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———２００６年９月２５日第２３鲞第三塑 ———————————————————————＿—————————————————＿——————匝镌电．潦 】Ｉ： ！！！竺 ！ ： ！ 竺１２墨 嬖 —————————————————————————————————一 一 曼！旦： 翌 旦上 文章编号：１００９—３６６４（２０（）６）（）５＿（）（）１７一（）２ 蛳 基于补偿原理的逆变器ＥＭＩ抑制方法研究 刘静 （华中科技大学，湖北武汉４３０｛）７４） 摘要：由于逆变器电源对输出接地电容的，对严重的共模电磁干扰难以用大容量的共模滤波器抑制共模噪声。 文章介绍了一种新型的基于噪声电流补偿原理的电力电子装置无源干扰抑制技术，探讨了不同方案实现对共模噪声电流 的补偿，并在一台ＤＣ／ＡＣ逆变器中进行了补偿测试。实验结果证实了该ＥＭＩ抑制方法的有效性。 关键词：ＥＭＩ；共模；补偿 中图分类号：ＴＮ０３ 文献标识码：Ａ Ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＥＭＩ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｎ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ＬＩＵ Ｊｉｎｇ （Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｔＯ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｂｙ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｓｅｖｅｒｅ ｃｏｍｍｏｎ—ｍｏｄｅ ｎｏｉｓｅ ｂｙ ｌａｒｇｅ ＣＭ ｆｉｌｔｅｒ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ—ｍｏｄｅ ＥＭＩ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｖｅｒｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｃｏｍｍｏｎ—ｍｏｄｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｎｏｉｓｅ，ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ＣＭ ｎｏｉｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗａｙｓ．Ｂｅ ｔｅｓｔｅｄ ｉｎ ＤＣ／ＡＣ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｐｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＥＭＩ；ｃｏｍｍｏｎ—ｍｏｄｅ（ＣＭ）；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ０ 引 言 随着电力电子器件的广泛应用，功率变换器的开 电路的寄生电容形成的共模噪声电流情况（如图 １ Ｅ ）。由于共模噪声电流与正常工作电流相比较小， 这个补偿电路的加入不会影响电路的正常工作。 关频率越来越高，结构越来越紧凑，使得电磁干扰（Ｅ— ｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ＥＭＩ）问题越来越严重。 功率变换器的ＥＭＩ问题主要体现在共模传导干 扰部分。抑制共模干扰的通常方法是在输入线上串接 磁扼流圈，但是这样就破坏了变换器的整体外形结构。 本文采取了一种用一个补偿变压器绕组和一个补偿电 容来消除共模电磁干扰的新方法，同其它的消除方法 相比，它结构更为简单且为无源结构，仅需要增加一个 小的铜绕组和一个小电容。由于逆变器电源对输出接 地电容的，对严重的共模电磁干扰难以用大容量 的共模滤波器抑制，因而这种方法可视为一种较为理 想的共模噪声抑制方式。应用这种方法后ＥＭＩ滤波 器的体积将大大减小，它还特别适用于大电流的场合。 Ｃｃ０ｍｏ ／ 图１ 共模噪声消除方法Ｅ 以往的补偿方法ｌ１ ］采用与主功率变压器线圈匝 数完全相同的附线圈作为补偿绕组，以便实现与主线 圈的完全耦合，重现噪声。因此，在高频情况下，线圈 的漏感和匝问电容导致补偿效果减弱，匝数越多，高频 时补偿效果越差ｌ３］。本文重点研究通过减少补偿绕组 匝数实现低、高频都能较好地补偿噪声的方法。 １ 补偿原理 电力电子装置中，共模噪声电流的主要干扰源为 开关管高频通断所产生的电流ＣｄＵ／出。无源补偿方 法抑制共模噪声是基于这样的原理：产生一个反相的 平衡电流来抵消噪声电流的作用。设计应用中，可以 用磁性元件的耦合得到一个与噪声电压反相１８０。的 电压，再通过补偿电容构成电流，来重现ｄＵ／ｄ￡通过 ２补偿方法的实现及结果 由于影响逆变器共模噪声的路径比较多，本文探 讨了在不同路径上应用无源共模噪声补偿方法以比较 抑制噪声的效果，并以一台５ ｋｗ、２２０ Ｖ的ＤＣ／ＡＣ逆 变器（输入１７５ Ｖ￣３２０ Ｖ直流，输出５（）Ｈｚ、２２０ Ｖ正 弦交流）作为实验平台。通过参数提取和电路分析，多 点测得装置中开关管集电极对实验地（机壳）的寄生电 容Ｃ ≈８（）ｐＦ。 ２．１ 补偿绕组与变压器原方绕组耦合 原理图如图２。利用原有电路中的电源变压器磁 ・ 收稿日期：２｛｝０６—０４—２９ 作者简介：刘静（１９８４一），女，湖北荆门人，华中科技大学电气 学院电力电子与电力传动系研究生，研究方向为电力电子与电 力传动和自动控制技术。 １７・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
生！ 旦笙垄鲞笙 塑 违缱电潦枝】Ｉ： ！！ ！！ Ｔｅｃｈｎｏ［ｏｇｉｅｓ Ｓ ｐ．２５，２００６，Ｖｏ１．２３ Ｎ。．５ 芯，在原绕组结构上再增加一个附加绕组Ｎ 。通过补 偿电容Ｃ 唧产生与噪声电流反相的补偿电流。附加 电路中的补偿电容Ｃ 主要是用来产生与由寄生电 容Ｃ 引起的寄生噪声电流反相的补偿电流，因此 Ｃ 唧的大小由Ｃ 和绕组匝比Ｎ ：Ｎ 决定。 值应满足： ， 。 ＝， 一＝Ｃ—ｄＵ／ｄｔ 的取 （１） 补偿电容的大小直接关系到补偿电流的幅值。实 验取补偿电压幅值为１／１０的变压器原方电压，选取不 同电容值多次试验，得到补偿电容ｃ一＝８００ ｐＦ时， 图５方法一补偿前后共模噪声对比图（ ＝８００ ｐＦ） 能够达到最好的噪声抑制效果。补偿前后测得共模噪 声电流分别如图３和图４。用Ｍａｔｌａｂ实现ＦＦＴ分 析，得到补偿前后的共模噪声频谱如图５。图５显示 了从１ ｋＨｚ￣３０ ＭＨｚ间的共模噪声对比，从图中可以 看出，噪声抑制效果很明显，特别是在６０（）ｋＨｚ以下 原共模噪声的下降都达到了９ ｄＢ Ｖ。 １ ７５Ｖ￣３２０ ２２０Ｖ ＤＣ ５０Ｈｚ ＡＣ 图２加入了补偿电路的ＤＣ／ＡＣ变换器 （补偿绕组与变压器一次侧耦合） ： ｌ ： ０． ．』Ｉ — ． ＿ｉ＿＿ ． ｄ Ｉ＿． …ｒ ｒ！： ＿ｆＩ ’Ｉ ： ： ： ： ２００１ＴＩＶ １ＯＯ ｕ：Ｓ 图３补偿前的共模电流波形 一； 工ｊ１ 量Ｉ ｌＬ ＩＬ ｌｔ 。 ．１ １１： ’ Ｉ … Ｉ２００ｍＹ １００ ｕ ｓ 图４方法一补偿后的共模电流波形（Ｃｃ ＝８００ ｐＦ） ２．２补偿绕组与输出滤波电感相耦合 原理图如图６。自制线圈从电感Ｌ．上取得的补 偿电压约为【，¨／３，选取不同电容值进行多次试验得 到Ｃ。 ＝２７０ ｐＦ时补偿效果最好，此时的噪声电流波 形及其ＦＦＴ噪声频谱分析见图７、８。 图６加入了补偿电路的ＤＣ／ＡＣ变换器 （补偿绕组与输出滤波耦合） １．１ 。。｝ ． ｌ。 ・Ｊ—Ｉ．１ ・ Ｌ … ｒ Ｆ ｌ１ … ’１ １ １ ｒ １２００：ｍＶ １００：ｕ Ｓ 图７ 方法二补偿后的共模电流波形（Ｃｃ ＝２７０ ｐＦ） 图８方法二补偿前后的共模噪声对比图（Ｃｃ．岬＝２７０ ｐＦ） 两种补偿方法对比可知，后一方法共模噪声抑制 的更好。在整个…ｋＨｚ￣３（）ＭＨｚ间的噪声抑制都达 （下转第２５页） 维普资讯 http://www.cqvip.com
匝垡 潦 术 年月 ２００６ ９ ２５ ｒ口ｌ ／＊ｇ￣２３卷第５期 ＿… 陈亮：不对称半桥的一种改进电路 一 一 。。 。…。’ 。一‘… Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｓｅｐ．２５。２０【】６，Ｖｏ１．２３ Ｎｏ．５ 个状态，用近似公式得出谐振过程的参数，给出一种简 单有效的消除方法并用实验来验证。这种方法在减小 器件应力、提高电路稳定性方面有很好的效果。 … ‘川聿．．Ｉ … ｌ ：： … … …ｒ 。‘・１ ＿ ＿． ｔ／ｕ ｓ 图９改进前变压器原边电压波形 注：纵坐标每格ＩＯ０ Ｖ，横坐标每格４“ｓ ｔ／ｕ ｓ 图１１ 改进后变压器原边电压波形 注：纵坐标每格１００Ｖ，横坐标每格４ ｓ 参考文献： ［１］Ｓａｂｌｅ Ｄ Ｍ，Ｌｅｅ Ｆ Ｃ Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｆｕｌｌ～ｂｒｉｄｇｅ，ｚｅｒｏ－ ｖｏｌｔａｇｅ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ ＰｗＭ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［ｃ］．ｉｎ Ｐｒｏｃ，ＶＰＥｃ， Ｕ Ｓ ２（）００。９２－９７． 图１０改进后整流管的电压波形 注：纵坐标每格２（）Ｖ，横坐标每格４“ｓ １－２］ Ｒｕａｎ Ｘ，Ｙａｎ Ｙ．Ｓｏｆｔ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ＰＷＭ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［ｃ］．ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ ＰＥｓＣ’２０００，２０００， ６３４—６３９． ５结 论 本文阐述了原边加辅助电感的原因并详细分析了 ｒ３］ Ｈｕａ Ｇ Ｃ，Ｌｅｅ Ｆ Ｃ，Ｊｏｖａｎｏｖｉｃ Ｍ Ｍ．Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｚｅｒｏ－ ｖｏｌｔａｇｅ—ｓｗｉｔｃｈｅｄ ＰＷＭ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｓａｔｕｒａｂｌｅ ｉｎｄｕｃ— 由此产生的谐振，通过简化电路模型分析了谐振的各 ｔｏｒｌ Ｃ １．ｉｎ Ｐｒｏｃ，ＩＥＥＥ ＰＥＳＣ’１９９１，１９９１，１８９—１９４． （上接第１８页） 到了１０ ｄＢＦＶ。 （２）或者表述为Ｃ一＝Ｃ ｄＵ ／ｄＵ。唧，Ｃ一偏离理想 值越远，补偿效果越差。由于不同的装置结构方面的 因素导致共模干扰主要路径不完全一样，具体采用哪 种补偿方法具有更好的抑制效果，应视具体装置的测 试结果来确定。 ３实验结果分析 采取第一种补偿方式时，所取补偿电压为１／１０的 变压器原方电压，实验测得最理想的补偿电容Ｃ 。＝ ８００ ｐＦ；采用第二种方式时所取补偿电压约为１／３的 变压器原方电压，实验测得理想的补偿电容Ｃ ＝ ２７０ ｐＦ，它们近似满足下列关系： ｄＵ１／ｄ 一。＝Ｃ。一／Ｃｐ （２） 变压器漏感及补偿绕组分布参数的存在是影响补 偿效果的主要因素，密绕原方绕组与补偿绕组和减少 补偿绕组匝数是解决上述问题的简单而有效措施。 参考文献： ［１］Ｄａｎｉｅｌ Ｃｏｃｈｒａｎｅ．Ｐａｓｓｉｖｅ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｍｏｎ—Ｍｏｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎ— 式中，Ｕ 为变压器原边电压。 结合前面的公式（１），再次说明为使得噪声抑制效 果最好，选取合适的补偿电容非常重要，在采取减小补 偿绕组匝数实现低、高频都能较好地补偿噪声的方法 时，补偿电容的理想取值是与补偿电压成反比的，即满 足关系式（２）。 ｖｅｒｔｅｒｓ［Ｄ］．Ｖｉｒｇｉｎｉａ：Ｖｉｒｇｉｎｉａ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ａｎｄ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００１． ｃｈ Ｄ．Ｐａｓｓｉｖｅ Ｃａｎｃｅｌｌａ— ［２］ Ｃｏｃｈｒａｎｅ Ｄ，Ｃｈｅｎ Ｄ Ｙ，Ｂｏｒｏｙｅｖｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｏｎ－Ｍｏｄｅ Ｎｏｉｓｅ ｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｌＣ １．ＰＥＳＣ ２００１，ＩＥＥＥ ３２ｎｄ Ａｎｎｕａｌ，Ｃｈａｒｌｅｓｔｏｎ，２（）０１ （２）：１０２５—１０２９． ４ 结 论 采取该两种无源补偿方法都可以有效地抑制逆变 ［３］ 谢毅聪，熊蕊．基于补偿原理的无源共模干扰抑制技术 在开关电源中的应用［ｃ］．成都：第１４届全国电磁兼容学 术会议论文集，２００４，１２９—１３４． 器中的共模噪声，且其补偿电容的理想取值符合公式 ・２５・
