一种船用逆变电源电磁兼容试验

王旺球，宋 辉，陈华锋

（中国船舶重工集团公司 第七一三研究所，郑州 450015）

一种船用逆变电源电磁兼容试验

王旺球，宋 辉，陈华锋

（中国船舶重工集团公司 第七一三研究所，郑州 450015）

文章介绍了一种船用逆变电源的原理，按照GJB 151A进行了电磁兼容试验，针对试验过程中产生的电磁兼容超标问题，采取改善开关导通条件和安装滤波器等抑制措施，最终满足了指标要求。

逆变电源；电磁兼容；试验

0 引言

随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。逆变就是对电能进行变换和控制的一种基本形式，它完成将直流电变换成交流电的功能。

船用配电柜对全船的电力系统进行区域划分，它以电力电子变流装置为核心元件，利用现代电力电子变流技术，向用电负载提供不同电制、不同频率、不同幅值需求的电能。与传统配电技术相比，直流输入的配电系统有利于提高船舶生命力，减少配电系统重量和制造成本，有利于船舶总体优化和升级改造[1-3]。

某型船舶在特定工况下，由蓄电池提供唯一动力来源，需要采用交流设备将直流电变换为恒定的交流电供给交流负载使用。本文设计了一种船用逆变电源，并对其进行了电磁兼容试验，对试验项目上出现的问题进行了整改，满足了试验指标要求。

1 工作原理

逆变电源由输入接电电路、输入滤波电路、IGBT三相逆变、LC滤波和三相隔离输出电路、三相输出反馈电路、波形控制和驱动、三相输出采样电路、微处理器控制电路、状态控制和辅助电源等组成。逆变电源原理框图见图1。

直流电通过输入接电电路接入交流电源，经延时上电后送至输入滤波电路，滤波后的直流电压输送到IGBT逆变电路，为保证三相不平衡工作时的电压，IGBT逆变电路由三组相同电路组成，每组由功率模块IGBT和高压脉冲吸收电路组成，采用桥式逆变电路，三组电路除了输出相位相差 120°外，其余电路完全相同。三相逆变电路由微处理器进行控制，通过主控制板上的EPROM和D/A转换，输出相位分别为0°、120°和240°的三相正弦信号并送到信号控制板；输出的三相电压、电流采样信号经过A/D转换，由微处理器采集和处理。输送到信号板上的三相正弦信号，通过采用先进的正弦脉宽调制技术（SPWM）产生三相SPWM波，分别送给三组IGBT隔离驱动电路驱动IGBT，得到放大后的SPWM波，再经过LC滤波、输出变压器和输出滤波电路，得到稳定的50 Hz三相交流电。状态控制电路主要实现复位、状态指示、故障指示、输出电压和电流采样信号。

功率逆变电路是逆变电源的核心部分，电路有三路独立桥式逆变组成，基本结构图见图2。

基本结构中主要有功率模块IGBT、吸收电容和隔离驱动组成，具有以下功能：

1）具有短路保护功能；

2）具有过欠压保护功能；

3）具有过温保护功能；

4）每相可独立控制、调压；

5）功率开关管并联吸收电容，在开关管关断瞬间源漏极之间的电压变化率得以降低，减少了容性位移电流引起的开关噪声，提高了电磁兼容性能。

2 电磁兼容设计

对于电磁兼容设计来说，重要的有三个要素：骚扰源、耦合途径以及敏感设备。针对这三个方面，展开了交流直流电源电磁兼容设计工作。

对于由于交流电源的功率变换器工作于高频开关状态，在半导体开关导通与关断瞬间，电压和电流的高速变化会产生宽频谱的电磁噪声。逆变电源输入端会产生高频电压脉冲，叠加在直流输入电压端，产生传导差模干扰噪声。由于线路分布电容和电感存在，共模噪声则源于主电路与地面之间及隔离变压器内寄生电容的充电及放电所产生的对地电势波动，该噪声电流通过接地线传播[4]。因此，其本身相对于其他敏感设备来说，就是一个骚扰源。对于开关电源的控制等小信号，外部骚扰也会影响到电源的正常工作。因此电源设计的重点包括降低电源自身对外界的干扰，提高自身的抗干扰能力，同时切断骚扰源的传播途径。

为减小电源本身的对外骚扰以及提高电源的抗干扰能力，电源在设计中采取了以下措施：

1）对功率母线采用夹心饼干式布线，减小分布电感，并加无感电容，降低开关尖峰电压，改善了开关管的导通与关断条件，在不损失效率的前提下，减缓了各节点的电压变化率和各支路的电流变化率，抑制了高次谐波的对外传导和辐射。

2）功率变压器采用次级—初级—次级绕组工艺，减小了分布参数的影响，有利于降低开关关断时的反向恢复噪声。

3）电源内部直流母线正负端以及电源输出正负与机壳之间均放置了共模滤波电容，可以有效衰减外部信号对电源的干扰，提高电源自身的抗干扰能力。

4）电源箱体和电源模块壳体采用比较高的电磁导率金属板，有利于提高产品电磁屏蔽效果。壳体内表面处理方式为镀彩锌，有利用提高壳体的磁导率和耐腐蚀性。

5）在保证模块散热要求的情况下，尽量不开散热孔；并且所有的散热孔开孔方式都是规则的圆孔，这样也有利于提高壳体的电磁兼容性。

3 电磁兼容试验及整改

3.1 电磁兼容试验

该逆变电源电磁兼容试验依据GJB 151A进行CE101、CE102、RE101、RE102、CS101、CS114、CS116、RS101和RS103等9项测试，按照GJB 152A规定，电磁环境电平应至少低于规定的极限值6 dB，电源线上传导环境电平应在断开EUT情况下测量[5-6]。初次试验结果显示，以上9项测试项目CE102测试超标，测量CE102极限值如图3所示，超标约15 dB，超标频段200 kHz～2 MHz。

3.2 整改措施

电力电子变流装置器件开关频率相当高，在传导射频段中会出现大量开关频率谐波，干扰频段范围从数千到数兆赫兹，并且，器件开关du/dt、di/dt越来越高，尖峰谐振频率也会达到数兆赫兹[7-8]。

根据信号频段分析可以明确干扰信号类型，小于0.1 MHz频段以差模干扰为主，0.1 MHz～1 MHz频段兼有差模、共模干扰，大于1 MHz频段以共模干扰为主。由图3测试CE102电源传导干扰结果，设备传导干扰应同时具备共模和差模干扰信号。为了抑制干扰，设备输入端增加电源滤波器，选用常州多极滤波器，根据测量超标值，并考虑插入损耗预留20 dB余量，选取滤波器插入损耗曲线如图4所示。滤波器采用二阶滤波器，电路结构如图5所示，共模线圈L1和共模电容C2消除共模干扰，L1=8 mH，C2=0.1 uF，差模电容C1抑制差模干扰，C1=3 uF。整改后测量CE102传导干扰曲线如图6所示，符合极限值要求。

4 结论

本文分析了逆变电源的工作原理，在逆变电源的设计过程中采取了安装 EMI滤波器、改善开关管导通条件以及合理结构布线设计等抑制干扰措施，整个系统取得了较好的电磁兼容性能。最后针对该逆变电源进行了电磁兼容试验，并对试验项目出现的具体问题完成了整改，满足了试验要求。

[1]马伟明.电力电子技术在舰船电力系统中的典型应用[J].电工技术学报, 2011, 26(5): 3-4.

[2]陈虹.基于直流配电系统的船舶综合电力系统[J].舰船科学技术, 2005, 27(S1): 30-37.

[3]马伟明.舰船动力发展的方向—综合电力系统[J].海军工程大学学报, 2002, 14(6): 13-15.

[4]裴雷军, 张凯, 康勇, 等.基于EMI滤波器的逆变电源传导电磁干扰的抑制[J].电气传动, 2007, 37(12): 35-37.

[5]GJB 151A-1997, 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].1997.

[6]GJB 152A-1997, 军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量[S].1997.

[7]马伟明, 张磊, 孟进, 等.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.

[8]赵怀军, 宋倩楠, 邱宗明, 等.舰船电力系统谐波的产生、危害和抑制[J].舰船科学技术, 2007, 29(4): 61-65.

EMC Test of Marine Inverter

Wang Wangqiu, Song Hui, Chen Huafeng
(No.713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China)

The paper introduces the principle of the marine inverter.The electromagnetic compatibility (EMC) test is carried on for the inverter according to GJB151A.In order to solve the problem of exceeding standard of the EMC during the test, the measures such as improving the switching condition and installing the filter are adopted.Finally the result meets the target request.

inverter; EMC; test

U665

A

10.14141/j.31-1981.2017.01.008

王旺球（1983—），男，工程师，研究方向：相关电气系统项目。