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矩陣式變換器的電磁干擾設(shè)計

發(fā)布時間:2013-03-27 責任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】矩陣式變換器是AC/AC直接變換,電網(wǎng)和負載會相互直接影響,電網(wǎng)的波動會直接對負載(如異步電機)產(chǎn)生干擾。這些干擾源通過傳導(dǎo)和輻射等方式對輸出和輸入電流、電壓產(chǎn)生影響,必須想辦法將其抑制或減少在可以接受的范圍之內(nèi)。

矩陣式變換器是一種強迫換相的交-交變換器,它由9個可控的雙向開關(guān),利用PWM控制將交流供電電源直接變換成負載所需的變壓變頻電源,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙向開關(guān)使用兩個IGBT共集電極反向串聯(lián),利用器件內(nèi)部的續(xù)流二極管以阻擋反向電壓,結(jié)構(gòu)緊湊,方便簡單,開關(guān)損耗也較低。輸入側(cè)的L-C濾波器可有效減少輸入電流的開關(guān)頻率諧波。 

矩陣式變換器的原理性結(jié)構(gòu)圖
圖1:矩陣式變換器的原理性結(jié)構(gòu)圖

EMI分析

矩陣式變換器是AC/AC直接變換,電網(wǎng)和負載會相互直接影響,電網(wǎng)的波動會直接對負載(如異步電機)產(chǎn)生干擾;用IGBT和反并聯(lián)二極管構(gòu)成的雙向開關(guān),以及它們的控制電路DSP和CPLD等高速集成電路,都存在著高的di/dt,它們通過線路或元器件的引線電感引起瞬態(tài)電磁噪聲,其頻率為幾千Hz,成為不可忽略的噪聲源;PWM調(diào)制技術(shù)在各種電力電子裝置中的廣泛應(yīng)用,在它們的主功率電路中,通常會流過一系列的PWM功率脈沖,其重復(fù)頻率視應(yīng)用場合可達幾千Hz,因而這些脈沖電流中所包含的諧波可以達到幾MHz乃至幾十MHz的范圍,而且它們產(chǎn)生的電磁噪聲強度很大;而周圍的設(shè)備和裝置也會輻射電磁波,它們也成為不可忽視的干擾源。這些干擾源通過傳導(dǎo)和輻射等方式對輸出和輸入電流、電壓產(chǎn)生影響,必須想辦法將其抑制或減少在可以接受的范圍之內(nèi)。

世界各國對電氣設(shè)備的電磁兼容性均制定了相應(yīng)的標準,特別是西歐,從1996年1月開始已強制嚴格執(zhí)行其標準,我國也有相應(yīng)的標準和法規(guī),因此,必須采用輸入濾波器減少矩陣式變換器產(chǎn)生的開關(guān)頻率諧波,本文重點介紹輸入濾波器的設(shè)計。

減少開關(guān)過程干擾

為了保證開關(guān)之間的安全切換,同一相輸出的任意兩組開關(guān)不能同時導(dǎo)通,否則將造成輸入兩相短路而產(chǎn)生電流峰值;三相開關(guān)也不能同時斷開,否則就造成感性負載開路而感應(yīng)高電壓。但實際所采用的半導(dǎo)體開關(guān)器件IGBT不可能達到理想的瞬時導(dǎo)通和關(guān)斷,在即將關(guān)斷的器件退出導(dǎo)通之前,即將導(dǎo)通的器件不能達到理想狀況的瞬時導(dǎo)通狀態(tài),換流時無法避免短暫的開通重疊或關(guān)斷死區(qū),因此,為了減少開關(guān)過程的干擾,安全的換流通常不能一步完成。
 
四步安全換流的思想是盡量減少短路和開路的危險開關(guān)狀態(tài)。從開關(guān)S1到開關(guān)S2換流過程如圖2所示。

同一相負載兩組開關(guān)的換流示意圖
圖2:同一相負載兩組開關(guān)的換流示意圖  

當iL>0時,四步開關(guān)順序是:關(guān)S1n,開S2p,關(guān)S1p,開S2n。
當iL<0時,四步開關(guān)順序是:關(guān)S1p,開S2n,關(guān)S1n,開S2p。
   
可見,四步換流成功地構(gòu)成了對兩個雙向開關(guān)的換向控制,既阻止了可能使電源發(fā)生短路的開關(guān)組合,又保證了在任意時刻給負載提供至少一條流通路徑,而且即將關(guān)斷的器件被即將開通的器件施以反壓時可以實現(xiàn)零電流開關(guān),因此,采用四步換流方案可以減少50%的平均開關(guān)損耗。
   
優(yōu)化開關(guān)順序是將開關(guān)順序設(shè)置為S1,S2,S3,S0,S3,S2,S1,即采用半對稱PWM開關(guān)順序,采用優(yōu)化后的開關(guān)順序可以減少33%的平均開關(guān)損耗。
   
加上濾波器后輸入電流的頻譜如圖3所示,可見輸入電流中基波含量占了絕對部分,開關(guān)頻率及諧波含量已經(jīng)明顯減少,而且由圖4可知輸入電流和電壓基本正弦且同相,因此,濾波器很好地實現(xiàn)了設(shè)計要求。 

加濾波后輸入電流頻譜
圖3:加濾波后輸入電流頻譜

輸入電壓電流波形對照圖
圖4:輸入電壓電流波形對照圖

電力電子設(shè)備的EMI污染越來越受到各方的關(guān)注,各國也相繼出臺了有關(guān)EMC的法規(guī)。矩陣式變換器(MC)作為一種極具優(yōu)勢的電能利用技術(shù),也必須具有良好的EMC性能。電網(wǎng)的波動會對矩陣式變換器(MC)的工作產(chǎn)生影響,MC也會對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,因此,必須采取措施減少開關(guān)過程干擾,并增加輸入濾波器。本文詳細地介紹了MC輸入濾波器的設(shè)計過程,仿真和實驗結(jié)果論證了這種設(shè)計的可靠性和實用性。

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