T型三电平逆变器的共模干扰机理研究

孙 凯, 王全东, 李方正, 孟宪波

(1. 电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室, 清华大学电机系， 北京 100084;2. 装甲兵工程学院控制工程系, 北京 100072)

T型三电平逆变器的共模干扰机理研究

孙 凯1, 王全东2, 李方正2, 孟宪波2

(1. 电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室, 清华大学电机系， 北京 100084;2. 装甲兵工程学院控制工程系, 北京 100072)

通过对T型三电平逆变器拓扑结构和工作模态的分析，得出逆变器共模电压的主要产生原因，推导了传统正弦PWM控制下共模电压的傅立叶表达式，并分析了其谐波成分。提出了T型三电平逆变器的共模传导电磁干扰高频等效电路模型，将基于该模型的共模电流频谱仿真结果和在T型三电平逆变器实验样机上获取的实测结果进行了对比分析，二者相互吻合，验证了本文提出的高频等效电路模型。本文的研究成果为T型三电平逆变器的共模电磁干扰抑制提供了重要的基础。

T型逆变器; 共模干扰; 共模电压; 高频等效模型

1 引言

多电平逆变器在电压应力、功率容量和供电质量等方面较两电平逆变器有很大优势。采用RB-IGBT进行中点箝位的T型三电平拓扑是一种改进型的三电平中点钳位(NPC)电路(如图1所示)，与目前应用较多的二极管NPC拓扑相比，器件更少、损耗更小、输出电压谐波更小、功率损耗分布更加均衡[1]，在光伏、分布式发电以及交流调速领域具有广泛的应用前景。

图1 T型三电平NPC拓扑Fig.1 T-type 3-level NPC inverter topology

然而，T型三电平逆变器的共模干扰问题并未得到改善。一方面，开关器件动作时较大的dv/dt会给系统带来很大的电压冲击和共模干扰[2,3]；另一方面，PWM调制无法保证三相输出电压之和为零，产生幅值和变化率都较大的共模电压。共模电压和电流会对系统变换器和负载产生不利影响，甚至可以严重影响系统可靠性和使用寿命[4,5]。而且，由于T型三电平逆变器更加复杂的拓扑结构和调制方法，其共模干扰的生成和传播机理更加复杂。

国内外学者对电力电子变换器共模干扰的产生机理、传播通道、抑制方法等问题进行了深入研究，但多是针对Buck电路和PWM调制算法[6-10]，对T型逆变器的共模干扰及高频模型的研究较少。建立包括主要无源元件和主电路连接导体在内的高频等效电路模型，是研究该型逆变器电磁兼容问题的重要基础，是实现变换器电路优化设计、抑制变换器EMI的重要条件。

2 工作模态分析

假设图1所示单相T型逆变器的负载为阻感负载，其输出电压、电流及驱动信号波形如图2所示，一个工作周期内输出电压电流存在四种相位关系，每种相位关系包含两种交替变换的工作模态。

图2 输出电压、电流及驱动波形示意图Fig.2 Output voltage, current and drive signals

当开关管S1、S4的驱动为正，S2、S3的驱动为负，并且变换器的输出电流流向负载(定义为正方向)，此时开关管S1导通，逆变器输出电压为Vdc/2，尽管S4驱动信号为正，但其由于承受反压而处于关断状态，该工作状态定义为模态1，如图3(a)所示。

将S1的驱动由正变负，其余驱动信号保持不变，开关管S1由导通变为截止，由于驱动为正，S4导通以保持输出电流持续流向负载，此时逆变器输出电压为0，该工作状态定义为模态3，如图3(b)所示。

如果输出电流方向保持不变，S2、S3的驱动为正，S1、S4的驱动为负，电流通过S2的反并联二极管D2续流，此时逆变器输出电压为-Vdc/2，该工作状态定义为模态5，如图3(c)所示。

图3 各模态等效电路图Fig.3 Equivalent circuits of each operation mode

如果输出电流的方向为负，在不同的驱动信号组合下，逆变器输出可以工作在模态2、4、6，其分析与模态1、3、5类似，不再赘述。

在上述六种工作模态中逆变器的输出电平只有Vdc/2、0、-Vdc/2三种，分别称为P、O、N状态，相应的开关状态如表1所示，其中S1和S3、S2和S4互补导通。

表1 输出电压与开关状态

3 共模电压

带三相对称阻感负载的三相T型三电平逆变器如图4所示。

图4 三相T型三电平逆变器拓扑Fig.4 Three phase T-type inverter

以O为参考点，则：

(1)

对于三相对称电路，总有：

(2)

代入式(1)可得：

(3)

在三相PWM逆变器中，共模电压为逆变器输出中点N对参考地的电位差[10,11]，则三相T型逆变器的共模电压为：

(4)

三相T型三电平逆变器的每个桥臂有P、O、N三种开关状态，因此三相桥共存在33=27种开关状态，各开关状态下的共模电压如表2所示。

表2 各开关状态下的共模电压

输出端A、B、C相对于参考点O的电压由调制方式决定，为减小共模电压，可以采用正负反向层叠式(POD)调制方式，一般选择载波比为3的整数倍，并令载波与调制波同步，驱动信号及单相输出电压如图5所示。

图5 POD控制Fig.5 POD control

由图5可见，一个工作周期内，输出相电压VAO波形关于点(Ts/2，0)成镜像对称，根据贝塞尔函数可得VAO的傅里叶级数表达式为：

(5)

式中，M为调制比;N为载波比;Jn为第一类贝塞尔函数。同样地，B、C相的波形也为镜对称，也可以得到类似的表达式。因此，此时的共模电压：

(6)

可见，共模电压的频谱中不存在开关频率次谐波及其m次开关谐波(m=1,2…)，而只存在其边频带。边频带的幅值为：

(7)

开关频率fs为15kHz时共模电压uCM的频谱分析如图6所示，其中mN±3次谐波的幅值较大。

图6 共模电压FFT分析Fig.6 FFT analysis of common mode voltage

4 共模高频等效电路模型

开关管开关过程中产生的dv/dt是三相T型逆变器主要的共模传导EMI干扰源，它通过电路中的各无源元件与导体、电机以及对地之间的杂散电容进行充放电，形成了共模电流，从而对电网或其他设备形成共模干扰。

4.1 高频等效电路模型

直流输入端包含简化LISN电路的单相T型逆变器如图7所示，其中Cn1、Cn2、Cp和Cg为直流母线正负极、开关管发射极和负载对参考地的寄生电容。共模电流通过寄生电容Cn1、Cn2、Cp和Cg到达参考地，通过线性阻抗网络的两条回路回到直流侧。

图7 带LISN的单相T型逆变器Fig.7 Single phase T-type inverter with LISN

当输出电流io>0时，逆变器在一个工作周期内存在二、三两个工作区间，下面以区间二的模态1、3为例进行分析。

模态1时，开关管S1导通，电流由S1流向负载，这与Buck电路中S1的导通效果是一致的，区别在于此时Buck电路中P点电位为Vdc，而T型逆变器中U点电位为Vdc/2；模态3时，S1关断，S4导通，负载电流通过S4续流，这与Buck电路中D导通续流的效果是一致的。所以单相T型逆变器的1、3模态就构成一个Buck电路，产生的共模电流及相应的等效电路与Buck拓扑是相似的[11]，如图8所示。

图8 模态1、3共模干扰传播通道及等效模型Fig.8 Common-mode interference passage-way and high-frequency equivalent under Mode 1, 3

图8中，Rcab、Lcab为LISN到直流电容的等效电阻和电感，Rcm、Lcm为散热器、地线及LISN间连接线的等效电阻和电感。

当输出电流io< 0时，逆变器在一个工作周期内存在一、四两个工作区间，下面以区间四的模态4、6为例进行分析。

模态4时，开关管S2导通，电流由S2流向负载，这与Buck电路中S1的导通效果是一致的；模态6时，S2关断，S3导通，负载电流通过S3续流，这与Buck电路中D导通续流的效果是一致的。所以单相T型逆变器工作区间四内的模态4、6也构成Buck电路，它与工作区间二内模态1、3的等效Buck电路区别在于其开关管(S2)的位置位于下方，但这样的结构对Buck的功能没有影响，相应的共模干扰传播通道及等效电路如图9所示，其余工作区间内各模态的分析与此类似。

图9 模态4、6共模干扰传播通道及等效模型Fig.9 Common-mode interference passage-way and high-frequency equivalent under Mode 4, 6

在一个工作周期内，单相T型逆变器在四种不同的工作模态下具有不同的共模电压，但都可以用U点对O点的电压表示，则共模电压为：

(8)

当逆变器负载为纯电阻或阻感负载时，负载对地寄生电容Cg可忽略，此时逆变器的高频等效电路如图10所示。

图10 三相T型逆变器共模干扰等效模型(Cg可忽略)Fig.10 Common-mode interference equivalent model of 3-phase T-type inverter (ignore Cg)

但当其负载为电机等交流负载时，此时三相交流负载对参考地的寄生电容Cg已不可忽略，必须将电机的高频模型及寄生Cg考虑在内。感应电机的高频等效电路模型如图11所示，其中W、N和G分别为三相感应电机的输入端子、中性点和接地端子；Re、Ld、Ca,b,c和Cg分别为电机的铁心损耗等效电阻、绕组漏电感、输入端子对地杂散电容和绕组中性点对地杂散电容[12]。则带电机负载的三相T型逆变器传导干扰等效模型如图12所示。

图11 三相感应电机及其高频模型Fig.11 3-phase induction machine and its high-frequency equivalent model

图12 带电机负载的共模干扰等效模型(Cg不可忽略)Fig.12 Common-mode interference equivalent model with induction machine (without ignore Cg)

4.2 仿真分析与实验验证

负载为纯电阻条件下，共模电压的仿真及实测波形如图13所示，其中Va、Vb分别为LISN两个50Ω电阻的电压，共模电压VCM=(Va+Vb)/2，它与逆变器的开关器件的导通关断动作密切相关，随开关状态的变化周期呈现周期性的变化。

图13 共模电压VCM仿真及实测波形Fig.13 Simulation and experiment waveforms of common-mode voltage

仿真及实测共模传导干扰电压VCM的FFT分析如图14所示，对比分析结果如下。

图14 共模传导干扰VCM频谱分析(电阻负载)Fig.14 Frequency spectrum analysis of common-mode voltage with resistance load

(1)在0～10MHz的范围内，两条频谱曲线的峰值和变化趋势基本一致，在50kHz(开关频率为5kHz)处都存在一个55dB左右的峰值点。

(2)在10～50MHz的高频段内，实测频谱与仿真频谱存在误差，仿真频谱出现了一个幅值较小的拐点和峰值点。由于测量仪器测量精度和采样点个数的局限，未能对部分高频信号进行有效提取，导致实测频谱未能如实反映10～50MHz频段内部分高频信号的实际情况。但在此频段内，共模电压频谱的幅值较小，两条频谱曲线的误差也不超过5dB，对传导EMI频谱分析和预测的影响较小，仿真频谱仍能较为准确地反映传导共模干扰的实际状况。

负载为三相感应电机时，不同开关频率和对参考地寄生电容条件下共模传导干扰电压VCM的FFT分析结果如图15所示。

图15 共模传导干扰VCM频谱分析(感应电机负载)Fig.15 Frequency spectrum analysis of common-mode voltage with induction machine load

(1)由图15(a)与图14(a)对比分析可知，由于三相与单相逆变器共模干扰传播通道的不同(三相为电机负载，其对参考地有较大的寄生电容)，使其频谱与单相时的共模干扰具有较大差异。

(2)由图15(a)、图15 (b)、图15 (c)对比分析可知，共模传导干扰幅值随开关频率的增加而略有增加，但不同频率下干扰频谱的第一个拐点都在5MHz左右，说明其不受开关频率的影响。5MHz以上高频段的频谱与开关频率密切相关，这是由于共模电压中包含开关频率的高次谐波，开关频率越高，谐波频率也越高，高频段的拱形波峰也越多(密集)。

(3)由图15(a)、图15 (d)对比分析可知，在开关频率不变的情况下，电机对地寄生电容扩大10倍，其共模干扰的幅值增加了10～20dB，说明共模传导干扰与电机对地寄生电容值紧密相关，寄生电容越大，共模干扰越严重。

5 结论

本文研究了T型三电平逆变器中共模电磁干扰的产生机理，提出了相应的共模高频等模型，实测的共模电流频谱与基于高频等效模型仿真得到的共模电流频谱具有很高的一致性，说明该模型可以准确地描述T型三电平逆变器的共模电流。该模型为T型三电平逆变器的共模电磁干扰抑制提供了重要的基础和依据。

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Study on common mode interference mechanism in T-type three-level inverters

SUN Kai1, WANG Quan-dong2, LI Fang-zheng2, MENG Xian-bo2

(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Control Engineering Department, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

The topology and operation modes of the T-type three-level inverter are analyzed to figure out the main causes for common mode (CM) voltages. The Fourier expression of the common mode voltage under traditional sinusoidal pulse width modulation (SPWM) is deduced for harmonics analysis. A high frequency equivalent circuit of T-type three-level inverters for the common mode interference analysis is proposed. The simulation results with the proposed model coincide with the experiments results on the experimental prototype very well, which shows that the model is effective with acceptable accuracy. This study provides an important basis on CM interference suppression for T-type three-level inverters.

T-type inverter; common mode interference; common mode voltage; high-frequency equivalent model

2015-06-02

国家自然科学基金资助项目(51177083)

孙 凯(1977-)， 男， 北京籍， 副教授， 博士生导师， 研究方向为电力电子与新能源发电； 王全东(1989-)， 男， 河南籍， 硕士研究生， 研究方向为电力电子变换器的电磁干扰建模。

TM464

A

1003-3076(2016)03-0001-07