非隔离逆变器交直流侧共模干扰耦合抑制

梅朝朝，江师齐，喻礼礼，黄祖勋

（深圳大学机电与控制工程学院，深圳 518060）

近年来，随着宽禁带半导体开关器件的不断应用，变换器的开关频率得到了提升。电磁干扰EMI（electromagnetic interference）问题也成为并网逆变器发展的一个重要制约因素[1]。这些干扰噪声以差模电流和共模电流的形式在逆变器交流和直流两侧流动。不仅影响元件的正常工作，还会加速元件老化[2]。目前已经有很多关于抑制和减小电磁干扰问题的方案，文献[3-4]通过改变或增加桥臂或开关管来减小共模电流，但会增加无源器件损耗和成本；文献[5]通过抑制di/dt、dv/dt 来减小EMI；文献[6]提出了一种基于源阻抗提取的逆变器交流侧EMI 滤波器设计，所设计滤波器有很好的EMI 抑制能力；文献[7]基于插入损耗和阻抗失配的原则设计了直流侧EMI 滤波器，并利用随机脉宽调制PWM（pulse width modulation）进一步降低了直流侧EMI；文献[8]分析了非隔离逆变器系统的共模传导路径，比较了4 种滤波器托钵结构对直流侧共模EMI 的抑制情况；文献[9]提出了一混合型EMI 滤波器方案，减小了无源滤波器的体积和重量。但很少有关于交流侧与直流侧EMI 滤波器共模回路耦合特性的研究。非隔离逆变器两侧EMI 滤波器的耦合会降低对共模噪声的滤波效果。文献[10]提出了一种基于阻抗匹配的直流侧和交流侧EMI 滤波器设计，但在设计时需要同时考虑两侧滤波器的阻抗特性，增加了滤波器设计难度；文献[11-12]提出了一种拆分谐波滤波器差模电容的方法来抑制直流侧对交流侧的共模干扰；文献[13]提出了一种解耦控制方法来实现交流侧和直流侧的共模干扰解耦问题，但控制方式比较复杂。

本文采用一种浮地型的二阶EMI 滤波器结构，并分析该浮地结构和传统结构共模回路的阻抗特性。实验证明该结构不仅能够大幅抑制直流侧的共模噪声，还能减小交流侧的共模噪声，且有效消除直流侧和共模侧的耦合效果，增强共模噪声滤波效果。

1 浮地EMI 滤波器拓扑结构

非隔离光伏逆变系统如图1 所示。在非隔离并网逆变系统中，共模噪声流通回路如图1（a）所示。CA和CB为散热片的分布电容，CPV为光伏阵列侧的分布电容。共模噪声通过2 条路径传播：一是直流侧，共模干扰通过寄生电容CPV、CA、CB及散热器和参考地形成环路；二是交流侧，共模干扰通过寄生电容CA、CB和电网或负载接地点形成环路。在两侧连接EMI 滤波器后，直流侧和交流侧共模噪声会形成串扰，减弱EMI 滤波器的共模抑制能力，增加了共模滤波器设计的难度。

图1 非隔离光伏逆变系统Fig.1 Non-isolated photovoltaic inverter system

共模EMI 滤波器如图2 所示。为了抑制共模干扰对逆变器的影响，通常选择LC 型（或其多级扩展型）作为交流和直流侧的EMI 滤波器结构，其等效电路如图2（a）所示。ZA、ZB分别为CA、CB的阻抗，ZPV_grid为CPV阻抗，因ZA、ZB＜＜ZCCM2，图2 中略去。一般情况下，直流侧滤波电容的阻抗ZCCM2＜＜（ZPV_grid+Zcable），则直流侧的阻抗表达可以简化为

图2 共模EMI 滤波器Fig.2 Common-mode EMI filter

直流侧大部分高频共模电流通过CCM2被旁路掉。而对于交流侧，以交流侧线性阻抗稳定网络LISN（line impedance stabilization network）上的共模电流来表征共模噪声的变化，共模电流的可以表示为

式中：iCM0为光伏系统未接EMI 滤波器的共模电流；iCM1为交流侧接入LC 滤波器后的共模电流；iCM2为两侧同时接入LC 滤波器后的共模电流。在直流侧添加LC 滤波器后，因为直流侧的等效阻抗ZDC1

根据直流侧和交流侧EMI 噪声测量值，交流侧和直流侧所选取的EMI 滤波器分别为双级和单级型。在确定滤波器结构后，对照EMI 测试标准，由插入损耗进行参数设计。在电压型逆变器VSI（voltage source inverter）中，由于直流侧DC-LINK 电容的存在，直流侧和交流侧的差模噪声被解耦。而图2（b）的浮地结构EMI 滤波器可以削弱变换器两侧的共模噪声耦合特性。将传统EMI 滤波器的共模电容的接地点连接到直流侧DC-LINK 电容的中点，解决直流侧和交流侧的共模耦合问题。

2 浮地EMI 滤波器共模特性分析

2.1 交流侧共模阻抗分析

为了体现浮地滤波器的改进效果，将其与传统的滤波器进行对比分析，传统和浮地型两级滤波器共模模型如图3 所示。

图3 交流侧共模等效电路Fig.3 Common-mode equivalent circuit on AC side

图3 中：ZLCM和ZLCM2分别为对应的共扼流圈的等效阻抗；ZDC为DC 侧的等效阻抗；ZLISN_CM为LISN的共模等效阻抗；ZCCM1和ZCCM2分别为对应共模电容的阻抗。共模电流可以表示为

插入增益之比即接浮地滤波器的插入损耗增量表达式为

2.2 直流侧共模阻抗分析

图4 为接入浮地EMI 滤波器后DC 侧共模抑制模型，其中，ZLCM3和ZCCM3分别为DC 侧共模电感和电容的等效阻抗。

图4 直流侧共模等效电路Fig.4 Common-mode equivalent circuit on DC side

据此可以推导出2 种情况下LISN 侧的共模电流分别为

接浮地滤波器的插入损耗增量为

2.3 共模阻抗分析

利用LTspice 对EMI 滤波器进行小信号分析，扫频的范围为150 kHz～30 MHz，通过阻抗分析仪测得电感电容以及寄生参数如表1 所示。其中，ZDC0为直流侧未加滤波器时的阻抗，ZDC1为直流侧加入LC 滤波器后的阻抗，ZAC_grid0和ZAC_grid1为交流侧未接入滤波器和接入滤波器时交流侧的阻抗，LCM1=LCM2，CCM1=CCM2。

表1 EMI 滤波器参数Tab.1 Parameters of EMI filter

仿真电路如图5 所示。当直流侧未连接LC 滤波器时，直流侧ZDC=ZDC0=1 nF，此时可得出仅连接交流侧EMI 滤波器后共模回路的频率响应特性，然后将LC 滤波器接入直流侧，再依次将传统型和浮地型EMI 放置在交流侧，由于ZCCM2＜＜（ZPV_grid+Zcable）。则可令ZDC=ZDC1=ZCCM2，以此可分析比较浮地型和传统型EMI 滤波器对交流侧共模抑制效果。图5（a）为直流侧连接LC 滤波器，交流侧连接浮地型EMI滤波器的仿真电路。同样，对于交流侧，当交流侧未连接传统型EMI 滤波器时，交流侧ZAC_Grid=ZAC_grid0=50 pF，此时可得出仅连接直流侧EMI 滤波器后共模回路的频率响应特性，在连接传统型EMI 滤波器时，交流侧ZAC_Grid=ZAC_grid1，然后再连接浮地型EMI滤波器，借此可以得出浮地型EMI 滤波器和传统型EMI 滤波器对直流侧的影响。图5（b）为交流侧连接传统型EMI 滤波器，直流侧连接LC 滤波器的仿真电路。

图5 共模回路频率响应特性部分仿真电路Fig.5 Simulation circuits of common-mode loop frequency response characteristics

共模回路频率响应特性如图6 所示。由图6 可见，对于交流侧，在交流侧单独接入传统滤波器时，插入损耗最大；交流侧和直流侧同时接入传统滤波器时，交流侧和直流侧之间的耦合会使得交流侧的共模插入损耗减小，而接入浮地滤波器后影响不大；而对于直流侧，接入传统滤波器后，交流侧和直流侧的共模耦合也会使得直流侧的共模插损减少，但是接入浮地滤波器后可以明显增加直流侧的共模插入损耗，可以很好地解决这一问题。

图6 共模回路频率响应特性Fig.6 Common-mode loop frequency response characteristics

3 实验验证

本文以500 W/220 V 单相GaN 逆变器为实验平台，开关频率为50 kHz，直流侧由可调直流电源供电。图7 为交流侧和直流侧EMI 滤波器实物及其连接图。实验参数和EMI 滤波器参数如表1 所示。以带共模、差模分离的单相（50 μH+5 Ω）||50 Ω LISN 为测试装置，选取的EMI 标准为EN 55011。

图7 EMI 滤波器Fig.7 EMI filter

交流侧EMI 噪声和直流侧EMI 噪声如图8 和图9 所示。由图8 和图9 可知，在交流侧和直流侧同时接入传统EMI 滤波器后，交流侧和直流侧间的共模干扰信号会通过滤波器产生耦合，增加彼此的共模干扰量。

图8 交流侧EMI 噪声Fig.8 EMI noise on AC side

图9 直流侧EMI 噪声Fig.9 EMI noise on DC side

交流侧接入浮地型EMI 滤波器时共模EMI 测试结果如图10 所示。

根据图10 中的测试结果可知，在交流侧接入浮地型滤波器后，交/直流侧的共模干扰均可以得到大幅度衰减，基本满足EMI 标准，验证了本文所提浮地型滤波器的有效性。

图10 交流侧接入浮地型EMI 滤波器时共模EMI 测试结果Fig.10 Common-mode EMI test results with floating ground EMI filter connected on AC side

4 结语

本文分析了光伏系统中逆变器两侧EMI 滤波器共模噪声耦合问题，采用了一种浮地型EMI 滤波器结构，相比于传统的EMI 滤波器，这种结构的EMI 滤波器作为交流侧EMI 滤波器后，能够消除两侧EMI 滤波器的耦合，能够大幅提升直流侧和交流侧的共模EMI 噪声抑制能力；使得在设计EMI滤波器时，能够独立设计两侧的EMI 滤波器，无须考虑共模耦合问题；简化了EMI 滤波器的设计过程，增强系统对于共模噪声的抑制能力。