PWM逆变器共模传导电磁干扰的预测

以上分析可得，ＰｗＭ逆变器的共模电流可以采用
如图６所示的等效电路来分析。图中两个电压源
Ⅵ∽％∞分别用开关管Ｔ。两端电压、Ｔ４两端电压
的反向值代替。
当负载电流流向与所指定的正方向相反时，
与负载电流方向为正时分析类似，ＰｗＭ逆变器产
生的共模电流等效电路中，两个电压源应该分别用
开关管Ｔ，两端电压的反向值、Ｌ管两端电压代替，
到差模噪声电压、共模噪声电压时，还需要～个噪 声分离器。本文中为了测试方便，采用电流探头直
ＰｗＭ逆变器的ＥＭＩ实验测试框图如图２所
接测试两根直流进线的电流之和，如图２所示，由
示。按照电磁兼容测试的要求，采用一个ｌｍ×２ｍ
于差模电流大小相等，方向相反，在测量中差模电
的大铝板作为参考地，阻抗稳定网络（ｕｓＮ）放
等效电路与也可以用ｂｕｃｋ变换器来等效，不过这
时电压源应该用开关管Ｔ４两端电压的反向值代
替。ＰｗＭ逆变器产生的共模电流是两个桥臂产生
电流的和。由于每个桥臂都只是由ＩＧＢＴ组成的，
因此其物理特性是一样的，也就是说，每个桥臂中
点对地的寄生电容Ｃ的大小是一样的。共模电流
等效电路中其它无源器件与ｂｕｃｋ电路的一样。由
流的影响相互抵消，因此两根直流进线的电流之和
置在铝板上，ＰｗＭ逆变器的散热器通过导线连接
可以看作是共模噪声电流ｔ。，它与共模噪声电压
到参考地。测试所用的ＬＩｓＮ的简化电路图如图３
的关系式为ｙ。＝２５‘。。
所示，ＬＩｓＮ有如卜几个作用：①在１０ｋＨｚ～３０ＭＨｚ
频率范围内为相线与地线之间和中性线与地线之问
４ ＰＷＭ逆变器共模传导ＥＭＩ的分析
田２ ＥＭＩ测试系统框图
Ｆｉｇ＿２ 陋ｔ ｓｙｓｔ哪∞ｎｎ肿ｔｉｏｎ ｏｆＥＭＩ
４．１等效电路模型 图４所示的ｂｕｃｋ电路，其共模电流可以用图
５所示的等效电路求得Ⅲ。图中电压源Ｋ，。用开关 管Ｔ两端电压代替，直流电源被认为是短路；Ｉ。 为散热器与参考地的连接线的等效电感；￡。为从 ｕｓＮ到直流电容的等效电感；ｅ为开关管发射极 对参考地的等效寄生电容；ｅ为直流母线正负极
万方数据
中国电机工程学报
一 第一
‰：４≤Ｌｓｉｎ竺警。ｉ。塑！≤塑ｅｍ（２）
（ｄｌｒ＋ｄ２丁＋２ｆ）＝ｒ
ｎ。冗Ｚ。致ｈ
ｚ
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２
由于面和如始终是变化的
因此
Ｔｈｅ娥ｐＩｏｔ 围７口（印的波特图
Ｆ酶７
ｏｆ日（ｓ）
现在只要对Ｋ。）＋¨。进行频谱分析就可以获得 ＰｗＭ逆变器的共模电流频谱。考虑到实际的驱动脉 冲及开关总会有一定的上升和下降时间，开关管两 端电压波形应近似看作是梯形波，如图８所示。经 过傅立叶分析后得到的频谱包络如图９所示，它含 有丰富的谐波分量。设Ｕ∽％目的占空比分别为吐、 磊，上升时间ｆ，、下降时间“均等于蟊直流母线电压 幅值为Ｋ，开关周期为ｎ将该梯形波展开成指数 形式的傅里叶级数，ｎ次谐波的复振幅为
产生的高频电压脉冲信号具有很大的ｄ州ｆ、ｄ抛ｒ，
形成很强的电磁干扰（ＥＭＩ），其频率可从几ＫＨｚ 直到数十ＭＨｚ，严重地超出ＥＭｃ标准的极限值 要求。逆变器产生的电磁干扰不但影响负载的正常 工作、缩短其使用寿命，而且对逆变器本身也带来 很大的危害。
现有文献对电力电子设备的传导ＥＭＩ研究较 多集中在开关电源ｎ，。、三相ＰｗＭ变频器ｐ”，而 对单相ＰｗＭ逆变器嘲的ＥＭＩ研究较少，对单相 ＰｗＭ逆变器的共模ＥＭＩ研究得更少。文［１］、【２】 建立了ｂｕｃｋ电路的共模和差模的等效电路模型， 采用频域分析的方法预测了干扰频谱。文［８】抽取 主电路的高频寄生元件，采用时域分析的方法得到 干扰电压，利用ＦＦＴ变换得到传导干扰频谱，不 过ＦＦＴ变换需要花费较多的计算机内存和时间。
电流的ｓ域表达式为
，。（ｓ）＝【Ｈｆｓ）＋Ｋ（ｓ）】‘Ｈ（ｓ）
（１）
式中Ｈ（印是共模电流ｋ（曲对电压源Ｈ（”Ｋ㈣的 传递函数，州∞中器件的参数可采用测量或计算得 到。若有了无源器件的参数，可以用ｓａｂｅｒ中交流
小信号分析的功能获得川印的Ｂｏｄｅ图，如图７所
ຫໍສະໝຸດ Baidu
示（参数见实验分析）。
一攀
Ｏ
１０２
１矿
ｌ ０．，Ⅻｚ
关键词：电力电子；ＰｗＭ逆变器；共模传导电磁干扰；等 效电路；频域分析
１ 引言
随着电力电子技术的发展，采用正弦脉冲宽 度调制（ｓＰｗＭ）方式的逆变器得到了广泛的应用，
如变频器，不间断电源（ｕＰｓ）等。采用高速半导 体开关器件，如ＩＧＢＴ、ＭｏｓＨ玎等，可以大大加 快逆变器的动态响应过程，然而，这些半导体开关
ｄｕｅ ＩｏⅡｌｅ ｆ鹊ｔ ｓｗｉｔｃｈｉＩｌｇ ｏｆ ｌＧＢＴ ｃｏｕｌｄ Ｍｎｇ ｓｅｎＯｕｓ ＥＭｌ
ｃｏ删∞ｍ叫ｅ ｉｓｓｕｅｓ．Ｂ鼬ｅｄ ｏｎ山ｅ ｓｔＩｌｄｙ ｏｆ ｍｅｃｈ粕ｉｓｍｓ ０ｎ
ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｅｌｅｃ仃Ｄｍａｇ眦血ｉｎｔｅｒｆｅ托ｎｃｅ（ＣＭ ＥＭＩ）ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ
ｏｂｔａｍⅡｌｅ ｎｏｉｓｅ ｓｐｅｃ仃ａ ｉｎ １０ＫＨｚ．３０ＭＨｚ
ｆｋｑｕｅｎｃｉｅｓ Ｔｂｅ ｓｉｍｕｌａＩｅｄ ＣＭ ＥＭＩ ｓｐｅｃ们眦ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉ血
ｔｈｅ ａｃｔＩｌａｌ ｅｌｐｅｄｍｅｎ虹ｔ０ ｖ耐ｆｙ ｔ１１ｅ ｖａｌｉｄｉ哆ｏｆ １１ｌｏ ｐｒｏｐｏｓｅｄ
ｍｏｄｅｌ
ＫＥＹ ＷｏＲＤｓ．Ｐｏｗｅｒ ｅｌｃｃ们Ｉｌｉｃｓ；ＰＷＭ ｉｎｖｅｎｅｒ；ＣＭ Ｅ￣Ⅱ： Ｅｑｕｉｖａｌｃｎｔ ｃｋｕｉｔ：Ｆｒｅｑｕ蚰ｃｙ ｄｏｍａｉｎ如ａｌｙｓｉｓ
本文对单相ＰｗＭ逆变器共模传导ＥＭＩ的产 生源和传播途径进行了分析，通过分析得出它与 ｂｕｃｋ电路具有相似之处，在ｂｕｃｋ电路的基础上， 提出了用等效电路模型来研究ＰｗＭ逆变器共模 ＥＭＩ的方法，通过频域分析预测出共模干扰的频 谱，预测的和实测的频谱结果验证了用等效电路模 型分析ＰｗＭ逆变器共模ＥＭｌ的有效性。
依旧导通，由于负载是感性的，负载电流不能突变，
负载电流就会流过Ｔ４和Ｄ：的路径，从而Ａ点对参
考地的电位由Ｋ／２转换到一％／２。ＰｗＭ逆变器一 个桥臂的上卜－管驱动信号是互补的，中间有一个死
区时间，等过了死区时间，控制系统就会给Ｔ，发
出导通的信号，由于此时负载电流的方向没有发生
变化，负载电流还是流过Ｔ４和Ｄ：，开关管Ｔ２实际
ＣＭ ＥＭＩ．卟ｏ
Ｏｆ ｐ觞ｓｉｖｅ ｅｌｅｎｌｅｎｔ ａｒｅ ｍ朗ｓｕｒｃｄ ｂｙ
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其余的无源元件不变。
开关管Ｔ：两端电压与Ｔｌ两端电压是反向的，
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图６ ＰｗＭ逆变器共模电路等效电路围 ＴｌＩｅｅｑｕｉｖａｌ印ｔｄｒｃｕｉｔ ０ｆ∞ｍｍｏｎｍｏｄｅ ｃｕｒｍｍ
ｆｏｒ ＰＷＭ ｉｎｖｅｒｔ口
４．２电压源及传输网络的频域分析 对图６所示的电路进行Ｌａｐｌａｃｅ变换，得共模
提供５０Ｑ的恒定阻抗，为待测设备的传导干扰提
供通道；②阻止来自电源的传导干扰影响待测设
备。传导ＥＭＩ测试就通过测量ＬｌｓＮ上５０Ｑ两端
的噪声电压获得，假设两个５０ Ｑ上的电压分别为
Ｋ、Ｋ，把Ｋ或Ｋ送入频谱分析仪进行频谱分析，
就得到噪声频谱。差模噪声电压为％。＝（匕一Ｋ），２，
共模噪声电压等于Ｕ。＝（Ｋ＋Ｋ），２，当需要分别得
曩— — ｝ 悼｛ｊ
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ｍａ舢ｏｆＰＷＭ缸ｖｅｎｅｒ 图１ ＰＷＭ逆变器电路图
ｎｇ．１ Ｃｉ硼ｍ
３共模传导ＥＭｌ的源及传播途径
在ＰｗＭ逆变器中，开关电路中电压的突变非 常迅速，已经可达１５ｋｖｍｓ，通过各种分部电容的 耦合在逆变电源的输入和输出端形成共模噪声，如 图ｌ中两桥臂中点Ａ、曰点对参考地的ｄｖ／ｄｆ是很 高的。为了结构可靠，散热器通常与机壳用螺钉连 接在一起，而为保证开关管不过热失效，开关管的 集电极、发射极与金属外壳之间只有一个很薄的绝 缘层，开关管的金属外壳与散热器紧紧地贴在一 起，且需要涂上导热硅脂，这就在开关管的集电极、 发射极与参考地之问形成了一个很大的寄生电容。 假设两个桥臂中点与散热器的寄生电容值都为 Ｃ，当ＩＧＢＴ开关动作，引起逆变器桥臂中点对参 考地的电位发生变化时，形成了很大的ｄｗｍ，该 变化的电位不断对寄生电容ｅ进行充放电，引起 共模电流ｂ。由于共模电流流过的环路面积很大， 所以它也起到类似天线的作用，增大了辐射ＥＭＩ。
２系统构建与传导ＥＭＩ测试
ＰｗＭ逆变器的电路结构如图１所示。直流输 入电压１８０Ｖ，交流输出电压１００Ｖ，直流电容采用
两个４７００妒的电解电容并联，并联连接线用汇流
万方数据
皇ｌ＿———一．
！里皇垫三堡堂塑
苎兰堂
排。开关Ｔ－一Ｔ４采用富士的ＩＰＭ模块，ＰｗＭ控制 采用单极倍频控制方式，开关频率１０ｋＨｚ。
ｗｉ血ａ ｓｉ“ｇｋ ｐｈａｓｅ ＰＷＭ ｉｎｖｅｎｅＬ ｍｅ Ｏｄｇｉｎ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａⅡ０ｎ ｐａｍ ０ｆｃＭ ＥＭＩ∞ｉ舱ａｒｅ ｈｉｇＩＩｌｉｇｈ湖．ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｍ ｂｕｃｋ
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图３ ｕｓＮ简化电路图
ＦＩｇ．３ Ｓｉ呻ｌｅｄｗｌｌｉｔ ｏｆＬ塔Ｎ
万方数据
围４ ｂｕｃｋ变换器电路图
ｎｇ．４ ＣｉＲ．１ｉｔ ０ｆｂｕｃｋ咖ｖｅｎｅｒ
第８期
裴雪军等： ＰｗＭ逆变器共模传导电磁干扰的预测
８５
开关管Ｔ，两端电压与Ｔ４两端电压是反向的，因为 电磁兼容考察其频谱时，都是以绝对值形式表示 的，因此ＰｗＭ逆变器共模电流的等效电路中电压 源¨∽Ｋ㈣分别用开关管Ｔ，、Ｔ，的端电压代替。
文章编号：０２５８＿８０１３（２００４）０８—００８３·０６ 中围分类号：ＴＭ７１４ 文献标识码：Ａ 学科分类号：４７０．４０
ＰＷＭ逆变器共模传导电磁干扰的预测
裴雪军，康勇，熊健，陈坚
（华中科技大学电气学院，湖北武汉４３００７４）
ＰＲＥＤＩＣＴＩｏＮ ｏＦ ＣｏＭＭｏＮ ＭｏＤＥ ＣｏＮＤＵＣＴＥＤ ＥＭＩ ＩＮ ＰＷＭ ＩＮＶＥＲＴＥＲ
ＰＥＩ ｘｕｅｊｕｎ，ＫＡＮＧ Ｙｂｎｇ，ｘＩＯＮＧ Ｊｉ锄，ｃＨＥＮ ＪｉａＩｌ （Ｅｌｅｃｍｃａｌ ａＩｌｄ ＥｌｅｃⅡ锄ｉｃｓ ｅｎｇｉｎｅ鲥ｎｇ ｄｅｐａｍｌｌｅｎｔ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓ时ｏｆ
Ｓｃｉｅｎｃｅ柚ｄ№ｌｌＩｌｏｌｏｇｙ’Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｌｌｉｎａ）
ＡＢｓＴＲＡｃ卫ＩＩｌ ＰｗＭ ｉｎｖｅｎｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，１１１ｅ ｈ讪ｄ删ｆ卸ｄ ｄｆ，ｄ’
２５ｍ｛Ｉ¨，２
Ｆｉｇ．５
图５ ｂｕｃｋ变换器共模电流等效电路图
Ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａＩｅｎｔ ｄ删ｉｔ ｏｆｃｏｍｍ蚰ｍｏｄｅ ｃｕｒ刑毗
ｆｂｒ ｂｕｃｋ∞ｎｖｅｒｔｅｒ
对于单相ＰｗＭ逆变器，假设初始状态：负载
是感性的，负载电流流向图ｌ所指定的正方向，Ｔ．
和Ｔ４导通。某一时刻控制系统给Ｔ，关断信号，Ｔ４
摘要：在ＰｗＭ逆变器系统中．ＩＧＢＴ的高速开关动作会产
生很高的ｄ州ｒ、ｄｆ／ｄ“导致严重的电磁干扰。对ＰｗＭ逆
变器共模传导电磁干扰的机理进行研究，得出了共模传导 干扰源和传播途径。通过与ｂｕｃｋ变换器进行对比．提出了 一种用于研究ＰｗＭ逆变器共模传导干扰的等效电路，利 用实验测得等效电路中无源器件的参数及对等效电路的电 压源进行傅立叶变换，在ｌＯＫＨｚ．３０ＭＨｚ频段进行了频域 分析．计算的共模传导干扰频谱与实验结果进行对比基本 一致，证明文中提出的共模传导干扰等效电路模型及其分 析的正确性。
上没有导通。等到Ｔ，又开通时，回到了初始状态。
这个过程与ｂｕｃｋ变换器是一样的，Ｔ．、Ｄ２的工作
原理与ｂｕｃｋ变换器的开关管Ｔ、续流二极管Ｄ一
样，因此，对于图ｌ所示的ＰｗＭ逆变器，它的左
边桥臂产生的共模电流分析，可以用ｂｕｃｋ变换器
来等效。电压源Ｕ。用开关管Ｔｌ两端电压代替。
逆变器右桥臂产生的共模电流与左桥臂类似，它的