［摘 要］文章對SVG 功率單元及電源模塊進(jìn)行了概述，分析了電源模塊的元件選型與優(yōu)化，探討了電磁干擾的抑制與屏蔽優(yōu)化，旨在提高SVG 功率單元的性能和穩(wěn)定性。

［關(guān)鍵詞］SVG 功率單元；電源模塊；電磁干擾抑制；優(yōu)化設(shè)計(jì)

［中圖分類號］TP273 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0106–03

1 SVG功率單元及電源模塊概述

1.1 SVG功率單元的基本結(jié)構(gòu)和功能

SVG 功率單元是靜止無功發(fā)生器（Static VarGenerator，以下簡稱“SVG”）的核心組成部分，其基本結(jié)構(gòu)包括功率變換電路、控制電路、保護(hù)電路及冷卻系統(tǒng)等關(guān)鍵部分。SVG 功率單元的主要功能是通過調(diào)節(jié)輸出電流的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)中的無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。SVG 功率單元通常采用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如二極管中點(diǎn)鉗位型（NPC）或級聯(lián)H 橋型（CHB），以實(shí)現(xiàn)更高的電壓等級和更靈活的功率控制。

功率變換電路是SVG 功率單元的核心，其由多個(gè)絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate BipolarTransistor，以下簡稱“IGBT”）開關(guān)管組成，通過脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation， 以下簡稱“PWM”）控制技術(shù)，可以精確地調(diào)節(jié)SVG 輸出的無功電流。控制電路是SVG 功率單元的“大腦”，負(fù)責(zé)接收來自上位機(jī)的指令，根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)計(jì)算出SVG 應(yīng)輸出的無功電流，并生成相應(yīng)的PWM 控制信號，以驅(qū)動(dòng)功率變換電路中的IGBT 開關(guān)管。同時(shí)，控制電路還具備完善的保護(hù)功能，如過流保護(hù)、過熱保護(hù)等，以確保SVG 功率單元在異常情況下能夠安全停機(jī)。保護(hù)電路是SVG 功率單元的安全保障，能夠在電網(wǎng)出現(xiàn)故障或SVG 功率單元內(nèi)部出現(xiàn)異常時(shí)，迅速切斷電源，防止故障擴(kuò)大。保護(hù)電路通常包括過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)等多種保護(hù)功能，確保SVG 功率單元在惡劣的電網(wǎng)環(huán)境下也能安全的運(yùn)行。冷卻系統(tǒng)對于SVG 功率單元的穩(wěn)定運(yùn)行也至關(guān)重要。由于SVG 功率單元在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，若不及時(shí)進(jìn)行散熱，可能會導(dǎo)致IGBT 等元器件過熱損壞。因此，冷卻系統(tǒng)通常采用強(qiáng)制風(fēng)冷或水冷等方式，確保SVG 功率單元的溫度始終保持在安全范圍內(nèi)。

1.2 電源模塊在SVG功率單元中的作用

SVG 功率單元要實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)中的無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，離不開電源模塊提供穩(wěn)定、可靠的直流電源。電源模塊為SVG 功率單元中的功率變換電路提供所需的直流電源。功率變換電路中的IGBT 開關(guān)管在進(jìn)行高速的開關(guān)動(dòng)作時(shí)，需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)以確保其正常工作。電源模塊通過整流、濾波等環(huán)節(jié)，將交流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電源，供給功率變換電路，從而保證SVG 能夠精確地調(diào)節(jié)輸出電流的幅值和相位。電源模塊還承擔(dān)著保護(hù)電路供電的重要任務(wù)。電源模塊為保護(hù)電路提供不間斷的電源，確保其能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)和SVG 功率單元的工作情況，一旦檢測到異常情況，能夠立即切斷電源，防止故障擴(kuò)大。電源模塊的穩(wěn)定性和可靠性直接影響到SVG 功率單元的整體性能。若電源模塊出現(xiàn)故障或輸出電壓不穩(wěn)定，會導(dǎo)致SVG 功率單元無法正常工作，甚至可能引發(fā)更嚴(yán)重的電網(wǎng)問題。因此，電源模塊的設(shè)計(jì)和質(zhì)量把控至關(guān)重要，必須確保其在各種惡劣環(huán)境下都能穩(wěn)定運(yùn)行。

2 電源模塊的元件選型與優(yōu)化

2.1 IGBT模塊、整流二極管、直流側(cè)電容等元件的選型

在電源模塊的設(shè)計(jì)過程中，元件選型直接影響到電源模塊的性能、穩(wěn)定性和效率。以下核心元件的選型尤為關(guān)鍵。

（1）IGBT 模塊的選型首要考慮其電壓和電流容量，以確保其能夠承受SVG 功率單元在工作過程中可能產(chǎn)生的最大電壓和電流。同時(shí)，IGBT 的開關(guān)速度和損耗也十分重要?？焖俚拈_關(guān)速度可以減少開關(guān)損耗，提高效率，而低損耗則有助于減少發(fā)熱，提升系統(tǒng)的可靠性。

（2）整流二極管的選型需要關(guān)注其正向?qū)▔航?、反向恢?fù)時(shí)間和反向耐壓等指標(biāo)。低的正向?qū)▔航悼梢詼p少功率損耗，快速的反向恢復(fù)時(shí)間有助于減少開關(guān)過程中的電壓尖峰和振蕩，從而提高電源模塊的效率和穩(wěn)定性。反向耐壓能力則是確保整流二極管在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或異常情況下能夠安全工作的關(guān)鍵。

（3）直流側(cè)電容的選型主要考慮其容量、耐壓和等效串聯(lián)電阻（ESR）等參數(shù)。足夠的容量可以平滑直流電壓，減少電壓紋波，從而提高SVG 輸出電能的質(zhì)量。耐壓能力則必須高于SVG 工作過程中的最大直流電壓，以確保電容不會被擊穿。而低的ESR則有助于減少電容在充放電過程中的發(fā)熱，提高電容的使用壽命。

在元件選型的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮這些元件的性能。例如，通過合理的布局和走線，可以減少寄生電感和電容的影響，提高電路的效率和穩(wěn)定性。同時(shí)，還需要考慮元件之間的熱耦合和電磁干擾等問題，以確保電源模塊能夠在各種環(huán)境下穩(wěn)定可靠的工作。

2.2 元件性能參數(shù)的分析與比較

元件性能參數(shù)的分析與比較涉及對IGBT 模塊、整流二極管、直流側(cè)電容等核心元件的詳細(xì)評估，以確保所選元件能夠滿足電源模塊的設(shè)計(jì)要求，并在各種工作條件下保持高效穩(wěn)定的性能。對于IGBT 模塊，主要關(guān)注其導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度、耐壓能力及熱穩(wěn)定性等性能參數(shù)。整流二極管的選擇同樣重要，其正向?qū)▔航?、反向恢?fù)時(shí)間、反向耐壓及反向漏電流等參數(shù)都需要仔細(xì)考量。直流側(cè)電容的性能對電源模塊的穩(wěn)定性和輸出電能質(zhì)量也有重要影響，需要關(guān)注其容量、耐壓能力、ESR 及使用壽命等參數(shù)。

在分析與比較這些元件性能參數(shù)時(shí)，不僅要考慮單個(gè)元件的性能，還要綜合考慮它們之間的匹配性和協(xié)同效應(yīng)。此外，還需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景和具體需求，權(quán)衡各項(xiàng)性能參數(shù)，以選擇最適合的元件組合。對元件性能參數(shù)進(jìn)行深入的分析與比較，是確保電源模塊性能優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)。通過這一過程，可以選擇出性能卓越、穩(wěn)定可靠的元件，從而構(gòu)建出高效穩(wěn)定的電源模塊，為SVG 功率單元的穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 電磁干擾的抑制與屏蔽優(yōu)化

3.1 IGBT通斷時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾分析

在SVG 功率單元中，IGBT 作為核心開關(guān)器件，在高速通斷過程中會產(chǎn)生顯著的電磁干擾（EMI）。這種干擾不僅影響SVG 自身的穩(wěn)定運(yùn)行，還可能對周圍電子設(shè)備造成不良影響。因此，對IGBT 通斷時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行深入分析至關(guān)重要。

IGBT 在通斷過程中，由于其快速的電壓和電流變化，會產(chǎn)生高頻的電磁輻射。這種輻射以電磁波的形式在空間傳播，可能耦合到附近的電路或設(shè)備中，導(dǎo)致性能下降或誤動(dòng)作。特別是當(dāng)IGBT 工作在高頻、大功率狀態(tài)下時(shí)，這種電磁干擾尤為嚴(yán)重。當(dāng)IGBT導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)，其集電極和發(fā)射極之間的電壓會發(fā)生突變，同時(shí)伴隨著大電流的快速切換。這些快速變化的電壓和電流會在空間中激發(fā)出強(qiáng)烈的電磁場，從而產(chǎn)生電磁干擾。IGBT 的開關(guān)速度越快，產(chǎn)生的電磁干擾通常越強(qiáng)烈。因?yàn)榭焖俚碾妷汉碗娏髯兓馕吨叩念l率成分，這些高頻成分更容易以電磁波的形式輻射出去。同時(shí)，IGBT 的封裝結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及PCB 布局（PCB 布局是指在印制電路板（PCB）上規(guī)劃并放置電子元器件的過程，以確保電路功能正常并優(yōu)化性能。這個(gè)過程涉及對電子元器件的位置、方向和連接方式等進(jìn)行細(xì)致的安排）等因素也會影響電磁干擾的強(qiáng)度和傳播方式。

3.2 抑制和減少電磁干擾的方法

抑制和減少電磁干擾是確保SVG 功率單元穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在應(yīng)對IGBT 通斷時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾時(shí)，需要采取以下方法來降低其影響。

（1）優(yōu)化PCB 布局。合理的PCB 布局能夠顯著減少電磁干擾的產(chǎn)生和傳播。通過將高頻電路和低頻電路分開布局，減少它們之間的電磁耦合；同時(shí)，盡量縮短高頻信號的走線長度并增加地線，以提供良好的回流路徑，從而有效降低電磁輻射。

（2）采用屏蔽技術(shù)。屏蔽體能夠有效地阻擋電磁波的傳播，減少對周圍電子設(shè)備的干擾。在SVG 功率單元中，可以對關(guān)鍵電路或組件進(jìn)行局部屏蔽，如使用金屬罩或金屬板將IGBT 等開關(guān)器件包圍起來，以減少其產(chǎn)生的電磁輻射對外部設(shè)備的影響。

（3）應(yīng)用濾波技術(shù)。通過在電源線和信號線上安裝合適的濾波器，可以有效濾除高頻噪聲和干擾信號，保證信號的純凈性和穩(wěn)定性。例如，在電源輸入端加入電源濾波器，能夠?yàn)V除來自電網(wǎng)的噪聲和干擾；在信號線上使用低通濾波器，則可消除高頻信號的干擾。

（4）從源頭上減少電磁干擾的產(chǎn)生。如選擇低電磁輻射的IGBT 器件、優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及降低開關(guān)速度等，都是有效的措施。這些改進(jìn)能夠減少IGBT 通斷時(shí)的電壓和電流變化率，從而降低電磁輻射的強(qiáng)度。

3.3 屏蔽優(yōu)化的具體措施

在SVG 功率單元中，屏蔽優(yōu)化是減少電磁干擾、提高設(shè)備穩(wěn)定性的關(guān)鍵措施。為了實(shí)現(xiàn)有效的屏蔽，需要采取以下優(yōu)化措施。

（1）關(guān)注屏蔽體的設(shè)計(jì)。屏蔽體的形狀、材料和厚度都會直接影響到屏蔽效果。在選擇屏蔽材料時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮具有高導(dǎo)電性能的材料，如銅箔、鋁箔或金屬網(wǎng)等，這些材料能有效地阻擋電磁波的傳播。同時(shí)，屏蔽體的厚度也需適中，既要保證良好的屏蔽效果，又要避免過重影響設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)和散熱性能。

（2）重視屏蔽體的接地方式。良好的接地可以確保屏蔽體與大地之間形成低阻抗的電氣連接，從而將電磁波引入大地，減少對外界的干擾。為了實(shí)現(xiàn)有效接地，需確保屏蔽體與接地線之間的連接緊密、可靠，避免接觸不良或松動(dòng)導(dǎo)致的接地失效。

（3）精心設(shè)計(jì)屏蔽體的安裝方式。在安裝過程中，應(yīng)盡量減少屏蔽體與其他金屬部件之間的縫隙，以防止電磁波通過這些縫隙泄漏出去。同時(shí)，還需考慮設(shè)備的通風(fēng)和散熱需求，確保屏蔽體在有效阻擋電磁波的同時(shí)，不會影響到設(shè)備的正常散熱。

（4）增加屏蔽體的數(shù)量或采用多層屏蔽結(jié)構(gòu)。多層屏蔽可以在不同層面上對電磁波進(jìn)行多次衰減，從而降低干擾的強(qiáng)度。但需注意，多層屏蔽可能會增加設(shè)備的復(fù)雜性和成本，因此在實(shí)際應(yīng)用中需權(quán)衡利弊。

4 結(jié)束語

文章所提的電源模塊優(yōu)化措施，不僅為SVG 功率單元的穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，還減少了對外界環(huán)境的電磁干擾，確保了電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，可進(jìn)一步對電源模塊進(jìn)行優(yōu)化，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行作出更大貢獻(xiàn)。

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