逆变器共模电压干扰及抑制措施研究.pdf
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1、第 4 期电磁兼容 EMC渊electromagnetic compatibility冤的关键在于根据安培定律原则识别闭环系统中流动电流的性质和认识到电流可以流动在非预期的路径上遥 通常将电磁干扰 EMI渊electromagnetic inter鄄ference冤划分为两大类院共模干扰和差模干扰遥 由于发射信号和返回导体之间的寄生效应和不平衡性袁会产生共模电流遥 共模电流是电路和系统中接地相关问题以及 EMI 的主要原因1遥共模电流始终将信号参考结构作为返回路径袁根据定义袁它们不会通过电路的预定导体返回遥 在电路中袁有关共模信号存在的主要问题是与差模电流相比袁 共模干收稿日期院2021鄄01
2、鄄19曰录用日期院2021鄄02鄄22基金项目院陕西省科技厅科技成果转移与推广计划资助项目渊2020CGXNG鄄006冤Project Supported by Science and Technology AchievementTransfer and Promotion Project of Shaanxi Provincial Scienceand Technology Department渊2020CGXNG鄄006冤逆变器共模电压干扰及抑制措施研究王建渊1袁栗俊明2袁陈晓煊1袁姬军鹏1渊1.西安理工大学电气工程学院袁西安 710048曰 2.博世力士乐渊西安冤电子传动与控制有限公司袁
3、西安 710021冤摘要院在紧凑型逆变器设计中袁随着功率密度的提升袁功率器件快速开关过程所引起的电磁兼容 EMC渊electromagnetic compatibility冤问题越来越突出袁而要使逆变器在各种环境条件下稳定运行袁EMC 设计显得尤为关键遥 针对逆变器的共模干扰问题袁从共模干扰传导的 3 条路径展开分析袁基于 ANSYS 电磁仿真平台建立了逆变器共模干扰等效模型袁分析干扰信号的传播通道及作用原理袁得出共模干扰电压与寄生电容的关系袁通过实验进行验证袁提出了 2 种通过减小寄生电容进行共模抑制的有效方法遥 从原理分析到仿真得出结论袁然后用案例加以验证袁对于逆变器 EMC 设计及逆变器
4、共模干扰问题的解决具有实际指导意义遥关键词院电磁兼容曰逆变器曰共模干扰曰ANSYS 仿真Study on Common鄄mode Voltage Interference of Inverter andCorresponding Suppression MeasuresWANG Jianyuan1,LI Junming2,CHEN Xiaoxuan1,JI Junpeng1渊1.School of Electrical Engineering,Xi爷an University of Technology,Xi爷an 710048,China;2.Bosch Rexroth 渊Xi爷an冤Ele
5、ctric Drives and Controls Ltd,Xi爷an 710021,China冤粤遭泽贼则葬糟贼院 With the increasing power density in the design of a compact inverter,the electromagnetic compatibility渊EMC冤 problems caused by the rapid switching process of power components are becoming more and more prominent.To make the inverter operate
6、 stably under various environmental conditions,EMC design is particularly critical.Aimedat the common鄄mode interference problem of the inverter,the three paths of common鄄mode interference conduction areanalyzed.Based on the ANSYS electromagnetic simulation platform,the equivalent model of inverter c
7、ommon鄄mode in鄄terference is established,and the propagation channel and action principle of the interference signal are analyzed.Therelationship between common鄄mode interference voltage and parasitic capacitance is obtained.After the verification byexperimental results,two effective methods of commo
8、n鄄mode suppression by reducing parasitic capacitance are proposed.Conclusions are drawn based on the principle analysis and simulation results,which are further verified by two casestudies,providing a practical guidance for the EMC design of inverter and a solution to its common鄄mode interferencepro
9、blem.Keywords:electromagnetic compatibility渊EMC冤;inverter;common鄄mode interference;ANSYS simulationDOI院10.13234/j.issn.2095鄄圆愿园缘援圆园23援4.195中图分类号院TM464文献标志码院A电源学报Journal of Power SupplyVol.21 No.4Jul.2023第 21 卷 第 4 期2023 年 7 月电源学报第 21 卷+-V接收机Rcm10.25 滋F25 赘Cy1Cy2Cy2CxCxCy1Cy3Cy10Rcm2Rcm3Vcm2Lcm2Lcm3R
10、cm3Lcm3Cy11域芋Cy7+Cy8+Cy9Cy4+Cy5+Cy6玉Lcm1Vcm1Vcm3图 1逆变器共模传导干扰模型Fig.1 Model of inverter common鄄modeconducted interference图 2逆变器共模传导干扰简化电路Fig.2 Simplified circuit for common鄄mode conductedinterference of inverter扰产生的辐射和串扰要大得多遥共模干扰是电路中不希望出现的副产品袁会导致接地和平衡情况出现问题遥实际应用中袁逆变器尧开关电源尧模拟数字控制设备尧 电机及网络监控设备等组成电气传动系统P
11、DS渊power drive system冤运行时袁产品及系统性 EMC问题也一直困扰着我们遥 产品设计及应用过程中EMC 问题也层出不穷袁 例如逆变器控制电机编码器信号异常波动导致电机转速不稳定曰逆变器信号端口接受到外来过电压过电流导致端口损坏曰显示屏在电气柜中设备运行时发生闪烁不停等袁这样的故障通常导致系统停机袁同时也会使客户的利润和效益直接受损遥在各种类型的电磁兼容问题中袁 共模干扰尤甚遥 针对共模电压干扰袁通常从干扰源尧耦合路径和被干扰设备 3 个方面进行分析遥 对干扰源的抑制主要通过改变调制方式或者增加额外电路的方式来降低共模电压曰保护敏感设备主要通过隔离以及屏蔽等措施来抑制干扰袁这
12、两方面都有很多理论研究及实践案例袁而对于共模干扰传导路径却鲜有研究2鄄5遥为解决逆变器设计中共模电压干扰问题袁提高逆变器的稳定运行能力袁本文通过对逆变器共模干扰建模袁分析 3 种共模干扰回路遥通过理论分析尧对传导干扰模型进行仿真以及实验案例袁验证所提方法的有效性遥1逆变器共模电压传导模型逆变器正常工作需要其他电力变换设备袁 包括主回路三相电源尧整流单元尧降压电路及 PWM 控制电路等袁同时也需要配置外围辅助设备袁例如通信控制设备以及电机等遥本文主要就逆变器模块对地尧输出线缆和电机对地尧 逆变器通过辅助设备对地这 3条路径进行干扰分析及验证6鄄8遥 以逆变器模块为主体袁加入电机尧线缆及通信控制设
13、备袁并将对地寄生电容作为主要影响因子袁 建立逆变器系统对地共模干扰模型袁其简化共模传导干扰模型如图 1 所示遥2逆变器共模干扰传导的 3 条路径分析对图 1 模型进行分析袁提取出主要的 3 条干扰传导路径遥 同时袁为了定量分析对地寄生电容对传导干扰的影响袁 按照工业产品传导干扰测试标准EN55011 的要求袁建立实际的测试系统模型进行仿真分析9鄄13遥根据电源口传导干扰测量要求袁为了对干扰电压进行定量分析袁需要引入人工电源网络要要要线路阻抗稳定网络 LISN渊line impedance stabilization network冤的电路模型遥LISN 的作用有院淤在 0.15 kHz30 M
14、Hz之间为相线与地线提供稳定的 50 赘 阻抗网络曰于为待测设备提供干净电源曰盂通过 LC 网络采样待测设备干扰电压至接收机进行测量遥结合图 1 所示逆变器系统干扰模型及其 CIS鄄PR16鄄1鄄2 中 LISN 模型电路袁 可以得到逆变器共模传导干扰简化电路模型袁如图 2 所示遥+-+-耀DC电源AC电源PWM逆变单元Cy1Cy2Cy3Cy10Cy1100辅助单元信号线缆电机线缆负载电机Cy4Cy5Cy6Cy7Cy8Cy9Cx196第 4 期王建渊袁等院逆变器共模电压干扰及抑制措施研究图 2 中院Vcm1为主回路等效共模干扰源曰Vcm3为逆变模块对地等效干扰源曰Vcm2为电机及线缆对地等效干
15、扰源遥其中电容尧电阻尧电感分别为对地等效电路阻抗模型遥2.1 逆变模块对地共模干扰分析在 PWM 逆变器中袁为了结构可靠及散热需求袁通常逆变器模块与散热器及机壳连接在一起袁同时为使人体触摸设备时不产生触电袁设备外壳一般都要接地遥 随着开关频率的提升袁导致脉冲电压 dV/dt的升高袁其最高可达到 10 kV/滋s遥 而快速开通关断带来了感应电压袁通过寄生电容到地形成共模电流遥模块内部设计中袁为保证 IGBT 不过热失效袁集电极尧发射极与金属散热片之间只有一个很薄的绝缘层遥 IGBT 的金属散热片与散热器紧紧地贴在一起且需要涂上导热硅脂袁 这就在开关管的集电极尧发射极与散热器之间形成了一个很大的寄
16、生电容Cy3遥 共模电压不断地对该寄生电容进行充放电袁引起共模电流遥 寄生电容近似计算公式为Cy3=8.85伊1012A着rh渊1冤式中院着r为开关管与散热片间绝缘垫片的相对介电常数曰A 为散热片的面积曰h 为绝缘垫片的厚度遥这样可以得出回路玉共模干扰电压 V玉遥 可以看出袁在逆变器固有电路参数确定的情况下袁耦合电容 Cy3越小袁 通过散热器回路到地的共模干扰就越小遥 所以对于逆变模块对地阻抗的控制尧导热材料的应用以及整机装配方面要格外注意遥回路玉共模干扰电压为V玉=25渊Vcm1+Vcm3冤Z玉渊2冤Z玉=25+52仔f+Rcm1+2仔fLcm1+12仔fCy3渊3冤2.2 输出线缆和电机对
17、地共模干扰分析通过电缆和线束进行信号连接是任何电气或电子系统不可分割的一部分袁因此袁如何实施接地是从单个组件一直延伸到整个系统的问题遥很多时候客户都觉得只要系统能够正常工作袁为什么要担心接地问题袁从电磁兼容的角度来看袁这种理念是灾难性的遥 线束和电缆布线是 EMI 入侵电气或电子系统的主要途径遥 为了控制这种干扰袁特别是干扰源几乎没有控制或者得不到根本控制的情况下袁采用稳健的诸如信号接口设计尧电源线与信号线隔离尧利用差分而不是单端接口尧线束电缆和设备外壳可靠接地尧增加滤波和干扰抑制电路等措施就显得尤为重要遥 通常袁在系统工作中袁这些措施是组合作用的袁哪一个环节都会以木桶短板的原理影响到整个系统
18、的电磁兼容性遥 本节就逆变器线缆对地及电机回路展开分析遥在逆变器正常工作时袁 输出侧高频脉冲电压袁快速的上升下降沿带来很强的耦合干扰袁主要是在相间及各相对屏蔽层的耦合遥 同时袁脉动电压也会通过电机转子与定子之间的耦合电容产生共模电流遥 通过对主电路模型的分析袁得出路径域的共模电压为V域=25渊Vcm1+Vcm2冤Z域渊4冤Z域=25+52仔f+Rcm1+2仔fLcm1+12仔f渊Cy4+Cy5+Cy6冤/Rcm2+2仔fLcm2+12仔f渊Cy7+Cy8+Cy9冤蓘蓡渊5冤2.3 逆变器通过辅助设备对地共模干扰分析逆变器与辅助设备进行通信袁在传输信号的同时袁 也会将自身产生的干扰通过信号线耦合
19、到地遥此路径共模干扰的大小与信号本身的传输形式及对地回路的阻抗有关遥 通常差分传输的信号对地干扰更小袁抗干扰性能更好曰屏蔽线也可提供更低阻抗回流路径袁对信号起到屏蔽电磁干扰的目的遥 此回路形成的等效共模电压为V芋=25渊Vcm1+Vcm3冤Z芋渊6冤Z芋=25+52仔f+Rcm1+2仔fLcm1+12仔fCy10+Rcm3+2仔fLcm3+12仔fCy11渊7冤3仿真验证为了验证本文所提方法的可行性和准确性袁在197电源学报第 21 卷图 5逆变器电源口共模电压与各回路寄生电容关系仿真模型Fig.5 Simulation model of relationship between common
20、鄄mode voltage of inverter power port and parasiticcapacitance of different paths图 3逆变器传导干扰测试仿真Fig.3 Test simulation of inverter conducted interferenceANSYS Simplorer 进行建模仿真袁 为了使仿真接近实际测试结果袁引入厂家非线性 IGBT尧整流二极管模型袁 建立具有寄生参数的线缆及电机等模型袁同时提取关键路径的 PCB 寄生参数袁 搭建逆变器电源口传导电压测试系统模型袁如图 3 所示遥运行仿真并提取系统共模干扰电压袁以作为后续定量分析
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