基于噪声源阻抗估测的单相并网逆变器传导电磁干扰滤波器的设计

江师齐，刘艺涛，金典恒，潘学伟

（1.深圳大学机电与控制工程学院，深圳518000；2.哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程与自动化学院，深圳 518000）

逆变器是可再生能源并网系统的重要部分，其整体性能直接影响到并网电流的质量。以往主要是在高频开关电源的设计上考虑电磁干扰，而在并网逆变器中却常常忽略这一点[1]。随着半导体材料的飞速发展与更新，电力开关器件的开关频率越来越高[2]，虽然大大提高了系统效率，但是在开关器件快速开通和关断过程中产生了较大的电压与电流突变，从而与系统间或系统与地之间的寄生电感或电容发生耦合，产生传导电磁干扰[3]。这也是逆变器研究逐渐需要重视的问题。

电磁干扰 EMI（electromagnetic interference）滤波器的干扰抑制效果主要体现在与噪声源阻抗密切相关的插入损耗上[4]。在逆变器中，存在电感和电容等非线性器件，导致逆变器的阻抗值处于不断变化的状态，从而给EMI滤波器的设计带来了极大困难[5-6]。传统抑制传导电磁干扰的无源滤波器是单级滤波器，但是用于EMI滤波器参数设计的方法还没有系统化，常用的是根据一定经验确定的差模滤波器和共模滤波器的截止频率，进而确立器件参数值，在实际应用中其有效性不能完全保证[5]。本文根据传导电磁干扰的特点，对单级滤波器电路做了拆分和简化分析，通过噪声源阻抗的测试数据和噪声所需要的衰减幅度来进行滤波器的参数设计。最后通过仿真和实验对此方法的有效性进行了验证。

1 滤波器结构选取和等效化简

1.1 传导电磁干扰特性分析

图1为逆变系统的拓扑结构，共模干扰噪声主要由系统各部分与地之间的电位差变化因子和杂散电容之间耦合而产生，其传播回路由相线或中线、被干扰设备和地线构成；差模干扰主要是由脉冲宽度调制PWM方法产生的高频噪声，经相线、被干扰设备和中性线构成回路[3]。通过传导方式可知，共模干扰存在于相线或中线与地之间，在相线和中线上的共模干扰电流幅值相等、相位相同，而在相线和中线上的差模干扰电流则是幅值相等、相位相反[3]，传导路径如图2所示。抑制传导干扰的无源方法一般是通过电感和电容来构成低通滤波器。单级滤波器的干扰抑制效果比较理想且结构简单，分析设计方便[7]，故本文选取的EMI滤波器为单级滤波器。考虑到共模干扰和差模干扰的特性，共模电感采用双绕组的共模扼流圈，差模采用独立电感，滤波电容则应根据其自谐振频率选取合适的类型[8]。

1.2 滤波器的建模与简化分析

单级滤波器的拓扑结构如图3所示，其中L1为共模扼流圈，L2为差模独立电感，C1为差模电容，C2为共模电容。根据共模电感的特性可知，共模电感对差模干扰电流的抑制作用主要是由其漏电感造成的[9]，所以可将单级滤波器进行拆分化简，再由电感和电容的串、并联特性得到如图4所示的共模和差模等效结构。

图4中LSI为共模电感的漏电感。一般情况下，共模电感L1远大于差模电感L2，差模电容C1远大于共模电容C2，故可将电路进一步简化为图5所示的结构，等效成最简单的LC低通滤波器模型[10]。其中 ，LCM=L1+L2/2≈L1，CCM=2C2，LDM=2L2+LSI，CDM=C1//0.5C2≈C1。LC电路的截止频率与谐振频率近似相等[11]，所以可分别得到共模滤波器和差模滤波器截止频率的近似表达式，即

由式（1）得共模电感L1和差模电容C1分别为

根据上述分析可以得到共模和差模滤波器的参数设计依据，通过合理确立各自截止频率的值则可快速地进行参数设计。

2 噪声源阻抗分析和估测

2.1 噪声源阻抗的影响

滤波器对传导电磁干扰的抑制能力由插入损耗IL（insertion loss）来衡量，其定义为其中，P1表示未接EMI滤波器时从噪声源传输到负载的功率，P2表示接入滤波器后从噪声源传输到负载的功率。忽略漏感的影响，共模电感只对共模干扰起作用，差模电容只对差模干扰起作用。在进行等效建模时，为了确立噪声源阻抗与某对应量之间的关系，在只考虑共模电感和差模电容的影响下分别进行建模，如图6所示。

根据图6可以推出安装滤波器前后，从噪声源传输到LISN端的共模噪声电压VCM1、VCM2和差模噪声电压VDM1、VDM2的表达式分别为

进而可以得到共模和差模滤波器插入损耗的简化表达式，即

式中：IsCM和IsDM分别为共模和差模噪声源等效电流；ZsCM和ZsDM分别为相应的等效源阻抗；RloadCM和RloadDM分别为LISN的共模和差模等效阻抗。

2.2 噪声源阻抗的估测

根据第2.1节的分析，利用1个等效阻抗值已知的线性阻抗稳定网络LISN（linear impedance stabilization network）进行简单的测试实验，来求出噪声源阻抗在某些特定频率处的阻抗值，从而可以得到其大致的变化曲线。分别在待测设备后接入参数值已知的共模电感和差模电容，算出在某些特定频率点的衰减值，根据式（5）可以得到和，最后根据式（6）和式（7）计算出噪声源在任意频率处的阻抗值。本文分别选取100 μH的共模电感和1 μF的差模电容作为测试电感和电容，采用LISN等效阻抗值为50 Ω，衡量标准为GB4343-MainTerm，对单相逆变器进行测试，所得数据如表1所示。

根据计算出的阻抗数据绘制图7所示噪声源阻抗变化近似曲线，阻抗测量频率的取值范围是150～5 000 kHz。考虑到电感、电容等的高频特性，取5 000 kHz以内的频率点比较可靠。阻抗源是滤波器参数设计的重要考虑因素之一，根据式（6）和式（7）可知，对于共模滤波电感，在某一频率处其等效阻抗较之共模噪声源阻抗越大，滤波效果越好；而对于差模滤波电容，其阻抗较之差模噪声源阻抗越小，滤波效果越好。

表1 噪声源阻抗测试数据Tab.1 Noise source impedance measurement data

3 滤波器参数设计

进行滤波器的有效设计需要确定合理的滤波截止频率。本文先计算出选取的超标频率点所需的共模和差模截止频率值，然后取其各自最小值作为共模滤波器和差模滤波器截止频率的设计目标。某一频率点所需的截止频率可表示为

式中：f*为需要衰减的频率值；Ar为此频率点所需的衰减值；为所需的截止频率[12]。

通过EMI测试设备获取共模和差模Ar，即

式中：Ah为所测频率点的噪声幅值；Limit为标准限制值；6 dBμV为安全裕度[13]。

电磁干扰测量值如图8所示。根据式（8）计算出针对每个频率点所需要的截止频率值，计算结果如表2所示。设计时，分别选取和作为共模滤波器和差模滤波器的截止频率，可以保证所设计的截止频率满足整个频段的要求。通过对噪声源阻抗对滤波器效果的影响分析可知，当共模电感等效阻抗远大于共模噪声源阻抗、差模电感等效阻抗小于差模噪声源阻抗时，滤波效果最佳[14]。 由表 1 可知，ZsCMmax=299.1 Ω，ZsDMmin=26.7 Ω，考虑到体积和成本，分别选取 5ZsCMmax≈1 500 Ω，ZsDMmin≈14 Ω作为共模电感和差模电容在截止频率处的等效阻抗，得到共模电感LCM=3.6 mH，差模电容 CDM=0.39 μF。

考虑到电感和电容寄生参数在高频段的影响，选取的共模器件都是自谐振频率较高的锰锌高磁导率铁氧体材料，差模器件的自谐振频率稍低[15]。共模电感漏感的影响可表示为

表2 所需截止频率计算值Tab.2 Calculated values of required cut-off frequency

表3 参数设计Tab.3 Parameter design

4 仿真和实验

根据第3节滤波器的参数设计，对单相并网逆变器的传导电磁干扰进行仿真分析，并通过实验来验证EMI滤波器参数设计的合理性。系统参数为：电网电压有效值Vg=220 V/50 Hz，直流电源电压Vdc=420 V，开关频率fs=15 kHz，单相并网逆变器有功功率额定值Pn=2 kW。理想情况下共模、差模滤波器的插入损耗如图9所示，从插损曲线整体上看，效果较好。在仿真环境下，通过搭建与EMI接收机匹配的LISN将EMI噪声电压导出，然后对噪声电压数据作傅里叶变换分析[17]，如图10所示。

滤波前、后导出的噪声电压如图11所示，滤波后噪声电压有了很大程度的衰减。傅里叶变换后得到噪声电压的频谱如图12所示，从仿真滤波效果上看，干扰电压在整个频段的衰减趋势与插入损耗基本匹配。由于仿真中没有考虑滤波电感和电容的分布参数在高频段造成的影响，所以高频段的衰减趋势会有一定差别。

最后在单相逆变器实验平台上进行实验分析，系统参数与仿真一致。设计的单级滤波器实物如图13所示，整个系统的测试结构如图14所示。

在同一环境条件下分别对接入滤波器前、后系统的传导EMI进行了测试，测试环境的底噪如图15（a）所示，基本符合要求，测量标准是针对电力电子设备的电磁干扰标准GB4343-MainTerm,对滤波器的滤波效果测试如图15（b）～（d）所示。由图15（c）和（d）间的对比可知，传统截止频率法设计的滤波器虽然对EMI有很大程度的抑制作用，但是在某些频率点处的抑制效果不佳，达不到要求，还需要进一步对电感和电容的参数做测试整改。而经过考虑噪声源阻抗的截止频率法设计的滤波器滤波后，0.15～1 MHz频段内噪声幅值衰减了约 30 dB；1～10 MHz频段内噪声幅值衰减了约45 dB；10 MHz以上高频段噪声幅值衰减了约20 dB。整个测试频段上的EMI噪声平均值得到了33.1 dB的衰减，比较接近预期的效果，且EMI的幅值都降到了限制值以下，并保留了6 dB以上的裕度。实验表明，通过此方法设计的滤波器对单相逆变器中的传导电磁干扰产生了很好的抑制效果，可以在提高工程设计效率的同时保证有效性。

5 结语

本文对EMI单级滤波器做了等效分解建模，分别对共模与差模噪声源阻抗对滤波器滤波效果的影响进行了详细分析，推导出噪声源阻抗与滤波效果之间的数学关系。通过实验测得共模和差摸噪声源阻抗的变化范围，根据单相逆变器的噪声衰减需求量和噪声源阻抗测试值对EMI滤波器参数进行了设计。最后在仿真和实验中对基于噪声源阻抗的EMI滤波器的设计方法进行了验证，结果表明，根据此方法设计的滤波器对逆变器系统的传导电磁干扰起到了非常有效的抑制作用。与工程应用上传统的EMI滤波器设计相比，这种方法可以加快EMI滤波器的设计进度，同时保证整个测试频段的有效性，据有很强的应用价值。