母線排寄生參數(shù)對三相變換器電磁干擾的影響

謝琳琳， 梁 斌， 魏克新

(天津理工大學自動化學院天津市復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津300384)

母線排寄生參數(shù)對三相變換器電磁干擾的影響

謝琳琳， 梁 斌， 魏克新

(天津理工大學自動化學院天津市復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津300384)

由于母線排的寄生電感和開關(guān)過程中較大瞬態(tài)電流的存在，在IGBT上形成過電壓，對IGBT的性能造成一定的損害?；诓糠衷刃щ娐防碚?partial element equivalent circuit,PEEC)對三相PWM變換器母線排進行分析，提取其寄生電感和寄生電阻，并對母線排的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。在saber軟件中搭建三相變換器的等效電路來分析母線排寄生電感對系統(tǒng)電磁干擾的影響。仿真結(jié)果表明母線排的寄生參數(shù)對直流側(cè)差模電磁干擾影響較大，并且優(yōu)化后的母線排的寄生電感和寄生電阻的值降低了數(shù)倍，明顯減小了高頻段差模電磁干擾。這對于變換器主電路設(shè)計和可靠性分析具有一定的意義。

變換器；PEEC；寄生參數(shù)；電磁干擾；母線排

隨著功率等級的不斷提高，大容量變換器連接導(dǎo)線的增長和距離的逐漸增加，導(dǎo)致連線雜散電感大幅度增加。變換器的寄生電感在開關(guān)器件動作時，由于電流快速變化而感應(yīng)電壓尖峰，造成比較嚴重的電磁干擾[1-4]。對于大功率電子設(shè)備來講，較有效、較直接的提高設(shè)備電磁兼容的性的方法是考慮如何降低自身的電磁干擾。扁平母線排相比于傳統(tǒng)的圓形電纜具有低寄生電感、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱性能良好的優(yōu)勢[1-2]。因此，提取和計算其寄生參數(shù)對傳導(dǎo)電磁干擾分析是關(guān)鍵的，并且合理地設(shè)計母線排的結(jié)構(gòu)也有利于降低雜散參數(shù)，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。文獻[2-4]是針對H橋功率單元的直流母線進行分析，對三相大功率變換器直流母線排的研究較少，而且研究由于母線排寄生參數(shù)的存在對變換器電磁干擾造成的影響的文章并不多見。

本文所研究的對象是三相PWM變換器中連接IGBT的母線排，其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中交流側(cè)是3 mH的電感，直流側(cè)是L=20 Ω電阻和=4 700 μF電容的并聯(lián)。六個IGBT和反并聯(lián)的二極管構(gòu)成三相整流橋。在直流側(cè)，電容為直流儲能濾波器件。本文利用PEEC法對三相母線排的雜散參數(shù)進行提取，進而改進母線排的結(jié)構(gòu)，從而降低系統(tǒng)的傳導(dǎo)電磁干擾。

圖1 三相PWM變換器主電路圖

1 部分元等效電路(PEEC)原理[5]

部分元等效電路法是一種三維全波模擬的方法，其在頻域和時域內(nèi)均可有效地對電磁和電路的組合問題進行分析。PEEC是由積分方程推導(dǎo)得出的，對一個基本的PEEC網(wǎng)絡(luò)來說，積分方程可簡化為一個等效電路，一個三維結(jié)構(gòu)可由一個完整的等效電路給出，因此，PEEC法可以看作是積分方程的電路描述，它利用電路的方法對電磁模型的積分方程進行解釋，從而可以直觀地理解。PEEC模型的起點是導(dǎo)體上任一點電場源之和：

2 應(yīng)用PEEC計算母線排寄生參數(shù)

所研究的三相變換器直流側(cè)母線排，物理結(jié)構(gòu)如圖2。其中：較寬的截面為26 mm×3 mm，較窄截面為21 mm×3 mm，由于母線排的實際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以對其物理模型做如下簡化：忽略母線排上的螺孔和連接螺栓；忽略絕緣介質(zhì)、散熱器中的散熱孔和周圍電纜的影響。

圖2 母線排結(jié)構(gòu)

按照PEEC的劃分原則對母線排的單元劃分如圖3所示。

圖3 母線排部分單元劃分

對于銅導(dǎo)體而言，電導(dǎo)率 σ=5.8×107S/m，磁導(dǎo)率 μ= 4 π×10-7H/m。利用前述的PEEC方法，部分單元的寄生

表2 負母線排的寄生電阻值

表1 正母線排的寄生電阻值

電感的計算，利用PEEC方法，對每一部分的自感進行了計算，各部分的值如表3和表4所示。

表3 正母線排寄生電感值

表4 負母線排寄生電感值

3 優(yōu)化后母線排的參數(shù)計算

據(jù)相關(guān)文獻介紹，采用層疊型的母線排結(jié)構(gòu)可以使得各器件具有良好的關(guān)斷特性，可以抑制過電壓等優(yōu)點。本文采用層疊母線排對三相母線排進行建模分析，提取寄生參數(shù)，并驗證其低雜散電感的特性。層疊型的母線排結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的母線排結(jié)構(gòu)

同樣，利用PEEC原理對母線排進行分段計算，得到其總的雜散參數(shù)為：正母線排總=3.93×10-6Ω，總=27.20×10-9H，負母線排總=3.78×10-6Ω，總=40.40×10-9H。可以看出層疊母線排的電阻和電感有很大的改變，大約優(yōu)化了一個數(shù)量級。原結(jié)構(gòu)的母線排總的寄生參數(shù)和優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的母線排總的寄生參數(shù)見表5。

表5 優(yōu)化前后母線排的寄生參數(shù)

4 仿真結(jié)果及分析

由于電磁兼容設(shè)備昂貴，受實驗條件的限制，利用Saber軟件進行了仿真分析。Saber軟件強大的電力和電子仿真軟件，仿真結(jié)果真實性較好。分別在Saber中建立不含母線排寄生參數(shù)和包括母線排寄生參數(shù)的仿真電路。在時域進行瞬態(tài)分析，然后再進行快速傅里葉變換(FFT)求得頻域的頻譜圖。得到的共模和差模電磁干擾頻譜如圖5至圖8所示。

從圖5至圖8的頻譜圖可以看出寄生參數(shù)對差模影響較大。這是由于差模干擾指的是相線與相線之間的干擾，它主要是由變換器快速開關(guān)引入的脈動電流引起的，直接通過相線與負載形成回路，并且母線排的雜散電感和開關(guān)過程中較大的d/d 引起一定的差模電磁干擾。

改進后的母線排由于雜散參數(shù)較原母線排的雜散參數(shù)值小很多，由圖5～8也可以看出優(yōu)化后系統(tǒng)的電磁兼容性有所提高，尤其是降低了高頻段差模噪聲。

圖5 原差模噪聲頻譜

圖6 原共模噪聲頻譜

圖7 優(yōu)化后差模噪聲頻譜

圖8 優(yōu)化后共模噪聲頻譜

5 結(jié)論

本文以三相PWM變換器為研究對象，利用PEEC方法提取母線排的寄生參數(shù)，然后對其母線排的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的雜散參數(shù)降低了一個數(shù)量級左右，明顯降低了高頻段差模電磁干擾，對提高系統(tǒng)的電磁兼容性有一定的意義。

參考文獻：

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[4]李方正，孫旭東，黃立培．基于PEEC模型分析的H橋單元直流母線的改進設(shè)計[J]．電工電能新技術(shù)，2010,29(2):5-8.

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[10]馬偉明，張磊，孟進.獨立電力系統(tǒng)及其電力電子裝置的電磁兼容[M].北京：科學出版社，2007:1-308.

Analysis of electromagnetic interference effects produced by bus-bar parasitic parameters of three-phase PWM converter

Because of the parasitic inductance in the bus bar and large transient currents the switching process,the over-voltage on IGBT was formed and cause some damage to the IGBT performance.Based on the partial element equivalent circuit(PEEC),the three-phase PWM converter of bus bar row was analyzed,the parasitic inductance and parasitic resistance were extracted, and then bus bar structure was optimized. In the saber software the three-phase equivalent circuit of the converter was built to analyze the impact of the bus bar's parasitic inductance to the system electromagnetic interference.The results of simulation show that the bus bar's parasitic parameters have a greater impact on the DC side of the differential mode electromagnetic interference,and the parasitic parameters of optimized busbar reduce about one order of magnitude,significantly reducing differential electromagnetic interference at high frequency.It had a certain significance for the design and reliability analysis of the converter main circuit.

converter;PEEC;parasitic parameter;electromagnetic interference;bus bar

TM 41

A

1002-087 X(2015)10-2291-04

2015-03-23

國家自然科學基金項目(50977063)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目 (2008AA11A145)；天津市科技支撐重點項目(09ZCKFGX01800)

謝琳琳(1989—)，女，山東省人，碩士，主要研究方向為電磁兼容和電力電子變流技術(shù)。