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1、,电力电子系统的电磁干扰与兼容技术,主要内容,1 引言(14),2 电力电子系统的干扰特点(5)3 电力电子系统的干扰分类(9)4 电力电子装置的干扰抑制技术(34)5 研究进展(8),6 结束语(1),2,主要内容,1 引言,基础知识与背景,3,1 引言(1/14),电磁干扰与兼容, 提到电磁干扰(兼容)，关心的3个问题:（1）受其他装置干扰（EMS）,（2）装置本身干扰（自己干扰自己）（3）干扰其他装置（EMI）,装置,装置,设备系统,负载,设备系统,4,1 引言(6/14),什么是电磁兼容?,EMC包括两方面的含义:,在一定的电磁环境中能按原设计正常工作,对电磁干扰有一定的抗扰度;,所产
2、生的电磁噪声不致于对它周围环境造成严重污染或影响其它设备正常运行。,抗干扰与电磁发射控制 电磁兼容,EMS + EMI = EMC,5,1 引言(7/14),基本概念,骚扰电平,抗扰度电平抗扰度限值,抗扰度裕量 电磁兼容性电平发射裕量,电磁兼容设计裕量发射极限发射电平,独立变量(如频率),各个限值、电平、裕量与独立变量（如频率）的关系,6,1 引言(8/14),装置设备系统,负载,基本概念,EMC=EMI+EMS,SEMC是包含完全不同的两方面问题-(EMI/EMS),有时只强调了一个方面;,S所有EMC的标准、规范都是涉及这两方面(EMI限值/EMS试验等级) 。,S IEC61000-3限
3、值，包括发射限值，抗扰度限值。,7,1 引言(9/14),基本概念,电磁干扰三要素,辐射耦合,干扰耦合途径,电磁干扰源,敏感设备,传导耦合,8,1 引言(12/14)背 景,电力电子装置以其高效率的电能转换而著称，正日益广泛地用于工业与民用的电力变换和传动控制。,据估计，大约有50%60%的电能要流经某种电力电子设备后才能为人类所利用，最终这个比例可能上升到100%。,世界用电量平均每年上升7%14%。,按此速度计算，25年后空间电磁能量密度最高将达到26倍； 50年后达到700倍。,本世纪电磁环境恶化已成定局。,这种电磁污染不仅限于设备，还关系到人类本身。,9,1 引言(13/14)背 景,
4、 电力电子装置的高频化和大容量化不仅导致器件所承受的电应力的增加和开关损耗的增加，而且产生难以抑制的宽带电磁干扰，对电网和环境造成严重污染，甚至威胁到装置本身乃至与之相关的其他电子设备的正常工作 各种国际和国内电磁兼容规范的强制执行，未能达标的产品将无法进入市场。电力电子装置也不例外。,10,主要内容,1 引言,2 电力电子系统的干扰特点,11,2 电力电子系统的干扰特点 (1/5), 电力电子装置中的半导体器件工作在开关状,态，在换流过程中将产生前后沿很陡的脉冲：,di/dt可达1A/nsdv/dt可达310V/ns,di,u = M (L),dt,引发严重的电磁干扰。,du,i = C,d
5、t,12,2 电力电子系统的干扰特点 (3/5), 共模干扰与差模干扰(实例）,反激(Flyback)型,13,2 电力电子系统的干扰特点 (4/5), 电力电子系统干扰的主要特点S装置功率大,主电路大功率开关过程中产生高的 di/dt 和dv/dt ，产生强大的（传导型）EMI。S频率高高频大功率装置会产生强的电磁场（近场）辐射，严重影响周围的电磁环境和电网。S体积小，控制复杂,性能高，功能全，装置内部的控制电路还要承受其主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰。,14,2 电力电子系统的干扰特点(5/5), 与通讯系统干扰的主要区别S频率范围,S功率等级,电压,电流S干扰严重,S主要是传导/近场
6、问题S也有辐射问题,15,主要内容,1 引言,2 电力电子系统的干扰特点,3 电力电子系统的干扰分类,16,3 电力电子系统的干扰分类(1/9), 电力电子系统干扰(骚扰)分类,(interference vs disturbance)S低频骚扰,非线性负载引起,与波形有关（选择性取电）与电能质量密切相关S高频骚扰,由开关动作产生,机械开关(衰减振荡，频率范围为10kHz1GHz)电力电子开关,17,3 电力电子系统的干扰分类(2/9), 电力电子系统的低频骚扰(1)S谐波电流（非线性负载）S谐波电压(系统阻抗),单相桥式二极管整流(电容滤波),三相桥式二极管整流(带电感),18,3 电力电子
7、系统的干扰分类(3/9), 电力电子系统的低频骚扰（2）,谐波,间谐波频率波动电压暂升,电压缺口电压暂跌,电压闪变,电压中断,19,3 电力电子系统的干扰分类(4/9), 电力电子系统的高频骚扰（1）,S由开关动作产生的。,S机械开关（如继电器和断路器）在接通时产生高的浪涌电流（容性效应），分断时产生火花（感性效应）并引起具有连续频谱的宽带发射。,S 发 射 是 一 种 衰 减 振 荡 ， 频 率 范 围 为10kHz1GHz，以传导和辐射的形式传播。,20,3 电力电子系统的干扰分类(5/9), 电力电子系统的高频骚扰（2）,S周期性工作的半导体开关，情况更为严重。S半导体开关在功率变换过程
8、中引起差模传导EMI，通过容性或感性耦合产生共模传导EMI。SEMI中的高频部分（10MHz）也通过辐射传播。,SEMC标准中所涉及的传导频率范围:150kHz30MHz,波长: 2000m10m主要是传导干扰问题!,21,主要内容,1 引言,2 电力电子系统的干扰特点3 电力电子系统的干扰分类,4 电力电子装置的干扰抑制技术,22,4 电力电子装置的干扰抑制技术(1/34),EMS,EMI,装置设备系统,负载,EMI+EMS,辐射耦合,干扰耦合途径传导耦合,电磁干扰源,敏感设备,23,4 电力电子装置的干扰抑制技术(2/34),干扰的影响, 低频与发热、安全有关，高频与干扰有关,#对电力设备
9、的影响(谐波效应),造成设备发热、损坏，危及设备安全减少设备寿命，或降低效率、出力电容器（放大谐波，谐波谐振过电压）电机（引起附加损耗，产生机械振动、噪声）#干扰计算机、仪表,无线电广播、通信造成设备的工作失误或性能恶化，异常话音干扰,干扰广播、电视、无线电通信,干扰电器、电子控制及通信装置（设备）,24,4 电力电子装置的干扰抑制技术(3/34),干扰限制(限值),谐波电流(电压) IEC61000-3-2(1994):谐波电流发射限值(设备输入电流16A/每相)(40次), IECTR 61000-3-4 :额定电流16A的设备在低,压供电系统的谐波电流发射限值 GB/T14549-199
10、3:电能质量 公用电网谐波(25次),限制低频干扰,电能质量控制,25,4 电力电子装置的干扰抑制技术(6/34),4.1 一般方法,S抑制低频干扰(电能质量控制)S抑制高频干扰(9kHz150kHz30MHz)抑制骚扰源,采用滤波和屏蔽阻止其进入系统(途径),辐射耦合,装置,设备系统,负载,干扰耦合途径传导耦合,电磁干扰源,敏感设备,26,4 电力电子装置的干扰抑制技术(7/34),4.1 一般方法,S抑制低频干扰(抑制线路谐波)电能质量控制,25次(60次)多重化,多相,多脉冲,无源:L,C,LC,有源:PFC,PWM整流,APF,27,4 电力电子装置的干扰抑制技术(8/34),4.1
11、一般方法, 抑制高频干扰的具体方法,缓冲电路优化功率管驱动电路软开关技术,抑制噪声产生阻断传播途径,开关频率调制,优化PCB元件布局和布线设置电磁干扰滤波器屏蔽,接地,28,4 电力电子装置的干扰抑制技术(9/34),4.1 一般方法,抑制骚扰源(1),使用具有软恢复特性的快速整流二极管。也可以使用非连续或临界连续工作模式来降低二极管硬关断引起的辐射噪声。,必要的缓冲、吸收电路，采用软开关拓扑结构。,29,4 电力电子装置的干扰抑制技术(10/34),4.1 一般方法,抑制骚扰源(2),调制技术,控制技术,采用随机PWM (RPWM)技术,分散干扰的功率频谱，减小高频谐波的幅值和EMI,30,
12、4 电力电子装置的干扰抑制技术(11/34),4.1 一般方法,抑制骚扰源(3)驱动电路(驱动电阻,损耗)缓冲电路,PCB板的优化设计电路拓扑,减小共模电压消除共模电流,4 电力电子装置的干扰抑制技术(12/34),4.1 一般方法,采用软开关拓扑,软开关经常被控制于变化的频率，这使得EMI滤波器的设计更加困难；,软开关可以有效地降低噪声的高频部分，但是它不一定能够使EMI滤波器的尺寸变小。,32,4 电力电子装置的干扰抑制技术(13/34)4.1 一般方法（软/硬开关）,4 电力电子装置的干扰抑制技术(14/34),4.1 一般方法,控制干扰传播途径,布局/走线(Layout),装置设备系统
13、,屏蔽,负载,加EMI滤波器频率范围宽,噪声源阻抗 ,负载阻抗?,34,4 电力电子装置的干扰抑制技术(19/34),4.2 缓冲与吸收技术,D,T,CO,RL,E,Q,Flyback电路,35,4 电力电子装置的干扰抑制技术(20/34),4.2 缓冲与吸收技术,开关电源的输出波形,36,4 电力电子装置的干扰抑制技术(21/34),4.2 缓冲与吸收技术,Rs,VDs,iC,Cs,A,Load,i u,B,iC u,CE,C CE,uCE,O,t,O,37,4 电力电子装置的干扰抑制技术(22/34),4.2 缓冲与吸收技术,缓冲电路的定义,其作用是抑制电力电子器件在开关过程中产生的过电压
14、、du/dt或者过电流和di/dt ,并减少器件的开关损耗。,缓冲电路可分为开通缓冲电路(抑制di/dt )和关断缓冲电路(抑制du/dt)。,原因：,电力电子器件过载能力弱；电力电子器件开关速度快；分布电感、电容的存在。38,4 电力电子装置的干扰抑制技术(23/34),4.2 缓冲与吸收技术,作用：,保证电路正常，安全工作减小器件的开关损耗减小器件的电压/电流应力（尖峰）,限制di/dt或dv/dt,减小高频振荡、电磁干扰，提高工作频率,抑制或调整负载曲线，使开关器件工作在安全工作区内,将开关器件的损耗转移至外接的电阻或负载上阻尼电流（电压）的振荡以抑制EMI改变分布参数的固有振荡频率,3
15、9,4 电力电子装置的干扰抑制技术(24/34),4.2 缓冲与吸收技术,M1,L,C,M,2,直流母线电容缓冲电路,40,4 电力电子装置的干扰抑制技术(25/34),4.2 缓冲与吸收技术,带吸收D电容钳位电路,RCD交叉钳位电路,电容钳位电路,IGBT缓冲电路应考虑到：功率电路的布局,结构，功率等级，工作频率和成本。,41,4 电力电子装置的干扰抑制技术(26/34),4.2 缓冲与吸收技术,磁性吸收元件在电路中的安放位置磁珠,42,4 电力电子装置的干扰抑制技术(27/34),4.2 缓冲与吸收技术,效果比对,43,4 电力电子装置的干扰抑制技术(29/34),4.3 EMI有源滤波技
16、术,无源EMI滤波的不足：,z补偿频带窄，只能消除特定频率的干扰信号；,z滤波特性受系统的参数影响较大，当系统阻抗和频率变化时，有可能与电网阻抗发生谐振；,z体积大,重量重。,44,4 电力电子装置的干扰抑制技术(30/34),4.3 EMI有源滤波技术,电力有源滤波技术的原理(相同点),iL,iS,交流电网,负载(谐波源),i = i + i,L,Lf,Lh,iC,iC = i,Lh,i = i + i = i,S,L,C,Lf,以毒攻毒,45,4 电力电子装置的干扰抑制技术(31/34),4.3 EMI有源滤波技术, 不同点,产生的机理,APF：整流及逆变电路产生的谐波AEF：高dv/dt
17、和di/dt导致的开关噪声,频段,APF：频带窄，9kHz以下AEF：频带宽，150kHz 30MHz,46,4 电力电子装置的干扰抑制技术(32/34),4.3 EMI有源滤波技术,不同点,受控源的实现方式,APF：开关方式AEF：线性方式/微小功率,+VCCT1,检测,放大,T2,47,4 电力电子装置的干扰抑制技术(33/34),4.3 EMI有源滤波技术, 并联型电路,48,4 电力电子装置的干扰抑制技术(34/34),4.3 EMI有源滤波技术, 滤波效果,滤波前,无源滤波+有源滤波,无源滤波,49,4 电力电子装置的干扰抑制技术(34/34),4.3 EMI有源滤波技术, 共模传导
18、干扰的有源抑制方法,50,主要内容,1 引言,2 电力电子系统的干扰特点3 电力电子系统的干扰分类4 电力电子装置的干扰抑制技术,5 研究进展,51,5 研究进展(1/8),EMI/EMC研究的主要内容：电磁干扰的预测和分析,（干扰特性、产生机理、抑制措施）电磁干扰的抑制技术；,电磁兼容性标准与规范；,电磁兼容性的测量与试验技术；,52,5 研究进展(2/8),经验法,试探法(Trial & Error),系统分析法, 电磁干扰的复杂性在于缺乏干扰源和干扰耦合通,道的精确描述, 实施干扰预测常常依赖于设计者的经验或庞大的,数值仿真模型, 试验(测量)+理论分析（数值仿真）建模仿真,53,5 研
19、究进展(4/8), 电力电子干扰源及特性的研究区分共模干扰与差模干扰,传导干扰源研究,辐射干扰源研究,近场特性研究（保证控制电路正常工作）实验、分析相结合，一定条件下建模。, 软开关变换器电磁兼容性, 电力电子系统传导干扰的有源抑制方法,54,5 研究进展(5/8), 传导干扰源的研究，为EMI滤波器的设计提供依据,电力电子系统干扰传播的主要途径。, 利用(消除)杂散(寄生)参数提高滤波器性能,电感,L,R,C,电容,L,R,C,55,5 研究进展(7/8), PWM逆变器传导干扰等效电路模型差模干扰,输出侧主要是由于输出电压中含有谐波引起的。而逆变器输入侧，其干扰要复杂得多。,共模电流频谱的影响,直流侧电压: 高,干扰大开关频率: 高,干扰大负载电流大小:基本不随负载变化驱动电阻:,56,5 研究进展(7/8), 采用FDTD对散热器的辐射特性研究,57,主要内容,1 引言,2 电力电子系统的干扰特点3 电力电子系统的干扰分类4 电力电子装置的干扰抑制技术5 研究进展,6 结束语,58,6 结束语,S电力电子装置的广泛应用，技术飞速发展，已成为电工领域最具活力的学科之一，对国民经济产生重大影响。S电力电子技术的发展，电磁兼容的问题将愈加突出。,S已影响一些装置正常运行和成为产品认证的瓶颈。,S电力电子装置的电磁兼容技术研究,任重而道远!,59,
