地铁车辆逆变系统共模传导干扰全电路模型分析

王雷,葛研军 ,李常贤 ,孙燕楠

(1.大连交通大学 机械工程学院,辽宁 大连 116028; 2.大连交通大学 轨道交通装备国家地方联合工程研究中心,辽宁 大连 116028; 3.大连交通大学 机车车辆工程学院,辽宁 大连 116028)

随着电力电子技术的快速发展,正弦脉冲宽度调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)被广泛运用到三相逆变系统中[1-2]。由于逆变系统开关器件(如IGCT、IGBT、MOSFET等)的生产材料不断更新,开关频率不断提高,大大提升了开关器件的动态响应过程[3-4]。开关器件长期工作在大电流、高电压的工况下,形成较大的电压、电流变化率,产生丰富的高次谐波成分[5-7],在逆变系统各结构部件高频参数的作用下,出现严重的共模传导干扰。共模传导干扰不但影响负载电机的正常工作,减少其使用寿命,而且给系统的安全可靠运行带来严重的影响。

现有文献对电力电子系统共模传导干扰的研究主要集中在开关电源、BUCK电路、单相PWM变频器、电动汽车电机控制系统等[8-11]。对动车组、地铁等大功率逆变系统研究相对较少。Revol等[12]通过构建共模传导干扰等效模型,对逆变器进行建模及仿真预测。李广卓[13]通过对共模传导干扰的干扰源和耦合路径的分析建立共模传导干扰等效模型,通过仿真频谱与实测频谱对比来验证等效电路模型的有效性。许珂等[14]主要对逆变器共模干扰源进行建模,分析了3种共模干扰路径,通过对共模传导干扰模型进行仿真和试验测试,验证所提出方法的有效性。目前针对逆变系统共模传导干扰的建模及仿真分析主要采用的方法是构建逆变系统共模传导等效模型,进行共模传导干扰的仿真预测,这种方法的特点是能够发现逆变系统中关键参数对共模传导干扰的影响,但是在建模过程中容易忽略一些重要部件的高频影响[15]。

本文以额定功率190 kW逆变器构成的地铁车辆逆变系统作为研究对象,根据共模传导干扰的机理搭建地铁车辆逆变系统全电路模型,通过Ansys Q3D软件及阻抗分析仪提取逆变系统IGBT、叠层母排、动力线缆等部件高频参数,利用Ansys Simplorer软件对地铁车辆逆变系统共模传导干扰进行仿真预测,将仿真预测结果与现场测试结果进行比较,验证全电路模型的有效性和准确性。

1 逆变系统共模传导干扰机理研究

本文以额定功率190 kW逆变器构成的地铁车辆逆变系统作为研究对象。地铁车辆逆变系统由两个对称的逆变功率模块组成,功率模块结构及电气原理图见图1、图2。功率模块直流输入电压为1 500 V,直流侧滤波环节采用5 mH电抗器与4 300 uF支撑电容组成,电抗器与支撑电容构成二阶低通滤波器,能有效抑制高频干扰进入逆变器主电路。其中VT1～VT8表示8个IGBT,开关频率为750 Hz,VD1～VD8表示IGBT反向并联二极管,C2～C5为突波电容,其作用是减小IGBT关断过程中过电压的幅值。Z为阻感性负载,A、B、C为三相桥臂中点,O为负载电机中性点。

图1 逆变功率模块结构图

图2 逆变功率模块电气原理图

1.1 共模传导干扰源分析

地铁车辆逆变系统共模传导干扰产生机理与功率开关工作状态有密切关系。图3所示为本文所用英飞凌FZ1000R33HE3型号IGBT漏源极两端实测电压波形。可知干扰源主要由两部分组成:一部分是由功率开关上升沿和下降沿电压变化率(dv/dt)引起,这与功率开关本身特性相关;另一部分是由振荡波形所引起,这与功率开关工作过程中端口间寄生电容、回路中杂散电感等因素相关。研究表明,在高频范围内振荡波形产生的干扰信号所占比重较小,开关器件上升沿和下降沿的电压变化率是共模传导干扰的主要干扰源[16]。

图3 IGBT漏源极两端实测电压波形

功率开关IGBT漏源极两端的电压理论上是方波,但实际是梯形波,其示意图见图4。图中直流侧的电压为VDC,梯形波的周期为T,梯形波的上升时间和下降时间分别用tr、tf表示,并且tr和tf相等。IGBT的开通时间为ton,梯形波的频率f0=1/T,占空比d=ton/T,n为谐波次数,梯形波经过傅里叶变换可以得到其幅频特性,电压幅值为[17]:

图4 开关器件梯形波示意图

(1)

在开关频率、占空比等参数不变的情况下,直流侧电压幅值越大,梯形波的上升和下降时间越短,产生的电磁干扰越强烈。逆变器的干扰源除了IGBT外,控制模块驱动信号产生的电磁干扰也是干扰源之一,但是其幅值要小得多。因此功率开关工作过程中产生的电压变化率是地铁车辆逆变系统的主要干扰源。

1.2 共模传导干扰耦合路径分析

地铁车辆逆变系统共模电流是由桥臂中点电压变化率(dv/dt)与系统部件对地寄生电容相互作用产生。

系统部件对地寄生电容主要由IGBT对散热器的寄生电容、三相交流输出动力线缆对机壳的寄生电容、电机绕组对机壳的寄生电容组成。由此分析共模传导干扰的耦合路径见图5中虚线所示,其中Ccon为桥臂中点对散热器的寄生电容,Cp为三相输出动力线缆对地寄生电容,Cm为电机绕组对电机外壳的寄生电容。主要耦合路径为:① IGBT→Ccon→公共地→直流侧线缆→逆变器。② IGBT→交流侧线缆→Cp→公共地→直流侧线缆→逆变器。③ IGBT→交流侧线缆→电机绕组→Cm→公共地→直流侧线缆→逆变器。路径上流经的共模电流加载在三相输出线缆上,通过天线效应对外辐射。

图5 共模传导干扰的耦合路径

2 共模传导干扰全电路模型构建

2.1 铜排、叠层母排及线缆高频参数的提取

地铁车辆逆变系统作为大功率的传动系统,工作在高电压、大电流的工况下。工程上常用叠层母排和铜排作为连接导体。在150 kHz～30 MHz频率范围内,叠层母排和铜排自身的高频阻抗参数对整个逆变系统干扰回路共模阻抗有一定的影响,不可忽略,因此需要提取叠层母排和铜排的高频阻抗参数。铜排的电感由内电感和外电感两部分组成,其中内电感是由铜排导体层内部的漏磁通产生,与流过导体层电流的频率有关。外电感主要与铜排的物理结构相关,与流过电流的频率无关。

其内电感和外电感的表达式见式(2)、式(3)[18]:

(2)

(3)

式中:Lout为铜排外电感;l为铜排长度;h为铜排厚度;d为通流导体间距;μr为相对磁导率;μ0为真空磁导率;Δk和Δe为修正系数,受母排几何结构影响。

叠层母排交流电感由正负铜排自感Ls和正负铜排之间互感M组成。叠层母排自感Ls、互感M的表达式见式(4)、式(5)[19]:

Ls=Lin+Lout

(4)

(5)

铜排和叠层母排交流电阻R的近似表达式为:

(6)

式中:ρ为导体电阻率;L为导线长度;D为导线直径。

本文采用Ansys Q3D软件在准静态电磁场下通过有限元法提取铜排和叠层母排高频参数。根据电流或功率流向及端口实际电流接触面设置网络激励源“sink”、“source”并设置扫频范围为10 kHz～30 MHz,扫频步长为10 kHz,共设置3 000个扫描点,上述步骤完成后,对模型的有效性进行自动验证并仿真提取参数。图6为输出侧铜排交流电阻、交流电感幅频特性仿真结果,图7为叠层母排交流电阻、交流电感幅频特性仿真结果。

图6 铜排交流电阻、交流电感幅频特性仿真结果

图7 叠层母排交流电阻、交流电感幅频特性仿真结果

功率模块外侧主要是供电线缆,低频条件下一段不长的供电线缆可视为理想传输线缆,但是共模传导的频率范围较宽,因此供电线缆不可视为理想传输线,传输线上的杂散参数不可忽略。本文利用Ansys Q3D软件提取逆变器和牵引电机之间线缆的高频等效参数。功率模块外侧U相输出线缆交流电阻和交流电感仿真结果见图8。

图8 U相输出线缆交流电阻、交流电感幅频特性仿真结果

2.2 寄生电容的提取

地铁车辆逆变系统功率模块散热器与机壳相连,接入大地。散热器作为共模传导干扰回路的重要组成部分,与其他结构部件之间的寄生电容,是影响逆变系统共模传导干扰的重要因素。本文利用Ansys Q3D软件对逆变系统功率模块、叠层母排、散热器等各结构部件之间寄生电容进行仿真,其电容仿真值见表1。

表1 各结构件之间电容仿真值

三相逆变桥臂中点对散热器之间存在不可忽略的寄生电容。当功率器件进行高频通断响应时,桥臂中点对地形成较大的电压变化率,不断对寄生电容进行充放电,形成共模干扰电流。桥臂中点对地寄生电容为:

(7)

式中:εr为功率开关IGBT与散热器绝缘层之间相对介电常数;A为散热器的面积;h为绝缘层的厚度。

本文中IGBT集电极与散热器之间的寄生电容通过阻抗分析仪进行提取,得到电容值约为867 pF。

2.3 全电路等效模型的构建

根据地铁车辆逆变系统的电气原理,结合结构部件的高频特性搭建如图9所示的全电路模型。全电路模型主要由以下几部分组成:① 直流输入侧(主要由直流电源、直流侧铜排、线缆、电抗器及支撑电容组成);② 功率模块(主要由叠层母排、逆变电路、散热器等结构部件组成);③ 功率模块外侧(主要由三相输出线缆和负载电机组成)。

图9 地铁车辆逆变系统全电路模型

3 仿真与测试验证

3.1 共模传导电磁干扰测试方法

地铁车辆逆变系统传导干扰的测试总体框图见图10。按照标准EN 55022:2010传导发射(交流电源端口)测试的相关要求,采用一块2 m×1 m铝板作为参考地,将LISN(线性阻抗稳定网络)放置铝板上,地铁车辆逆变系统的散热器与大地相连。LISN的简化电路图见图11,LISN在测试中的作用为:150 kHz～30 MHz频率范围内提供50 Ω恒定的阻抗,为待测设备提供传导干扰通道;LISN中的LC低通滤波器阻止来自电源的干扰影响待测设备。传导干扰共模电压的测试通过测量LISN中50 Ω两端的噪声电压V1、V2获得,共模电压为:

图10 传导干扰测试总体框图

图11 LISN简化电路图

VCM=(V1+V2)/2

(8)

由于地铁车辆逆变系统功率较大,测试中所需的LISN需要订制,订制LISN的成本高、周期长。本文为了测试方便并降低成本,采用电流测试法,将直流输入侧正负动力线缆同时穿过电流探头。由于差模电流大小相等,方向相反,差模电流的影响互相抵消,电流探头测量的值为共模电流的大小ICM。共模电流与共模电压的关系为:

VCM=25ICM

(9)

3.2 仿真与测试验证

地铁车辆逆变系统共模干扰仿真分析是在一个较宽的频率范围进行的,单一的频点下对逆变系统结构部件进行仿真提取建模,会造成整个逆变系统共模传导干扰仿真结果无法较好地反映系统宽频特性,在提取完逆变系统结构部件3 000个扫描点后,使用状态空间电路模型对各频点寄生参数进行全局拟合,通过Ansys Simplorer中的Add State Space命令,采用RLC等效形式,将各频点的寄生参数仿真结果等效为状态空间电路模型,功率模块IGBT的开关状态由Ansys Simplorer自带的PWM模块进行控制。为了验证图9所示全电路模型正确性,本文利用Ansys Simplorer对全电路模型进行建模仿真。根据共模传导干扰耦合路径相关理论分析,本文在仿真过程中通过测量直流输入测负极和地之间电容Ccm流过的电流来实现共模电流的仿真提取。仿真中的频域结果通过Origin软件进行FFT变换获得,为了满足傅里叶变换的精度要求,仿真和试验测试的采样频率都设置为500 MHz。

共模电流仿真结果与试验测试结果见图12,共模传导干扰仿真频谱与试验测试频谱见图13。由图13可知,共模传导干扰的主要能量集中在1 MHz以下的低频段, 1～30 MHz范围内共模干扰衰减较快,因此抑制低频段共模传导干扰有助于改善地铁逆变系统电磁兼容特性。在150 kHz～3 MHz频率范围内,试验测试结果与仿真预测结果匹配度很高,误差很小,在3～30 MHz范围内试验测量结果和仿真预测结果出现了大约8 dB的误差,产生误差的原因为:

(a) 仿真结果

(a) 仿真频谱

(1)并网试验。在进行共模传导干扰试验过程中,现场还有其他的设备正在运行工作,其产生的干扰影响测试结果;同时由于各个设备共地,其他设备的干扰很容易耦合到被测设备上。

(2)台架的布线。由于接地线缆较长,接地线缆与逆变器三相输出线缆之间相互交错,在高频段产生比较复杂的耦合关系。

(3)电流传感器转移阻抗的影响。本文测试所用的电流传感器为HVPD HFCT高频电流传感器,测试频带宽度为100 kHz～150 MHz ,在高频段必须考虑转移阻抗的影响并进行补偿,在实际工程中难以对电流探头进行有效的校准,同时在高频段电流探头的连接线也会受到电磁干扰的影响,造成高频段测试误差。

4 结论

本文以190 kW逆变器构成的地铁车辆逆变系统为研究对象,从共模传导干扰的干扰源和耦合路径两个角度对地铁车辆逆变系统共模传导干扰的机理进行研究,通过试验测量及Ansys Q3D软件提取地铁车辆逆变系统结构部件的高频参数,从而搭建全电路模型。利用Ansys Simplorer软件对全电路模型进行仿真分析,在150 kHz～3 MHz范围内试验测量结果和仿真预测结果匹配度很高,误差很小;在3～30 MHz范围内由于并网试验、台架布线、测试传感器转移阻抗等因素的影响,出现大约8 dB误差,证明了本文搭建的全电路模型预测方法的准确性。该方法可作为预测三相地铁车辆逆变系统共模传导干扰的一种可行性方案。