胡亞輝 張衛(wèi)東 張 雷 齊 磊 康 偉

（1. 華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2. 國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102200）

2015年4月20日，國(guó)家電網(wǎng)公司“統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）關(guān)鍵技術(shù)研究及核心裝備研制”通過了中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)組織的鑒定。該項(xiàng)目成功研發(fā)出適用于220kV電網(wǎng)的基于模塊化多電平的統(tǒng)一潮流控制器換流閥及閥控樣機(jī)，填補(bǔ)了我國(guó)統(tǒng)一潮流控制器技術(shù)的空白。該UPFC換流閥中大量使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）子模塊來實(shí)現(xiàn)換流功能。換流流過程中，由于 IGBT周期性的開通與關(guān)斷，電壓與電流急劇變化，產(chǎn)生大量的電磁騷擾，可能會(huì)影響 IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路的正常工作。因此有必要對(duì)換流閥內(nèi) IGBT所產(chǎn)生的電磁騷擾情況進(jìn)行分析，為今后的研制生產(chǎn)過程提供參考。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于換流閥系統(tǒng)的EMI研究主要側(cè)重于閥塔或閥模塊級(jí)[1-4]，對(duì)于換流閥內(nèi)所使用的IGBT器件級(jí)的電磁騷擾特性研究較少。文獻(xiàn)[5-7]分析了 IGBT工作時(shí)的電磁騷擾特性，但都限于傳導(dǎo)騷擾。文獻(xiàn)[8]對(duì)IGBT產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行了建模仿真，但沒有提出可預(yù)測(cè)近場(chǎng)輻射特性的計(jì)算模型；仿真的激勵(lì)電壓為幅值1V的梯形脈沖，并非IGBT的實(shí)際工作電壓。

針對(duì)換流閥中所使用的 Infineon公司的FF450R17ME4型IGBT模塊，本文提出基于單環(huán)拓?fù)涞刃Ш顽R像法原理相結(jié)合的計(jì)算模型來預(yù)測(cè)IGBT模塊工作時(shí)所產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)采用基于有限積分法的CST軟件對(duì)IGBT模塊的產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行仿真，結(jié)果證明了計(jì)算模型的有效性。

1 IGBT模塊工作原理

1.1 IGBT開通過程

與其它半導(dǎo)體器件類似，IGBT的開通也需要經(jīng)歷一個(gè)過程。如圖1所示，從IGBT驅(qū)動(dòng)電壓的前沿上升至其幅值的10%到集電極電流上升至其幅值的10%時(shí)刻，這段時(shí)間為IGBT的開通延遲時(shí)間[9]。而從10%上升到90%的過程，為IGBT的電流上升時(shí)間。隨著電流的增大，IGBT集射電壓開始下降。IGBT的開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間及電壓下降時(shí)間之和，定義為IGBT的開通時(shí)間。

圖1 IGBT開關(guān)過程示意圖

本文所用 IGBT為 1700V，飽和導(dǎo)通情況下最大允許通過電流為 400A，然而其開通時(shí)間只有約0.26（125℃環(huán)境下）。在20kHz的工作頻率下，IGBT頻繁導(dǎo)通與關(guān)斷，電流迅速變化，激發(fā)出大量的電磁騷擾，成為換流閥內(nèi)主要的電磁騷擾來源[10]。

1.2 IGBT關(guān)斷過程

從驅(qū)動(dòng)電壓的脈沖后沿下降到其幅值的 90%起，到集射電壓上升至其幅值的10%，這段時(shí)間為IGBT 的關(guān)斷延遲時(shí)間。隨后是集射電壓 上升時(shí)間。集電極電流從90%下降至10%的時(shí)間為電流下降時(shí)間。關(guān)斷延遲時(shí)間、電壓上升時(shí)間和電流下降時(shí)間之和稱為 IGBT的關(guān)斷時(shí)間。電流的迅速減小會(huì)在 IGBT兩端感應(yīng)出反向的電動(dòng)勢(shì)，在與 IGBT反并聯(lián)的二極管上產(chǎn)生反向恢復(fù)電流。由于反向恢復(fù)電流所產(chǎn)生的電磁騷擾頻段較高、能量較小，屬于遠(yuǎn)場(chǎng)范圍，故本文不考慮其產(chǎn)生的電磁騷擾。

1.3 IGBT模塊工作原理

換流閥中的 IGBT模塊會(huì)根據(jù)需要，處于不同的工作狀態(tài)，例如處于不同的電流變換電路、帶不同性質(zhì)的負(fù)載以及有不同的觸發(fā)角等。從研究電磁輻射的角度，我們?nèi)∑潆姶泡椛湎鄬?duì)嚴(yán)重而又經(jīng)常涉及的工作狀態(tài)，即帶電阻負(fù)載、有90°觸發(fā)角的三相橋式全控整流電路中[11]。如圖所示，IGBT模塊含有六個(gè) IGBT芯片，每個(gè)芯片與一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)。上下兩個(gè) IGBT芯片串聯(lián)在一起，串聯(lián)后的 IGBT再與另外兩對(duì)相并聯(lián)，形成一個(gè)橋臂，三個(gè)IGBT模塊可組成一個(gè)三相橋式全控整流電路。整個(gè)IGBT模塊放置于厚45mm，面積約為IGBT底座面積二十倍左右的散熱器上。該散熱器為良導(dǎo)體，接地良好。

圖2 IGBT模塊實(shí)物圖

如圖3所示，上面三個(gè)IGBT稱為共陰極組，下面三個(gè)由于集電極連在一起，被稱為共陽極組。當(dāng)處于整流電路狀態(tài)時(shí)，六個(gè)IGBT按照?qǐng)D3中序號(hào)所示，VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6依次導(dǎo)通，在任一時(shí)刻都由一個(gè)共陰極組 IGBT和一個(gè)共陽極組IGBT組成通流回路。

圖3 三相橋式全控整流電路

2 IGBT模塊近場(chǎng)計(jì)算模型

電力電子裝置工作時(shí)所產(chǎn)生的近場(chǎng)問題情況比較復(fù)雜，準(zhǔn)確計(jì)算是非常困難的。目前的研究文獻(xiàn)大多對(duì)源進(jìn)行了簡(jiǎn)化。本文根據(jù) IGBT模塊的實(shí)際工作特性，將模塊下方面積較大、導(dǎo)電性能較好、接地良好的散熱器等效為理想地，結(jié)合鏡像法和文獻(xiàn)[12]所建立的單環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，提出一種新的近場(chǎng)計(jì)算方法。

2.1 單環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型

文獻(xiàn)[12]以 BUCK變換器為原型，結(jié)合偶極子天線模型，建立了BUCK變換器主電路單環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型。如圖4所示。并根據(jù)麥克斯韋方程，給出了周圍電磁場(chǎng)的計(jì)算公式

圖4 BUCK變換器的單環(huán)模型

由于IGBT的開通過程和MOSFET很相似，且在任意時(shí)刻都只有一個(gè)通流回路，回路情況與BUCK變換器情況相似，所以在研究本IGBT模塊近場(chǎng)問題時(shí)，可以參考文獻(xiàn)[12]所建立的模型。

2.2 鏡像法

鏡像法是根據(jù)唯一性定理，在不改變所求區(qū)域介質(zhì)和邊界條件的情況下通過虛設(shè)場(chǎng)源來簡(jiǎn)化求解問題的一種等效源法。鏡像法被廣泛用于穩(wěn)恒電磁場(chǎng)中。但對(duì)于電偶極子和磁偶極子問題，鏡像法依然有效[13]。

如圖5所示，假設(shè)在無限導(dǎo)體平面上方有一個(gè)電偶極子，其中心點(diǎn)坐標(biāo)是M(x,y,z)。當(dāng)求解導(dǎo)體上方空間的場(chǎng)時(shí)可以將導(dǎo)體的影響等效為一個(gè)反置的鏡像電偶極子，其中心點(diǎn)坐標(biāo)是M`（x,y, -z）。

圖5 鏡像法

2.3 IGBT模塊計(jì)算模型

由于文獻(xiàn)[12]所建立的單環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型是依據(jù)偶極子等效原理，并且BUCK電路中電流皆是水平流向，所以該模型可以依據(jù)鏡像法來定義鏡像模型。我們可以將面積較大接地良好的散熱器視為理想導(dǎo)體平面，則模塊上方的電磁場(chǎng)就是單環(huán)模型及其鏡像模型共同作用的結(jié)果，如圖6所示。

圖6 單環(huán)及其鏡像模型

IGBT模塊底座厚約 6mm。原模型是根據(jù)坐標(biāo)原點(diǎn)在回路中心設(shè)立的，所以我們可以視為將原回路沿z坐標(biāo)正向平移s，s等于6mm，則原方程中所有z變量均改為。鏡像模型與原模型關(guān)于xy平面對(duì)稱，故原方程中所有z變量可改為。將兩個(gè)方程相疊加就可以得到一個(gè)最終預(yù)測(cè) IGBT模塊近場(chǎng)電磁場(chǎng)數(shù)值的計(jì)算方程。

3 IGBT模塊的電磁仿真

本文采用基于有限元積分法的CST軟件，在微波工作室環(huán)境下，使用時(shí)域求解器對(duì) IGBT模塊產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行仿真。

3.1 仿真模型的建立

導(dǎo)通后的IGBT芯片壓降較小，可視為良導(dǎo)體，由其構(gòu)成的通流回路視為由 PEC（Perfect Electric Conductor）連接成的回路。由方程組（1）可知，矩形回路的長(zhǎng)邊L越長(zhǎng)，F(xiàn)越大，結(jié)果產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越大，所以本文取可構(gòu)成回路面積較大的兩個(gè)IGBT為導(dǎo)通狀態(tài)，另外四個(gè)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，電導(dǎo)率極小，可忽略其影響。由此可建立如圖7所示的結(jié)構(gòu)模型。

由于 IGBT模塊工作時(shí)存在較高的電壓、電流過沖，為保證不損壞，通常器件只工作在電壓電流額定值的一半[14]，所以本文對(duì)激勵(lì)源設(shè)置為幅值為200A的電流源。為在保證仿真精確度的情況下，縮短仿真時(shí)間，將激勵(lì)波形設(shè)置為上升和下降沿均為40ns，總持續(xù)時(shí)間為 300ns的梯形波。激勵(lì)源信號(hào)如圖8所示。將仿真邊界條件定義為輻射邊界，即相當(dāng)于整個(gè)模型被嵌入在一個(gè)理想的開闊空間場(chǎng)里，仿真頻率設(shè)定為 0～1GHz。在模塊正上方距IGBT芯片30mm處設(shè)置電場(chǎng)和磁場(chǎng)探頭。

圖7 IGBT模塊仿真模型

圖8 激勵(lì)源波形

3.2 仿真結(jié)果及分析

1）電場(chǎng)仿真

通過施加的近場(chǎng)探頭可得到如圖9所示電場(chǎng)仿真結(jié)果。

圖9 電場(chǎng)仿真結(jié)果圖

由時(shí)域圖可知，在 IGBT開通階段，模塊可激發(fā)出幅值為40V/m左右的電場(chǎng)，部分尖峰脈沖甚至可以高達(dá)100V/m；隨著電流趨于平穩(wěn)，電場(chǎng)幅值開始回落，當(dāng)電流開始下降時(shí)，電場(chǎng)幅值再次大幅增加；電流斜率出現(xiàn)變化處，產(chǎn)生的電場(chǎng)幅值最大，最易對(duì)外界產(chǎn)生干擾。

由頻域圖可知IGBT模塊產(chǎn)生的電場(chǎng)頻帶較寬，其中20MHz以下頻率，幅值較大。而此頻段波長(zhǎng)超過 1.5m，IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)電路和控制電路屬于此頻帶的近場(chǎng)范圍內(nèi)，容易受到干擾。在 850～900MHz頻段，信號(hào)幅值較大，可能會(huì)對(duì)模塊周邊無線通信產(chǎn)生影響。

2）磁場(chǎng)仿真

磁場(chǎng)仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 磁場(chǎng)仿真結(jié)果圖

由于磁場(chǎng)直接與電流相關(guān)，在簡(jiǎn)化仿真模型的情況下，磁場(chǎng)波形走向與所見的電流激勵(lì)源相似。磁場(chǎng)的頻域干擾也以 20MHz以下和 850～900MHz為主。

3）電場(chǎng)騷擾的方向差異

圖11顯示了在模塊中心正上方30mm處，不同方向的電場(chǎng)時(shí)域分布圖。

圖11 探針位置不同方向電場(chǎng)時(shí)域圖

各方向軸與模型的關(guān)系可由圖7（b）得到。可以看出，在電場(chǎng)不同方向，電場(chǎng)幅值差異明顯。Z軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，幅值最高可達(dá)到同時(shí)間點(diǎn)x軸方向的10倍。由于z軸方向，恰恰是模塊上方控制電路元件的主要放置方向，所以 IGBT模塊工作時(shí)對(duì)控制、驅(qū)動(dòng)電路的影響扔不可忽視，還需要做進(jìn)一步的研究。

4）理論計(jì)算與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比

取源激勵(lì)的上升階段，將電流變化率、模型長(zhǎng)寬、所求點(diǎn)坐標(biāo)等代入方程組（1），可求得Ex≈1.736V/m。同時(shí)間段x軸電場(chǎng)仿真結(jié)果，其幅值主要以2.4V/m為主?？紤]到建模的精確度問題，計(jì)算模型依然體現(xiàn)了較高的準(zhǔn)確性，可用于預(yù)測(cè) IGBT模塊近場(chǎng)大概的輻射強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文以Infineon公司的FF450R17ME4型IGBT模塊為研究對(duì)象，提出了一種綜合單環(huán)拓?fù)淠Ｐ秃顽R像法的一種預(yù)測(cè)模塊近場(chǎng)騷擾的新的計(jì)算方法。通過CST軟件建立了模塊的模型并對(duì)模塊的近場(chǎng)電磁騷擾進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果與計(jì)算數(shù)值接近，證明提出的計(jì)算方法可以用來預(yù)測(cè) IGBT模塊近場(chǎng)騷擾情況。

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