矩陣式變換器設計中的干擾抑制技術(shù)

2emi分析

矩陣式變換器是ac/ac直接變換，電網(wǎng)和負載會(huì )相互直接影響，電網(wǎng)的波動(dòng)會(huì )直接對負載（如異步電機）產(chǎn)生干擾；用igbt和反并聯(lián)二極管構成的雙向開(kāi)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(zhù)高的di/dt，它們通過(guò)線(xiàn)路或元器件的引線(xiàn)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調制技術(shù)在各種電力電子裝置中的廣泛應用，在它們的主功率電路中，通常會(huì )流過(guò)一系列的pwm功率脈沖，其重復頻率視應用場(chǎng)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?chē)脑O備和裝置也會(huì )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(guò)傳導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。

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

3減少開(kāi)關(guān)過(guò)程干擾

為了保證開(kāi)關(guān)之間的安全切換，同一相輸出的任意兩組開(kāi)關(guān)不能同時(shí)導通，否則將造成輸入兩相短路而產(chǎn)生電流峰值；三相開(kāi)關(guān)也不能同時(shí)斷開(kāi)，否則就造成感性負載開(kāi)路而感應高電壓。但實(shí)際所采用的半導體開(kāi)關(guān)器件igbt不可能達到理想的瞬時(shí)導通和關(guān)斷，在即將關(guān)斷的器件退出導通之前，即將導通的器件不能達到理想狀況的瞬時(shí)導通狀態(tài)，換流時(shí)無(wú)法避免短暫的開(kāi)通重疊或關(guān)斷死區，因此，為了減少開(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)路的危險開(kāi)關(guān)狀態(tài)。從開(kāi)關(guān)s1到開(kāi)關(guān)s2換流過(guò)程如圖2所示。 　　

當il>0時(shí)，四步開(kāi)關(guān)順序是：關(guān)s1n，開(kāi)s2p，關(guān)s1p，開(kāi)s2n。
　　
當il<0時(shí)，四步開(kāi)關(guān)順序是：關(guān)s1p，開(kāi)s2n，關(guān)s1n，開(kāi)s2p。
　　
可見(jiàn)，四步換流成功地構成了對兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的換向控制，既阻止了可能使電源發(fā)生短路的開(kāi)關(guān)組合，又保證了在任意時(shí)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(kāi)通的器件施以反壓時(shí)可以實(shí)現零電流開(kāi)關(guān)，因此，采用四步換流方案可以減少50％的平均開(kāi)關(guān)損耗。
　　
優(yōu)化開(kāi)關(guān)順序是將開(kāi)關(guān)順序設置為s1，s2，s3，s0，s3，s2，s1，即采用半對稱(chēng)pwm開(kāi)關(guān)順序，采用優(yōu)化后的開(kāi)關(guān)順序可以減少33％的平均開(kāi)關(guān)損耗。

4輸入濾波器設計

4.1開(kāi)關(guān)頻率諧波
　　
利用仿真和實(shí)驗的方法可以得到三相輸入電流的頻譜，可以比較仿真和實(shí)驗波形中開(kāi)關(guān)頻率及其諧波的峰值及其位置，并以此作為濾波器設計的依據。
　　
利用matlab仿真的輸出頻率為30hz的輸入電流頻譜如圖3所示。圖4是實(shí)際的開(kāi)關(guān)頻率為20khz，功率為3.5kw的矩陣式變換器的未濾波的輸入電流頻譜?？梢?jiàn)，在仿真和實(shí)驗波形之間有很多相關(guān)性，它們在開(kāi)關(guān)頻率附近諧波成分很大。

在矩陣式變換器驅動(dòng)感應電機的系統中，電機啟動(dòng)過(guò)程的電磁轉矩波形如圖5所示。由圖5可知，感應電機啟動(dòng)時(shí)轉矩最大，由此產(chǎn)生的干擾電壓也最大。知道了干擾電壓的頻譜，可以開(kāi)始設計滿(mǎn)足要求的輸入濾波器了。

4.2設計方法
　　
可以采用多相lc濾波電路或帶諧波選擇的單相lc濾波器，但顯然增加了系統的復雜性。本實(shí)驗采用單相的lc濾波電路來(lái)滿(mǎn)足設計要求。
　　
輸入濾波器的設計必須滿(mǎn)足截止頻率低于開(kāi)關(guān)頻率，體積和重量應盡可能小，在濾波電感上的壓降應盡可能小，功率因數應盡可能大。為了減少對電網(wǎng)的干擾，矩陣式變換器要盡可能保證接近1的功率因數，因此，矩陣式變換器必須盡可能補償由引入輸入濾波器的延遲，因為電容是造成延遲的主要因素，所以輸入電流比輸入電壓有一個(gè)延遲角。為了確?？臻g矢量調制策略的正確執行，我們設定π/6為最大的可以接受的延遲角。
　　
輸入濾波器設計根據圖6所示，矩陣式變換器看成是一個(gè)電流源，為了得到功率因數為1，必須盡可能確保輸入電流il和輸入電壓ui同相。

由圖6可得

矩陣式變換器的延遲角（電流落后）限制為π/6，則 　　

濾波器電感引起的電壓延遲可以忽略[5]，濾波器的截止頻率比電網(wǎng)頻率高一個(gè)數量級[6]，濾波器電容的最大值取決于輸入電流的峰值[7]或理想的輸出功率[8][9]。這些值在矩陣式變換器低輸入電流工作時(shí)尤為重要?？紤]到式（5）與式（6） 　　

利用基爾霍夫電流定理，得到電容電壓的脈動(dòng)為　

電容電壓波動(dòng)在低的輸入/輸出電壓傳輸比和低的功率因數時(shí)變大。

由式（9），當功率為3.3kw時(shí)，對電容的限制是c<38.3μf這里取5μf/630v。

濾波器的截止頻率fc應選擇在電網(wǎng)頻率（50hz）和開(kāi)關(guān)頻率（20khz）之間，通常和電網(wǎng)頻率和開(kāi)關(guān)頻率都有10倍關(guān)系，因此，這里我們取fc為1khz左右?！　?

根據上面確定的電容值，可以得到l的取值范圍，這里取l為5mh。

4.3實(shí)驗驗證
　　
在設計好濾波器的參數后，通過(guò)實(shí)驗可以檢驗參數的選擇是否符合要求。
　　
滿(mǎn)載時(shí)電感上的最大電壓降為 　　

式中：un是額定輸入相電壓；
　　
　　　in是額定輸入相電流。
　　
由計算可知，滿(mǎn)載時(shí)最大的電壓降為0.01％。
　　
加上濾波器后輸入電流的頻譜如圖7所示，可見(jiàn)輸入電流中基波含量占了絕對部分，開(kāi)關(guān)頻率及諧波含量已經(jīng)明顯減少，而且由圖8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(shí)現了設計要求。

5結語(yǔ)
　　
電力電子設備的emi污染越來(lái)越受到各方的關(guān)注，各國也相繼出臺了有關(guān)emc的法規。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(dòng)會(huì )對矩陣式變換器（mc）的工作產(chǎn)生影響，mc也會(huì )對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，因此，必須采取措施減少開(kāi)關(guān)過(guò)程干擾，并增加輸入濾波器。本文詳細地介紹了mc輸入濾波器的設計過(guò)程，仿真和實(shí)驗結果論證了這種設計的可靠性和實(shí)用性。