

图2（a）电阻的高频等效电路

图2(b) 1的电阻实测阻抗曲线

2. 电感元件高频特性

理想电感的阻抗表达式如下：

（2）

实际电感的绕组及磁芯都存在分布电容和一定的铁耗和铜耗，另外，当电感为多层绕组时，多层绕组的层与层之间也存在分布电容，使得电感的高频等效电路如图3(a)所示。如图3(a)所示，Rpar为电感的铁耗和铜耗的等效寄生电阻，Cpar为电感绕组匝间及多层绕组之间的总寄生电容。对于0.3H的电感，利用阻抗分析仪Agilent4094A测得电感高频特性下的阻抗曲线如图3(b)所示。

图3（a）电感的高频等效电路

图3(b) 0.3H的电感实测阻抗曲线

3. 电容元件高频特性

理想电容的阻抗可以表示为：

（2）

实际电容因为工艺原因存在一定的杂散电感，所以电容的高频等效电路如图4（a）所示，它包含等效串联电阻Resr、漏感L lead和电容C。对于0.47 的电容，利用阻抗分析仪Agilent4094A测得电感高频特性下的阻抗曲线如图4(b)所示。

图4（a）电容的高频等效电路

图4(b) 0.47μF容实测阻抗曲线

图中R为内阻，L为漏感，Ch为电机绕组的分布电容集成值，Re等效涡流损耗引起的铁芯损耗热电阻，其值与材料内感应强度幅值Bm、频率f和系数η（与电机结构和特性有关的常数）有关。

0. 电机高频模型

由于高频时在绕组内部形成磁通主要为漏磁通，转子产生的高频涡流阻碍磁通穿过气隙，电机内部存在着复杂的电磁耦合关系。在建立电机高频模型时，以一相绕组作为研究对象，其高频模型电路如图5（a）所示。利用阻抗分析仪Agilent4094A测得电机一相绕组高频特性下的阻抗曲线如图5(b)所示。

图5(a)电机高频模型

图5（b）电机实测阻抗曲线

图中R为内阻，L为漏感，Ch为电机绕组的分布电容集成值，Re等效涡流损耗引起的铁芯损耗热电阻，其值与材料内感应强度幅值Bm、频率f和系数η（与电机结构和特性有关的常数）有关。

0. 电缆高频模型

在高频时，由于长电缆导线具有分布特性，即存在漏电感以及耦合电容，会产生反射现象，会产生过电压、高频阻尼振荡，加剧电机绕组的绝缘压力。因此有必要建立电缆的高频模型，其单位长度电缆高频等效电路如图6（a）所示。利用阻抗分析仪Agilent4094A测得1m同轴电缆高频特性下的阻抗曲线如图6(b)所示。

图6(a)电缆高频模型

图6（b）1m电缆实测阻抗曲线

0. 变频器母线排高频模型

变频器每个开关器件的通断都伴随着电磁暂态过程，在此过程中产生的 EMI，主要通过直流母线、缓冲吸收电路、无源电路元件（电感、电容等）以及输出电路等进行传播。直流母排高频模型的建立也尤其重要，如图7（a）所示为直流母排高频等效电路.利用阻抗分析仪Agilent4094A测得3层叠层长38cm、宽25cm、厚0.3cm的母线排高频特性下的阻抗曲线如图7(b)所示。

图7(a)母排高频模型

图7（b）叠层母排实测阻抗曲线

0. 结论

为了解决大功率变频器电磁传导干扰问题，本文分析了直流母排、电阻、电容、电感、电机、电缆等高频特性下的等效电路，并利用阻抗分析仪Agilent4094A测得这些元件阻抗曲线，为建立大功率变频器高频模型打下了基础，为抑制大功率变频器电磁传导干扰抑制提供了参考依据。

参考文献

[1]S. Chen, T. A. Lipo, D. Fitzgerald, “Modeling of motor bearing currents in PWM inverter drives,” in Conf. Rec. of IEEE IAS Annual Meeting,1995, pp. 388-393.

[2] 陈斌，姜建国，孙旭东．PWM 逆变器-感应电机驱动系统中接地电流EMI 问题的分析[J]．中国电机工程学报，2003，23(2)：58-62．

[3] J. Balcells, A. Santolaria, O. Antonio. EMI reduction in switched power converters using frequency modulation techniques[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2005,47(3): 569一576.

[4] 孟进，马伟明，张磊等. PWM变频驱动系统传导干扰的高频模型[J].中国电机工程学报.2008,28（15）,141-146.

[5] 裴雪军.PWM逆变器传导电磁干扰的研究: [博士学位论文].华中科技大学.

[6] 钱照明,程肇基.电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术.杭州:浙江大学出版社.2000.