張有林，高小麗

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

變頻空調(diào)傳導(dǎo)干擾的建模及驗(yàn)證

張有林，高小麗

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

本文驗(yàn)證了一種變頻空調(diào)頻域傳導(dǎo)干擾的建模方法。使用測(cè)試設(shè)備提取變頻空調(diào)各負(fù)載和各關(guān)鍵電氣部件的頻域阻抗特性，分別構(gòu)造電路模型無(wú)限逼近各部件的阻抗特性曲線，達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求后將此等效電路模型確定為該部件的等效電路，根據(jù)實(shí)際傳遞路徑將各等效電路連接起來(lái)，通過(guò)聯(lián)合仿真模擬變頻空調(diào)整機(jī)的傳導(dǎo)干擾特性。最后將仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)電磁兼容性能、優(yōu)化各部件電磁性能設(shè)計(jì)的目的。

電磁兼容；傳導(dǎo)干擾；等效電路模型；變頻空調(diào)

隨著電力電子技術(shù)在家用電器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，家電產(chǎn)品從簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為可變頻率的數(shù)字化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)實(shí)際使用情況自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備輸出能力的柔性控制，極大提高了產(chǎn)品的使用能效和舒適性，同時(shí)由于功率半導(dǎo)體器件在工作過(guò)程中的頻繁開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生較大的脈沖干擾，導(dǎo)致電磁騷擾問(wèn)題更加嚴(yán)重［1，2］，近年來(lái)電磁兼容方面的研究成果不斷涌現(xiàn)，例如通過(guò)使用不同磁芯材料、不同繞線方式的扼流圈抑制設(shè)備對(duì)電源側(cè)的干擾［3，4］；通過(guò)改變高頻變壓器繞線方式，增加屏蔽層，減少開(kāi)關(guān)電源共模CM（common mode）干擾［5，6］等等，大都是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型后，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)不符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)部件局部?jī)?yōu)化進(jìn)行補(bǔ)救的有效措施，但這種補(bǔ)救方法不能保證每次都能有效解決問(wèn)題，有時(shí)需要對(duì)電路拓?fù)浠螂姎饨Y(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),因此類(lèi)似做法不具有普遍推廣意義。

本文建立了一套變頻空調(diào)傳導(dǎo)干擾的建模仿真方法，通過(guò)分析變頻空調(diào)傳導(dǎo)干擾的干擾源及其傳播路徑，分別測(cè)量負(fù)載和關(guān)鍵干擾部件的阻抗特性，建立關(guān)鍵模塊的等效電路模型，根據(jù)仿真結(jié)果確定濾波器的性能參數(shù)要求，同步優(yōu)化PCB線路布局和電器盒結(jié)構(gòu)，可以有效提高EMC性能，降低電磁兼容方面的設(shè)計(jì)成本，同時(shí)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、電氣、電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中同步考慮電磁兼容性能，可以有效改善產(chǎn)品整體布局，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

1 數(shù)學(xué)建模

1.1 干擾傳遞路徑分析

人工電源網(wǎng)絡(luò)LISN（line impedance stabilization network）是電源端口傳導(dǎo)騷擾測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備，接收機(jī)接于LISN中的檢測(cè)電阻與地之間，接收機(jī)信號(hào)輸入端本身的阻抗與LISN中檢測(cè)電阻處于并聯(lián)狀態(tài)，其等效電阻接近 50 Ω［4］，差模 DM（difference mode）干擾和共模干擾分別通過(guò)不同的傳導(dǎo)路徑流過(guò)此等效阻抗，差模干擾通過(guò)零線和火線之間傳導(dǎo),共模干擾通過(guò)零線、火線、各負(fù)載與地之間傳導(dǎo)，測(cè)試變頻空調(diào)傳導(dǎo)干擾本質(zhì)上就是測(cè)試等效阻抗兩端的電壓。變頻空調(diào)主要由濾波電路、功率因數(shù)校正電路、逆變電路、壓縮機(jī)繞組、壓縮機(jī)共模通路、開(kāi)關(guān)電源電路、各個(gè)功率器件與地之間的寄生電容等模塊組成，干擾的主要傳導(dǎo)路徑如圖1所示。

圖1 變頻空調(diào)系統(tǒng)干擾路徑Fig.1 Conductive interference propagation route of inverter air-conditioner

1.2 建模原理

電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中傳導(dǎo)EMI干擾的測(cè)量頻段為150 kHz～30 MHz［5］。為了保證模型的準(zhǔn)確性，本文采用阻抗相等的原則，通過(guò)使用阻抗分析儀獲得共模扼流圈、電抗器、壓縮機(jī)繞組和壓縮機(jī)共模通路等模塊在10 kHz～50 MHz頻段的阻抗來(lái)獲取各個(gè)模塊的集總參數(shù)等效電路模型。使用Simplorer仿真環(huán)境建立IGBT、二極管等有源功率半導(dǎo)體器件動(dòng)態(tài)模型［6］。

基本單元組成的集總參數(shù)等效電路模型如圖2和圖3所示，通過(guò)確定各單元的參數(shù)使等效電路模型的阻抗與實(shí)際測(cè)試阻抗的幅值和相角分別相等。

圖2 并聯(lián)型等效電路模型Fig.2 Parallel equivalent circuit model

在圖2的電路模型中，阻抗的計(jì)算公式為

式中：R0為直流電阻；Ri、Li和Ci分別為第i組單元電路的電阻、電感和電容。同理，在圖3所示的串聯(lián)型等效電路模型中，阻抗ZS的計(jì)算公式為

功率因數(shù)校正電感屬于感性器件，一般采用圖2所示等效模型。壓縮機(jī)繞組以感性負(fù)載為主，也使用圖2模型。壓縮機(jī)繞組與壓縮機(jī)殼體之間充滿了制冷劑和潤(rùn)滑油，兩者之間存在寄生電容，為共模干擾提供了傳遞路徑，因此將此部分模型定義為壓縮機(jī)共模通路模型，且采用圖3所示的等效模型。而對(duì)于抑制低頻噪音的扼流圈，除了要考慮線圈在磁環(huán)上的耦合外，還要考慮由于磁芯材料特性隨頻率的變化以及繞組漏感和繞組寄生電容等因素的作用。

圖3 串聯(lián)型等效電路模型Fig.3 Series equivalent circuit model

同時(shí)考慮共模扼流圈的差模模型和共模模型時(shí)需要采用圖4所示的共模扼流圈等效電路模型。假設(shè)模型中2個(gè)耦合的電感完全耦合，從圖中可以看出共模電流通過(guò)差模模型的阻抗為0，差模電流通過(guò)共模模型的阻抗為0。獲取共模扼流圈模型的測(cè)試方法及對(duì)應(yīng)模型如圖5和圖6所示。則共模扼流圈的共模和差模等效電路模型計(jì)算公式分別為

式中，RDi、LDi、CDi分別為差模模型第i組數(shù)據(jù)的電阻、電感和電容；RCi、LCi、CCi分別為共模模型第i組數(shù)據(jù)的電阻、電感和電容。

在Simplorer環(huán)境下對(duì)于IGBT、二極管等半導(dǎo)體功率器件的建模，則將器件的輸入輸出曲線、阻抗轉(zhuǎn)移特性曲線以及一些器件的關(guān)鍵參數(shù)（如米勒電容等）導(dǎo)入到模型中即可。它們與地之間的寄生電容為共模干擾提供了通路，這些電容容值也可通過(guò)使用阻抗分析儀測(cè)量。

圖4 共模扼流圈模型Fig.4 Model of CM chokes

圖5 共模阻抗測(cè)量方法及對(duì)應(yīng)模型Fig.5 Measurement method and its model of CM impedance

圖6 差模阻抗測(cè)量方法及對(duì)應(yīng)模型Fig.6 Measurement method and model of DM impedance

2 模型參數(shù)提取及驗(yàn)證

根據(jù)上述建模方法完成所有部件的等效模型之后，使用阻抗分析儀分別測(cè)量共模扼流圈、壓縮機(jī)繞組和壓縮機(jī)共模通路的阻抗參數(shù)，并將測(cè)量參數(shù)代入模型之中，通過(guò)模型阻抗曲線與阻抗分析儀測(cè)試的阻抗曲線進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。如圖7和圖8所示，共模扼流圈的差模阻抗和共模阻抗模擬值與實(shí)測(cè)值比較吻合時(shí)，將使用該參數(shù)的模型確定為該器件的等效電路。

圖7 共模扼流圈共模阻抗模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.7 Comparison of CM impedance between simulated value and measured value of CM chokes

壓縮機(jī)繞組采用并聯(lián)型等效電路模型。為保證精度，模型由7組并聯(lián)RLC組成，模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖9所示。壓縮機(jī)接收高頻率開(kāi)關(guān)信號(hào)，共模干擾信號(hào)通過(guò)壓縮機(jī)與機(jī)殼之間的寄生電容傳導(dǎo)。壓縮機(jī)作為復(fù)雜系統(tǒng)，模型由5組串聯(lián)RLC組成，模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖10所示。

通過(guò)圖7～圖10的對(duì)比可以看到，等效電路仿真擬合的阻抗曲線與實(shí)測(cè)的阻抗曲線比較吻合，表明等效模型所使用的參數(shù)基本能夠反映各模塊的阻抗頻率變化，驗(yàn)證了建模方法的有效性，其他類(lèi)似模塊均可以參照該方法進(jìn)行建模。

圖8 共模扼流圈差模阻抗模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.8 DM impedance comparison between simulated value and measured value of CM chokes

圖9 壓縮機(jī)繞組阻抗模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.9 Impedance comparison between simulated value and measured value of compressor winding

圖10 壓縮機(jī)共模通路阻抗模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.10 Impedance comparison between simulated value and measured value of compressor noise propagation route

3 仿真與實(shí)驗(yàn)比較

在Simplorer環(huán)境下，對(duì)1匹家用變頻空調(diào)各模塊建模，其中濾波電路采用一級(jí)濾波，分別建立共模扼流圈、X電容、Y電容模型，IGBT、IPM等功率器件根據(jù)各器件規(guī)格書(shū)的參數(shù)建立動(dòng)態(tài)模型，開(kāi)關(guān)電源使用多路輸出等效電路模型。根據(jù)理論分析的傳遞路徑，將各模塊等效模型連接后進(jìn)行仿真，主要仿真參數(shù)見(jiàn)表1。仿真步長(zhǎng)取10 ns，在Simplorer中得到的時(shí)域干擾電壓導(dǎo)入PSIM仿真軟件中，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)后再與接收機(jī)實(shí)際測(cè)量的空調(diào)傳導(dǎo)干擾頻譜相比較，對(duì)比結(jié)果如圖11所示，通過(guò)對(duì)比可知，在5 MHz之前，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合，驗(yàn)證了建模方法的有效性。由于部分模型參數(shù)測(cè)試?yán)щy，建模過(guò)程中部分模型做了簡(jiǎn)化處理，比如壓縮機(jī)模型、整機(jī)中線路、器件之間的近場(chǎng)耦合模型等，使得高于5 MHz頻段仿真的準(zhǔn)確度有些偏差，但是可以預(yù)測(cè)傳導(dǎo)干擾在各頻段的變化趨勢(shì)，達(dá)到了仿真建模的目的。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖11 傳導(dǎo)干擾仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison between simulated value and measured value of conductive interference

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種變頻空調(diào)頻域傳導(dǎo)干擾的建模方法。首先提取變頻空調(diào)各負(fù)載和各關(guān)鍵電氣部件的頻域阻抗特性，得到該部件的等效電路；接著根據(jù)實(shí)際傳遞路徑將各等效電路連接起來(lái)，通過(guò)聯(lián)合仿真模擬變頻空調(diào)整機(jī)的傳導(dǎo)干擾特性，最后將傳導(dǎo)干擾仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)結(jié)果對(duì)比可知，本文提出的仿真建模方法能夠初步預(yù)測(cè)變頻空調(diào)的EMI干擾情況，為降低電磁干擾提供了新的思路。但高頻段的仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果還存在一定差異，后續(xù)將通過(guò)精確空調(diào)各部件的高頻模型來(lái)提高仿真準(zhǔn)確性。

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Modulation and Verification of Conducted Interference in Inverter Air Conditioner

ZHANG Youlin,GAO Xiaoli
（Gree Electric Appliances,Inc.Zhuhai 519070,China）

This paper presents a conducted interference modulation method in inverter air conditioner.By measuring frequency-impedance characteristic of components in inverter air conditioner the equivalent circuits were attained. Then the circuits,which abstracted from the components of air conditioner,were fit together according to real system. Finally the abstracted system simulated as a whole.The agreement between simulation and experimental results validates the digital simulation method.On the whole,the method reaches the objects of predicting the EMC performance and optimizing EMC design in inverter air conditioner.

electromagnetic compatibility;conducted interference;equivalent circuit model;inverter air-conditioner

張有林

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．3.25

：TM 132

：A

張有林（1969-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電力電子及電氣傳動(dòng)、永磁同步電機(jī)控制、電磁兼容等技術(shù)，E-mail：zyl@cn.gree.com。

2017-02-10

高小麗（1984-），女，通信作者，碩士，工程師，研究方向：電力電子技術(shù)與電磁兼容，E-mail：gaoxiaoli-0423@163.com。