矩陣式變換器設計中的干擾抑制技術

2emi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）產生干擾；用igbt和反并聯(lián)二極管構成的雙向開關，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調制技術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，通常會流過一系列的pwm功率脈沖，其重復頻率視應用場合可達幾千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，而且它們產生的電磁噪聲強度很大；而周圍的設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和輻射等方式對輸出和輸入電流、電壓產生影響，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月開始已強制嚴格執(zhí)行其標準，我國也有相應的標準和法規(guī)，因此，必須采用輸入濾波器減少矩陣式變換器產生的開關頻率諧波，本文重點介紹輸入濾波器的設計。

3減少開關過程干擾

為了保證開關之間的安全切換，同一相輸出的任意兩組開關不能同時導通，否則將造成輸入兩相短路而產生電流峰值；三相開關也不能同時斷開，否則就造成感性負載開路而感應高電壓。但實際所采用的半導體開關器件igbt不可能達到理想的瞬時導通和關斷，在即將關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導通狀態(tài)，換流時無法避免短暫的開通重疊或關斷死區(qū)，因此，為了減少開關過程的干擾，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狀態(tài)。從開關s1到開關s2換流過程如圖2所示。 　　

當il>0時，四步開關順序是：關s1n，開s2p，關s1p，開s2n。
　　
當il<0時，四步開關順序是：關s1p，開s2n，關s1n，開s2p。
　　
可見，四步換流成功地構成了對兩個雙向開關的換向控制，既阻止了可能使電源發(fā)生短路的開關組合，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，因此，采用四步換流方案可以減少50％的平均開關損耗。
　　
優(yōu)化開關順序是將開關順序設置為s1，s2，s3，s0，s3，s2，s1，即采用半對稱pwm開關順序，采用優(yōu)化后的開關順序可以減少33％的平均開關損耗。

4輸入濾波器設計

4.1開關頻率諧波
　　
利用仿真和實驗的方法可以得到三相輸入電流的頻譜，可以比較仿真和實驗波形中開關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(jù)。
　　
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是實際的開關頻率為20khz，功率為3.5kw的矩陣式變換器的未濾波的輸入電流頻譜。可見，在仿真和實驗波形之間有很多相關性，它們在開關頻率附近諧波成分很大。

在矩陣式變換器驅動感應電機的系統(tǒng)中，電機啟動過程的電磁轉矩波形如圖5所示。由圖5可知，感應電機啟動時轉矩最大，由此產生的干擾電壓也最大。知道了干擾電壓的頻譜，可以開始設計滿足要求的輸入濾波器了。

4.2設計方法
　　
可以采用多相l(xiāng)c濾波電路或帶諧波選擇的單相l(xiāng)c濾波器，但顯然增加了系統(tǒng)的復雜性。本實驗采用單相的lc濾波電路來滿足設計要求。
　　
輸入濾波器的設計必須滿足截止頻率低于開關頻率，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(shù)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(shù)，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延遲角。為了確?？臻g矢量調制策略的正確執(zhí)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(jù)圖6所示，矩陣式變換器看成是一個電流源，為了得到功率因數(shù)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)頻率高一個數(shù)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為　

電容電壓波動在低的輸入/輸出電壓傳輸比和低的功率因數(shù)時變大。

由式（9），當功率為3.3kw時，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）和開關頻率（20khz）之間，通常和電網(wǎng)頻率和開關頻率都有10倍關系，因此，這里我們取fc為1khz左右?！　?

根據(jù)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實驗驗證
　　
在設計好濾波器的參數(shù)后，通過實驗可以檢驗參數(shù)的選擇是否符合要求。
　　
滿載時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，滿載時最大的電壓降為0.01％。
　　
加上濾波器后輸入電流的頻譜如圖7所示，可見輸入電流中基波含量占了絕對部分，開關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，濾波器很好地實現(xiàn)了設計要求。

5結語
　　
電力電子設備的emi污染越來越受到各方的關注，各國也相繼出臺了有關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，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）的工作產生影響，mc也會對電網(wǎng)產生污染，因此，必須采取措施減少開關過程干擾，并增加輸入濾波器。本文詳細地介紹了mc輸入濾波器的設計過程，仿真和實驗結果論證了這種設計的可靠性和實用性。