母线排寄生参数对三相变换器电磁干扰的影响

2015-08-01谢琳琳魏克新

电源技术 2015年10期

关键词：差模杂散等效电路

谢琳琳，梁斌，魏克新

(天津理工大学自动化学院天津市复杂工业系统控制理论及应用重点实验室，天津300384)

母线排寄生参数对三相变换器电磁干扰的影响

谢琳琳，梁斌，魏克新

(天津理工大学自动化学院天津市复杂工业系统控制理论及应用重点实验室，天津300384)

由于母线排的寄生电感和开关过程中较大瞬态电流的存在，在IGBT上形成过电压，对IGBT的性能造成一定的损害。基于部分元等效电路理论(partial element equivalent circuit,PEEC)对三相PWM变换器母线排进行分析，提取其寄生电感和寄生电阻，并对母线排的结构进行了优化。在saber软件中搭建三相变换器的等效电路来分析母线排寄生电感对系统电磁干扰的影响。仿真结果表明母线排的寄生参数对直流侧差模电磁干扰影响较大，并且优化后的母线排的寄生电感和寄生电阻的值降低了数倍，明显减小了高频段差模电磁干扰。这对于变换器主电路设计和可靠性分析具有一定的意义。

变换器；PEEC；寄生参数；电磁干扰；母线排

随着功率等级的不断提高，大容量变换器连接导线的增长和距离的逐渐增加，导致连线杂散电感大幅度增加。变换器的寄生电感在开关器件动作时，由于电流快速变化而感应电压尖峰，造成比较严重的电磁干扰[1-4]。对于大功率电子设备来讲，较有效、较直接的提高设备电磁兼容的性的方法是考虑如何降低自身的电磁干扰。扁平母线排相比于传统的圆形电缆具有低寄生电感、结构紧凑、散热性能良好的优势[1-2]。因此，提取和计算其寄生参数对传导电磁干扰分析是关键的，并且合理地设计母线排的结构也有利于降低杂散参数，提高系统的电磁兼容性。文献[2-4]是针对H桥功率单元的直流母线进行分析，对三相大功率变换器直流母线排的研究较少，而且研究由于母线排寄生参数的存在对变换器电磁干扰造成的影响的文章并不多见。

本文所研究的对象是三相PWM变换器中连接IGBT的母线排，其主电路结构如图1所示。其中交流侧是3 mH的电感，直流侧是L=20 Ω电阻和=4 700 μF电容的并联。六个IGBT和反并联的二极管构成三相整流桥。在直流侧，电容为直流储能滤波器件。本文利用PEEC法对三相母线排的杂散参数进行提取，进而改进母线排的结构，从而降低系统的传导电磁干扰。

图1 三相PWM变换器主电路图

1 部分元等效电路(PEEC)原理[5]

部分元等效电路法是一种三维全波模拟的方法，其在频域和时域内均可有效地对电磁和电路的组合问题进行分析。PEEC是由积分方程推导得出的，对一个基本的PEEC网络来说，积分方程可简化为一个等效电路，一个三维结构可由一个完整的等效电路给出，因此，PEEC法可以看作是积分方程的电路描述，它利用电路的方法对电磁模型的积分方程进行解释，从而可以直观地理解。PEEC模型的起点是导体上任一点电场源之和：

2 应用PEEC计算母线排寄生参数

所研究的三相变换器直流侧母线排，物理结构如图2。其中：较宽的截面为26 mm×3 mm，较窄截面为21 mm×3 mm，由于母线排的实际结构比较复杂，所以对其物理模型做如下简化：忽略母线排上的螺孔和连接螺栓；忽略绝缘介质、散热器中的散热孔和周围电缆的影响。

图2 母线排结构

按照PEEC的划分原则对母线排的单元划分如图3所示。

图3 母线排部分单元划分

对于铜导体而言，电导率 σ=5.8×107S/m，磁导率 μ= 4 π×10-7H/m。利用前述的PEEC方法，部分单元的寄生

表2 负母线排的寄生电阻值

表1 正母线排的寄生电阻值

电感的计算，利用PEEC方法，对每一部分的自感进行了计算，各部分的值如表3和表4所示。

表3 正母线排寄生电感值

表4 负母线排寄生电感值

3 优化后母线排的参数计算

据相关文献介绍，采用层叠型的母线排结构可以使得各器件具有良好的关断特性，可以抑制过电压等优点。本文采用层叠母线排对三相母线排进行建模分析，提取寄生参数，并验证其低杂散电感的特性。层叠型的母线排结构如图4所示。

图4 优化后的母线排结构

同样，利用PEEC原理对母线排进行分段计算，得到其总的杂散参数为：正母线排总=3.93×10-6Ω，总=27.20×10-9H，负母线排总=3.78×10-6Ω，总=40.40×10-9H。可以看出层叠母线排的电阻和电感有很大的改变，大约优化了一个数量级。原结构的母线排总的寄生参数和优化后结构的母线排总的寄生参数见表5。

表5 优化前后母线排的寄生参数

4 仿真结果及分析

由于电磁兼容设备昂贵，受实验条件的限制，利用Saber软件进行了仿真分析。Saber软件强大的电力和电子仿真软件，仿真结果真实性较好。分别在Saber中建立不含母线排寄生参数和包括母线排寄生参数的仿真电路。在时域进行瞬态分析，然后再进行快速傅里叶变换(FFT)求得频域的频谱图。得到的共模和差模电磁干扰频谱如图5至图8所示。

从图5至图8的频谱图可以看出寄生参数对差模影响较大。这是由于差模干扰指的是相线与相线之间的干扰，它主要是由变换器快速开关引入的脉动电流引起的，直接通过相线与负载形成回路，并且母线排的杂散电感和开关过程中较大的d/d 引起一定的差模电磁干扰。

改进后的母线排由于杂散参数较原母线排的杂散参数值小很多，由图5～8也可以看出优化后系统的电磁兼容性有所提高，尤其是降低了高频段差模噪声。

图5 原差模噪声频谱

图6 原共模噪声频谱

图7 优化后差模噪声频谱

图8 优化后共模噪声频谱

5 结论

本文以三相PWM变换器为研究对象，利用PEEC方法提取母线排的寄生参数，然后对其母线排的结构进行了优化。仿真结果表明，优化后的杂散参数降低了一个数量级左右，明显降低了高频段差模电磁干扰，对提高系统的电磁兼容性有一定的意义。

参考文献：

[1]周建春，李新民，徐国林，等．高电磁兼容性新型母线排的设计[J].电子工程师，2008，34(8):38-40.

[2]陈名，孙旭东，黄立培．三相逆变器共模传导电磁干扰的建模与分析[J]．电工电能新技术，2012,31(1):18-21.

[3]李方正，孙旭东，黄立培，等．大容量变流器复杂形状直流母线的PEEC建模[J]．清华大学学报：自然科学版，2009，49(8)：1089-1092.

[4]李方正，孙旭东，黄立培．基于PEEC模型分析的H桥单元直流母线的改进设计[J]．电工电能新技术，2010,29(2):5-8.

[5]FERRANTI F,ANTONINI G.Physics-based passivity-preserving parameterized model order reduction for PEEC circuit analysis[J]. IEEE Transactions on Components,Packaging and Manufacturing Technology,2011,1(3):399-402.

[6]钱照明，陈恒林.电力电子装置电磁兼容研究最新进展[J].电工技术学报，2007,22(7):1-9.

[7]郭犇，李思奇，蒋小华，等．三相IGBT逆变器中的尖峰电压分析[J]．电力电子技术，2010,44(10):91-94.

[8]魏燕飞，曹海翔，孙旭东，等．基于PEEC法的发电机定子绕组线棒高频电路模型[J]．电工电能新技术，2007,26(3):6-10.

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[10]马伟明，张磊，孟进.独立电力系统及其电力电子装置的电磁兼容[M].北京：科学出版社，2007:1-308.

Analysis of electromagnetic interference effects produced by bus-bar parasitic parameters of three-phase PWM converter

Because of the parasitic inductance in the bus bar and large transient currents the switching process,the over-voltage on IGBT was formed and cause some damage to the IGBT performance.Based on the partial element equivalent circuit(PEEC),the three-phase PWM converter of bus bar row was analyzed,the parasitic inductance and parasitic resistance were extracted, and then bus bar structure was optimized. In the saber software the three-phase equivalent circuit of the converter was built to analyze the impact of the bus bar's parasitic inductance to the system electromagnetic interference.The results of simulation show that the bus bar's parasitic parameters have a greater impact on the DC side of the differential mode electromagnetic interference,and the parasitic parameters of optimized busbar reduce about one order of magnitude,significantly reducing differential electromagnetic interference at high frequency.It had a certain significance for the design and reliability analysis of the converter main circuit.

converter;PEEC;parasitic parameter;electromagnetic interference;bus bar

TM 41

1002-087 X(2015)10-2291-04