变频空调传导干扰的建模及验证

2017-06-05张有林高小丽

电源学报 2017年3期

关键词：变频空调共模等效电路

张有林，高小丽

（珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070）

变频空调传导干扰的建模及验证

张有林，高小丽

（珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070）

本文验证了一种变频空调频域传导干扰的建模方法。使用测试设备提取变频空调各负载和各关键电气部件的频域阻抗特性，分别构造电路模型无限逼近各部件的阻抗特性曲线，达到设计精度要求后将此等效电路模型确定为该部件的等效电路，根据实际传递路径将各等效电路连接起来，通过联合仿真模拟变频空调整机的传导干扰特性。最后将仿真结果与实际测试结果进行对比，实现预测电磁兼容性能、优化各部件电磁性能设计的目的。

电磁兼容；传导干扰；等效电路模型；变频空调

随着电力电子技术在家用电器领域的广泛应用，家电产品从简单的开关状态转化为可变频率的数字化运行，实现了根据实际使用情况自动调节设备输出能力的柔性控制，极大提高了产品的使用能效和舒适性，同时由于功率半导体器件在工作过程中的频繁开关会产生较大的脉冲干扰，导致电磁骚扰问题更加严重［1，2］，近年来电磁兼容方面的研究成果不断涌现，例如通过使用不同磁芯材料、不同绕线方式的扼流圈抑制设备对电源侧的干扰［3，4］；通过改变高频变压器绕线方式，增加屏蔽层，减少开关电源共模CM（common mode）干扰［5，6］等等，大都是在产品设计定型后，检测发现不符合电磁兼容标准要求，通过部件局部优化进行补救的有效措施，但这种补救方法不能保证每次都能有效解决问题，有时需要对电路拓扑或电气结构进行重新设计,因此类似做法不具有普遍推广意义。

本文建立了一套变频空调传导干扰的建模仿真方法，通过分析变频空调传导干扰的干扰源及其传播路径，分别测量负载和关键干扰部件的阻抗特性，建立关键模块的等效电路模型，根据仿真结果确定滤波器的性能参数要求，同步优化PCB线路布局和电器盒结构，可以有效提高EMC性能，降低电磁兼容方面的设计成本，同时在产品结构、电气、电路设计的过程中同步考虑电磁兼容性能，可以有效改善产品整体布局，提高产品的生产效率。

1 数学建模

1.1 干扰传递路径分析

人工电源网络LISN（line impedance stabilization network）是电源端口传导骚扰测试的关键设备，接收机接于LISN中的检测电阻与地之间，接收机信号输入端本身的阻抗与LISN中检测电阻处于并联状态，其等效电阻接近 50 Ω［4］，差模 DM（difference mode）干扰和共模干扰分别通过不同的传导路径流过此等效阻抗，差模干扰通过零线和火线之间传导,共模干扰通过零线、火线、各负载与地之间传导，测试变频空调传导干扰本质上就是测试等效阻抗两端的电压。变频空调主要由滤波电路、功率因数校正电路、逆变电路、压缩机绕组、压缩机共模通路、开关电源电路、各个功率器件与地之间的寄生电容等模块组成，干扰的主要传导路径如图1所示。

图1 变频空调系统干扰路径Fig.1 Conductive interference propagation route of inverter air-conditioner

1.2 建模原理

电磁兼容标准中传导EMI干扰的测量频段为150 kHz～30 MHz［5］。为了保证模型的准确性，本文采用阻抗相等的原则，通过使用阻抗分析仪获得共模扼流圈、电抗器、压缩机绕组和压缩机共模通路等模块在10 kHz～50 MHz频段的阻抗来获取各个模块的集总参数等效电路模型。使用Simplorer仿真环境建立IGBT、二极管等有源功率半导体器件动态模型［6］。

基本单元组成的集总参数等效电路模型如图2和图3所示，通过确定各单元的参数使等效电路模型的阻抗与实际测试阻抗的幅值和相角分别相等。

图2 并联型等效电路模型Fig.2 Parallel equivalent circuit model

在图2的电路模型中，阻抗的计算公式为

式中：R0为直流电阻；Ri、Li和Ci分别为第i组单元电路的电阻、电感和电容。同理，在图3所示的串联型等效电路模型中，阻抗ZS的计算公式为

功率因数校正电感属于感性器件，一般采用图2所示等效模型。压缩机绕组以感性负载为主，也使用图2模型。压缩机绕组与压缩机壳体之间充满了制冷剂和润滑油，两者之间存在寄生电容，为共模干扰提供了传递路径，因此将此部分模型定义为压缩机共模通路模型，且采用图3所示的等效模型。而对于抑制低频噪音的扼流圈，除了要考虑线圈在磁环上的耦合外，还要考虑由于磁芯材料特性随频率的变化以及绕组漏感和绕组寄生电容等因素的作用。

图3 串联型等效电路模型Fig.3 Series equivalent circuit model

同时考虑共模扼流圈的差模模型和共模模型时需要采用图4所示的共模扼流圈等效电路模型。假设模型中2个耦合的电感完全耦合，从图中可以看出共模电流通过差模模型的阻抗为0，差模电流通过共模模型的阻抗为0。获取共模扼流圈模型的测试方法及对应模型如图5和图6所示。则共模扼流圈的共模和差模等效电路模型计算公式分别为

式中，RDi、LDi、CDi分别为差模模型第i组数据的电阻、电感和电容；RCi、LCi、CCi分别为共模模型第i组数据的电阻、电感和电容。

在Simplorer环境下对于IGBT、二极管等半导体功率器件的建模，则将器件的输入输出曲线、阻抗转移特性曲线以及一些器件的关键参数（如米勒电容等）导入到模型中即可。它们与地之间的寄生电容为共模干扰提供了通路，这些电容容值也可通过使用阻抗分析仪测量。

图4 共模扼流圈模型Fig.4 Model of CM chokes

图5 共模阻抗测量方法及对应模型Fig.5 Measurement method and its model of CM impedance

图6 差模阻抗测量方法及对应模型Fig.6 Measurement method and model of DM impedance

2 模型参数提取及验证

根据上述建模方法完成所有部件的等效模型之后，使用阻抗分析仪分别测量共模扼流圈、压缩机绕组和压缩机共模通路的阻抗参数，并将测量参数代入模型之中，通过模型阻抗曲线与阻抗分析仪测试的阻抗曲线进行对比，以验证模型的准确性。如图7和图8所示，共模扼流圈的差模阻抗和共模阻抗模拟值与实测值比较吻合时，将使用该参数的模型确定为该器件的等效电路。

图7 共模扼流圈共模阻抗模拟值与实测值对比Fig.7 Comparison of CM impedance between simulated value and measured value of CM chokes

压缩机绕组采用并联型等效电路模型。为保证精度，模型由7组并联RLC组成，模拟值与实测值对比如图9所示。压缩机接收高频率开关信号，共模干扰信号通过压缩机与机壳之间的寄生电容传导。压缩机作为复杂系统，模型由5组串联RLC组成，模拟值与实测值对比如图10所示。

通过图7～图10的对比可以看到，等效电路仿真拟合的阻抗曲线与实测的阻抗曲线比较吻合，表明等效模型所使用的参数基本能够反映各模块的阻抗频率变化，验证了建模方法的有效性，其他类似模块均可以参照该方法进行建模。

图8 共模扼流圈差模阻抗模拟值与实测值对比Fig.8 DM impedance comparison between simulated value and measured value of CM chokes

图9 压缩机绕组阻抗模拟值与实测值对比Fig.9 Impedance comparison between simulated value and measured value of compressor winding

图10 压缩机共模通路阻抗模拟值与实测值对比Fig.10 Impedance comparison between simulated value and measured value of compressor noise propagation route

3 仿真与实验比较

在Simplorer环境下，对1匹家用变频空调各模块建模，其中滤波电路采用一级滤波，分别建立共模扼流圈、X电容、Y电容模型，IGBT、IPM等功率器件根据各器件规格书的参数建立动态模型，开关电源使用多路输出等效电路模型。根据理论分析的传递路径，将各模块等效模型连接后进行仿真，主要仿真参数见表1。仿真步长取10 ns，在Simplorer中得到的时域干扰电压导入PSIM仿真软件中，将时域信号转换为频域信号后再与接收机实际测量的空调传导干扰频谱相比较，对比结果如图11所示，通过对比可知，在5 MHz之前，仿真结果与实测结果比较吻合，验证了建模方法的有效性。由于部分模型参数测试困难，建模过程中部分模型做了简化处理，比如压缩机模型、整机中线路、器件之间的近场耦合模型等，使得高于5 MHz频段仿真的准确度有些偏差，但是可以预测传导干扰在各频段的变化趋势，达到了仿真建模的目的。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

图11 传导干扰仿真结果与测试结果对比Fig.11 Comparison between simulated value and measured value of conductive interference

4 结语

本文提出了一种变频空调频域传导干扰的建模方法。首先提取变频空调各负载和各关键电气部件的频域阻抗特性，得到该部件的等效电路；接着根据实际传递路径将各等效电路连接起来，通过联合仿真模拟变频空调整机的传导干扰特性，最后将传导干扰仿真结果与实际测试结果进行对比。通过结果对比可知，本文提出的仿真建模方法能够初步预测变频空调的EMI干扰情况，为降低电磁干扰提供了新的思路。但高频段的仿真结果与实际测试结果还存在一定差异，后续将通过精确空调各部件的高频模型来提高仿真准确性。

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Modulation and Verification of Conducted Interference in Inverter Air Conditioner

ZHANG Youlin,GAO Xiaoli
（Gree Electric Appliances,Inc.Zhuhai 519070,China）

This paper presents a conducted interference modulation method in inverter air conditioner.By measuring frequency-impedance characteristic of components in inverter air conditioner the equivalent circuits were attained. Then the circuits,which abstracted from the components of air conditioner,were fit together according to real system. Finally the abstracted system simulated as a whole.The agreement between simulation and experimental results validates the digital simulation method.On the whole,the method reaches the objects of predicting the EMC performance and optimizing EMC design in inverter air conditioner.

electromagnetic compatibility;conducted interference;equivalent circuit model;inverter air-conditioner