周錦平，周 敏

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；2.臺(tái)達(dá)電子企業(yè)管理（上海）有限公司臺(tái)達(dá)電力電子研發(fā)中心，上海 201209）

三相逆變器共模傳導(dǎo)電磁干擾建模及原始噪音抑制技術(shù)

周錦平1，周 敏2

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；2.臺(tái)達(dá)電子企業(yè)管理（上海）有限公司臺(tái)達(dá)電力電子研發(fā)中心，上海 201209）

建立了三相逆變器的共模噪音通路模型，基于此模型分析了連接在交流母線(xiàn)與直流母線(xiàn)之間的濾波電容對(duì)共模噪音特性的影響；提出了一種新的應(yīng)用于三相變換器的原始共模噪音的補(bǔ)償方案，基于所提方案可以減小整個(gè)系統(tǒng)對(duì)共模濾波器的要求，改善整個(gè)系統(tǒng)的體積和成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性。

三相逆變器；傳導(dǎo)電磁干擾；共模噪音模型；噪音補(bǔ)償

在大功率應(yīng)用領(lǐng)域，三相脈寬調(diào)制PWM（pulse width modulation）的電壓源變換器如不間斷電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、新能源并網(wǎng)逆變器等被廣泛應(yīng)用。為了滿(mǎn)足相應(yīng)的電磁干擾EMI（electro magnetic interference）標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)側(cè)通常都需要加入EMI濾波器，包括差模濾波器和共模濾波器［1］。因?yàn)楣材Ｔ胍粼磧?nèi)阻的復(fù)雜性，共模濾波器的設(shè)計(jì)通常具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性，需要工程師反復(fù)試錯(cuò)。

另外一個(gè)會(huì)影響共模噪音源特性的關(guān)鍵元件是連接在交流母線(xiàn)與直流母線(xiàn)之間的濾波電容CY0，甚至有時(shí)候交流母線(xiàn)中性點(diǎn)和直流母線(xiàn)中點(diǎn)之間是直接相連。普遍地認(rèn)為這樣的低阻抗連接可以改善逆變器產(chǎn)生的共模噪音電流［2］，因而可以減小交流側(cè)的共模濾波器。但是，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，有時(shí)候會(huì)得到一些矛盾的結(jié)果，鮮有文獻(xiàn)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析。

本文首先分析了三相電壓源變換器的共模噪音通路并建立一個(gè)簡(jiǎn)化的共模噪音模型，利用這個(gè)模型可以很方便地進(jìn)行共模濾波器的設(shè)計(jì)；接著基于這個(gè)模型分析了連接在交流母線(xiàn)與直流母線(xiàn)之間的濾波電容對(duì)共模噪音特性的影響；最后提出了一種應(yīng)用于三相變換器的原始共模噪音的補(bǔ)償方案，共模噪音的原始補(bǔ)償方案在單相電路中出現(xiàn)較早［4］。本文將其推廣至三相電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性。

1 共模噪音模型

1.1 共模噪音模型建立

在電力電子線(xiàn)路中，共模噪音電流的產(chǎn)生通?？梢愿爬?個(gè)要素：一是存在對(duì)地的電壓跳變，二是該電壓跳變點(diǎn)與地之間的分布電容。

結(jié)合三相電壓源變換器拓?fù)?，三相PWM電壓源變換器共模噪音通路如圖1所示。主要需要考慮電壓跳變點(diǎn)，包括3個(gè)橋壁中點(diǎn)及直流母線(xiàn)，相應(yīng)地，分布電容包括3個(gè)橋壁中點(diǎn)對(duì)地的分布電容C1a，、C1b和C1c以及直流母線(xiàn)與地之間的分布電容C0。圖1中，La，、Lb、Lc為3個(gè)儲(chǔ)能電感，Cx為差模濾波電容，ZLISN表示EMI測(cè)試時(shí)的輔助設(shè)備線(xiàn)性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN（line impedance stabilization network）的阻抗。

圖1 三相PWM電壓源變換器共模噪音通路Fig.1 CM noise path of three-phase PWM converter

需要說(shuō)明，如果直流母線(xiàn)是浮地的，則其對(duì)地電壓是跳變的，必須考慮該母線(xiàn)對(duì)地的分布電容，有時(shí)在直流母線(xiàn)和大地之間額外接電容也必須考慮。如果系統(tǒng)中直流母線(xiàn)是直接接地的，則直流母線(xiàn)是電壓穩(wěn)定點(diǎn)，可以不予考慮。

將圖1中的3個(gè)跳變電壓用電壓源替代，則共模噪音模型可以演化成圖2所示模型。

圖2的模型結(jié)構(gòu)仍然比較復(fù)雜，且包含3個(gè)噪音源，不利于共模濾波器的設(shè)計(jì)。利用線(xiàn)性疊加定理和戴維南等效，并且考慮到三相的對(duì)稱(chēng)性，即La= Lb=Lc=L，C1a=C1b=C1c=C1，圖2模型可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化成圖3所示。圖中，各參量可表示為

圖2 三相PWM電壓源變換器共模噪音模型Fig.2 CM noise model of three-phase PWM converter

圖3中，虛線(xiàn)框所示部分即表征了該共模噪音源，噪音源的幅值正比于（uao+ubo+uco）/3，噪音源的內(nèi)阻為1個(gè)電感和1個(gè)電容的串聯(lián)，因此也不可避免地會(huì)存在一個(gè)諧振頻率，該諧振頻率處，噪音源內(nèi)阻為0，因此往往噪音電流很大，是潛在的傳導(dǎo)EMI衰減不夠的頻點(diǎn)?；谶@個(gè)模型，就可以方便地進(jìn)行共模濾波器的設(shè)計(jì)。在已知噪音源內(nèi)阻情況下的濾波器設(shè)計(jì)已有成熟的理論，在此不再贅述。

圖3 簡(jiǎn)化的三相PWM電壓源變換器共模噪音模型Fig.3 Simplified CM noise model of three-phase PWM converter

1.2 交流母線(xiàn)與直流母線(xiàn)之間的濾波電容效果分析

如圖4所示，在交流母線(xiàn)側(cè)由Y型連接的差模濾波電容構(gòu)成的中性點(diǎn)N和直流母線(xiàn)中點(diǎn)O之間接一個(gè)共模濾波電容CY0，這在很多場(chǎng)合都被作為一種減小共模電流的有效手段，主要機(jī)理是通過(guò)構(gòu)造一個(gè)低阻抗的共模電流通路來(lái)短路共模電壓，讓共模電流限制在所構(gòu)造的回路中（粗線(xiàn)所示回路），而盡可能少地流入大地。

基于前述共模噪音模型，完整分析存在CY0時(shí)的共模噪音通路，由于N為一個(gè)虛擬的中性點(diǎn)，其電壓被電網(wǎng)嵌位，是一個(gè)電壓穩(wěn)定點(diǎn)，因此CY0的本質(zhì)是將直流母線(xiàn)的電位也嵌位為穩(wěn)定點(diǎn)，基于之前同樣的方法，可以得到此時(shí)共模噪音的簡(jiǎn)化模型如圖5所示。圖中，各參量可表示為

圖4 帶CY0三相PWM電壓源變換器Fig.4 Three-phase PWM converter with CY0

圖5 帶CY0三相PWM電壓源變換器共模噪音模型Fig.5 CM noise model of three-phase PWM converter with CY0

在圖5中，直流母線(xiàn)與地之間的分布電容C0實(shí)際上是電壓穩(wěn)定點(diǎn)與地之間的電容，其影響效果變成了Y電容，起到旁路流過(guò)LISN的共模電流的作用。通常地，該寄生電容由于阻抗較大，分流能力有限，在原始共模噪音模型中可以進(jìn)一步忽略以簡(jiǎn)化模型。

對(duì)比不存在CY0時(shí)的共模噪音模型（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，由于CY0的存在，儲(chǔ)能電感的作用被弱化，噪音源的內(nèi)阻變成了一個(gè)純電容，因此噪音源的內(nèi)阻也不存在諧振頻率下的低阻抗。這兩種情況下的LISN阻抗的電壓掃描曲線(xiàn)如圖6所示，其中，L= 740 μH，ZLISN/3=17 Ω，C0=961 pF，C1=80 pF。對(duì)比兩條曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，存在CY0時(shí)，雖然低頻段及諧振頻率附近的共模噪音得到改善，但是高頻段的共模噪音反而惡化了。

圖6 帶CY0及不帶CY0時(shí)的共模噪音對(duì)比Fig.6 CM noise comparison between with& without CY0

為便于直觀理解此述CY0對(duì)共模噪音回路的影響問(wèn)題，以如圖7所示的單相噪音源為例進(jìn)行說(shuō)明，由圖可以發(fā)現(xiàn)，CY0雖然構(gòu)造了一個(gè)低阻抗共?；芈罚ù志€(xiàn)回路），但同時(shí)也構(gòu)造了另外一個(gè)共模噪音通路（細(xì)線(xiàn)回路），這個(gè)通路之所以存在，是由于C1的存在，這在很多分析三相電路共模噪音的文獻(xiàn)中均被忽略［2,3］，不夠完整。實(shí)際上，正是由于C1的存在，才導(dǎo)致了CY0作用的兩面性。由此得到一個(gè)定性結(jié)論：C1越小，CY0的正面作用越顯著，負(fù)面作用越小。

圖7 CY0對(duì)共模噪音回路的影響Fig.7 Effects of CY0on CM noise path

1.3 模型驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)測(cè)試基于一臺(tái)功率P為30 kW的三相并網(wǎng)逆變器，工作于無(wú)功補(bǔ)償模式。L=740 μH，開(kāi)關(guān)頻率fs=27 kHz，通過(guò)實(shí)測(cè)提取分布參數(shù)C1=80 pF,C0= 961 pF。通過(guò)式（2）和式（3）可以計(jì)算CCM=1.2 nF，LCM=246.7 μH。根據(jù)圖4模型預(yù)測(cè)的共模噪音和實(shí)測(cè)的共模噪音結(jié)果如圖8所示。由圖可見(jiàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖8 三相PWM電壓源變換器預(yù)測(cè)及實(shí)測(cè)共模噪音Fig.8 Predicted&measured CM noise of three-phase PWM converter

實(shí)測(cè)的共模噪音頻譜中，在300 kHz左右也確實(shí)存在一個(gè)諧振頻率，該諧振頻率是由LCM和CCM決定的，即

在增加了CY0之后，這個(gè)諧振頻率消失了，實(shí)測(cè)共模噪音如圖9所示。由圖可見(jiàn)，在小于500 kHz的頻率范圍，共模噪音降低；在大于500 kHz時(shí)，共模噪音卻變大。實(shí)測(cè)結(jié)果與理論吻合較好，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖9 帶及不帶CY0時(shí)的實(shí)測(cè)共模噪音Fig.9 Measured CM noise with and without CY0

2 一種新的原始共模噪音抑制方案

2.1 方案機(jī)理

根據(jù)前面分析，CY0可以簡(jiǎn)化噪音源內(nèi)阻，從一個(gè)電感和電容串聯(lián)變成一個(gè)單一電容。在CY0存在的條件下，這部分進(jìn)一步提出一種原始共模噪音的抑制方案，以減小對(duì)共模濾波器的要求。

基本原理如圖10所示，通過(guò)構(gòu)造一個(gè)幅值與共模噪音源相等但相位相反的補(bǔ)償電壓，再串聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電容，生成與原共模電流大小相當(dāng)、方向相反的電流來(lái)補(bǔ)償原來(lái)的共模電流。圖中uCM和CCM為存在CY0時(shí)的共模噪音源和噪音源內(nèi)阻。ucomp為補(bǔ)償電壓，其幅值與uCM相等，其相位與uCM相反，Ccomp為補(bǔ)償電容。

圖10 帶CY0三相變換器共模噪音補(bǔ)償原理Fig.10 Principal of CM noise compensation with CY0

為了確保原共模電流和補(bǔ)償電流幅值相等，需要滿(mǎn)足條件：

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，補(bǔ)償電壓可以通過(guò)有源的方式產(chǎn)生，也可以通過(guò)無(wú)源的方式產(chǎn)生。本文以無(wú)源的方式為例，介紹一種具體的實(shí)施方式，通過(guò)在各儲(chǔ)能電感上分別耦合一個(gè)補(bǔ)償繞組，將各補(bǔ)償繞組首尾串聯(lián)之后，再串接一顆補(bǔ)償電容到大地，如圖11所示。這個(gè)方式的前提是交流側(cè)和直流側(cè)要有高頻低阻抗連接，比如通過(guò)電容CY0，或者直接連接如三相四線(xiàn)系統(tǒng)。因?yàn)橹挥性诟哳l低阻抗連接之后，跳變電壓uao、ubo、uco才會(huì)直接降在儲(chǔ)能電感上，此時(shí)在儲(chǔ)能電感上增加耦合繞組才能構(gòu)成所需的補(bǔ)償電壓。補(bǔ)償電壓所需的相位通過(guò)補(bǔ)償繞組和儲(chǔ)能電感主繞組的同名端關(guān)系來(lái)保證。

圖11 帶CY0三相變換器共模噪音補(bǔ)償方案Fig.11 Scheme of CM noise compensation with CY0

具體工作波形如圖12所示，uao、ubo、uco分別為3個(gè)橋壁中點(diǎn)對(duì)直流母線(xiàn)中點(diǎn)的電壓。uCM為共模電壓（uao+ubo+uco）/3，iCM為無(wú)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)流過(guò)LISN的共模電流。ucomp為增加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)之后的補(bǔ)償電壓，其幅值與uCM相等，但相位相反，i＇CM為增加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)之后的共模電流，可以看到共模電流得到顯著的改善。

由于補(bǔ)償繞組只流過(guò)補(bǔ)償電路，并沒(méi)有功率電流，因此這個(gè)補(bǔ)償方法本身對(duì)成本和體積的增加都非常有限，幾乎可以忽略。

圖12 原始共模噪音補(bǔ)償工作波形Fig.12 Waveforms of CM noise compensation

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于30 kW的三相并網(wǎng)逆變器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖13所示。實(shí)驗(yàn)系數(shù)為：CCM=3C1=240 pF，儲(chǔ)能電感L匝數(shù)為37匝，補(bǔ)償繞組的匝數(shù)為12匝，補(bǔ)償電壓和補(bǔ)償電容分別為：，Ccomp=uCMCCM/ucomp=250 pF。實(shí)際取2個(gè)470 pF電容串聯(lián)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此方法可以改善低頻段的共模噪音，在中頻段，由于相位較難保證相反且受一些寄生參數(shù)的影響，會(huì)有一些惡化，但是通常濾波器的體積取決于低頻段的噪音大小，因此此方案還可以顯著降低對(duì)共模濾波器的要求，從而降低整個(gè)裝置的成本和體積。

圖13 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物Fig.13 Experimental prototype

圖14 帶和不帶補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)的實(shí)測(cè)共模噪音Fig.14 Measured CM noise when with and without compensation

3 結(jié)語(yǔ)

本文建立了三相電壓源變換器的共模噪音通路模型，基于此模型分析了連接在交流母線(xiàn)與直流母線(xiàn)之間的濾波電容對(duì)共模噪音特性的影響：此電容具有讓共模噪音源的內(nèi)阻從電感與電容的串聯(lián)特性演變成單一電容的特性，改變了共模噪音源所具有的諧振特性，改善了諧振頻率附近的噪音大小，但也因此惡化了高頻段原始共模噪音。最后提出了一種新的應(yīng)用于三相變換器的原始共模噪音的補(bǔ)償方案，基于這樣的方案可以減小整個(gè)系統(tǒng)對(duì)共模濾波器的要求，改善整個(gè)系統(tǒng)的體積和成本，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性。

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Common Mode Conducted EMI Noise Modeling and Suppression for Three-phase Inverter

ZHOU Jinping1,ZHOU Min2
（1.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China; 2.Delta Power Electronics Center（DPEC）,Delta Electronics（Shanghai）Co.Ltd,Shanghai 201209,China）

Grid connected three-phase pulse width modulation（PWM）voltage source converter（VSC）generates undesired common mode（CM）noise.A typical solution to this problem is to use a CM filter.This work first gives the CM noise model of three-phase VSC.Then the effects of capacitor connected between AC bus and DC bus is analyzed.Finally a new scheme is proposed on original CM noise suppression.Experimental results indicate that the proposed idea can reduce CM noise obviously.Thus the requirements on CM filter are reduced.

three-phase inverter;conducted electro magnetic interference（EMI）;common-mode noise model;noise compensation

周錦平

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．3.107

：TM46

：A

周錦平（1984-），男，通信作者，碩士研究生，研究方向：電力電子裝置中的高頻磁元件設(shè)計(jì)，電磁兼容與電磁干擾抑制，E-mail：Jinping.Zhou@deltaww.com.cn。

2015-12-09

周敏（1978-），女，本科，研發(fā)副理，研究方向：電力電子裝置中的高頻磁元件設(shè)計(jì)，電磁兼容與電磁干擾抑制，E-mail：Min.Zhou@deltaww.com.cn。