变频器功率单元结构改变对电磁兼容性能的影响

1 引言 高压大功率变频器的拓朴结构中，多电平单元串联电压源型变频器是采用多电平叠加、标准低电压功率单元结构串联，单元内部电容阵列稳压的拓朴结构。在系统组成上由于其拓朴结构的特点，内部元器件众多，结构复杂。同时拓朴结构的叠加特性，只需增加在主拓朴结构中的标准低电压功率单元数量及串联方式，就能实现电压升级和功率升级，而不需进行对其功率电路的器件进行重新设计。其通用性及继承性的优点非常突出，在高电压，大功率方面具有天然的优势。故而多电平单元串联电压源型结构的变频器在大功率，高电压等级的环境应用越来越多，越来越广。 标准低电压功率单元的性能与质量，是决定多电平单元串联电压源型变频器的性能的关键。在实际的应用率变换回路中单相上的标准低压功率单元由三个串联，发展六个串联，再发展九个串联，即能使输出电压等级从3kV至6kV至10kV。虽然在不同的电压等级下每个标准低电压功率单元的电压等级和输出功率没有改变，但是功率单元的电磁运行环境却变得越来越来越恶劣。随着总电压等级和总输出功率的提高，每个标准功率单元内部干扰能量的空间分布加大、时间分布非周期性加强、干扰频率的频谱带宽增加、发射干扰源增多等不利因素相应增加，其电磁兼容环境的恶化会严重影响标准低压功率单元的性能。这就要求功率单元在保持输出特性不变的前提下，采用相对应的电磁兼容技术措施，能通过严酷工业电磁环境测试而稳定运行，从而保证多电平单元串联电压源型高压变频系统的性能与质量。 2 电磁兼容的基本知识 国际电工技术委员会（IEC）给出的电磁兼容性定义为:“电磁兼容性是设备的一种能力，它在环境中能完成自身的功能，而不致于在其环境中产生不允许的干扰。” 我国国家军用标准GJB72-85《电磁干扰和电磁兼容性名词术语》中给出电磁兼容性的定义为:“设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中设备的电磁发射而导致或遭受不允许的性能降级。” 2.1 EMC测试项目——电快速瞬变脉冲群（EFT）简介 （1）EFT的干扰源 在电气和机电设备中常见的一种瞬态干扰，是由继电器、电机、变压器等电感器件产生的，一般来说，这些器件是系统组成的一部份，因此干扰往往在系统的内部产生。 （2）EFT对设备的影响 电快速瞬变脉冲群是由电路中的感性负载断开时产生。其特点是一连串的脉冲，因此它对电路的影响较大。回路中一连串的脉冲可以在电路的输入端产生累积效应，使干扰电平的幅度最终超过电路的噪声门限。从这个机理上看，脉冲串的周期越短，则对电路的影响越大。因为当脉冲串中的每个脉冲相距很近时，电路的输入电容没有足够的时间放电，就又开始新的充电，很容易达到较高的电平，湮灭正常的输入信号。 （3）EFT的特性 电感负载开关系统断开时，会在断点处产生瞬态骚扰（EFT），这种瞬态骚扰由大量脉冲组成。对220V电源线的测量表明，这种脉冲群的幅值在100V至数千伏之间，具体大小由开关触点的电特性（如触点打开的速度，触点断开时的耐压等级，触点灭弧的机制等）决定，脉冲重复频率在1kHz～1MHz，对于单个脉冲而言，其上升沿在纳秒级，脉冲持续期在几十纳秒至数毫秒之间。这种骚扰信号的频谱分布非常宽，高速数字电路对它比较敏感，容易受到骚扰。 从实际测试结果来看，发现很大一部分产品（主要是数字式设备）都不能承受这种骚扰，经常出现程序混乱、数据丢失、控制电路失灵等现象。 （4）EFT标准 IEC专门制定了标准IEC61000-4-4（1995）《电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》来模拟电快速脉冲群对电气和电子设备的影响，与其对应的国标是 GB/T13926.4-92《工业过程测量和控制装置的电磁兼容性——电快速瞬变脉冲群要求》。由于这个标准在国际上非常有影响，不少国际组织或一些国内相关部门都将此标准引入其产品标准或通用标准。 2.2 电快速瞬变脉冲群干扰的抑制方法 （1）减小PCB接地线公共阻抗 在IC输入端，EFT对寄生电容充电，通过众多脉冲的逐级累积，最后达到并超过IC的抗扰度限值。由于任何地线既有电阻又有电抗，所以当电流流过，必然会产生压降，很容易产生电位差，这可应用良好的布线、增加接地导线的面积方法来减小，使其低于数字电路的抗干扰电平。 （2）应用EFT电感瞬态干扰抑制网络 使用EFT滤波器或吸收器将骚扰源远离敏感电路； （3）正确使用接地技术； （4）在软件中加入抗骚扰指令； （5）安装瞬变骚扰吸收器。 通常将以上方法根据具体情况结合使用，以达到最佳效果。 3 电磁兼容测试平台简介与功率单元电磁兼容改进的目标 3.1 功率单元电磁兼容性能测试平台 地点:哈尔滨工业大学电磁兼容试验室。 仪器:EMC TRANSIENT 2000。 测试对象:变频器功率单元原型 执行人员:哈尔滨九洲电气股份有限公司研发员: 李凯 白德芳 哈尔滨工业大学电气工程系在读博士: 严冬 功率单元结构更改场地:哈尔滨九洲电气股份有限公司开发中心实验室。 3.2 功率单元电磁性能提升的预定目标 功率单元通过4.0kV、2.5kHz、30s的严酷工业环境等级的电快速瞬变脉冲群测试。 功率单元电磁兼容完成后，外部连接空间位置不变，可直接安装于原柜体内。 对功率单元的结构改动重点在外部结构改动，不改变内部元器件的相对位置。 提高电磁兼容性改动成本控制在功率单元总成本10%之内。 改后的功率单元的内部功率元件运行方式不变。 功率单元电磁兼容性提高研究的完成时间预定为三个月。 3.3 将对电磁兼容性能进行提升的功率单元原型 对600V-63A的标准功率进行电磁兼容性能的改造，要求达到能通过电磁兼容测试的最高的严酷工业环境等级，改造前的原型结构如图1所示。 [align=center] 图1 功率单元原型结构图[/align] 4 对功率单元原型进行电磁兼容性能测试，并分析电磁性能弱的要点 4.1 对功率单元原型进行电磁兼容测试 （1）测试前的预定方案 对多电平单元串联电压源型变频器的功率单元原型进行电磁兼容性能分析的前提，是对其进行严密的电磁兼容测试。在哈尔滨工业大学电磁兼容试验室内对功率单元原型采取多等级，多时间，多校验的方式进行测试，其最高测试标准预定为严酷的工业环境的等级标准。 （2）经测试后，其测试完成后数据汇总如表1所示。 表1 测试完成后数据汇总 4.2 根据测试结果，对功率单元的电磁兼容性能进行深入的剖析 （1）功率单元的电磁兼容性能等级 多电平功率单元EMC性能通过电快速瞬变脉冲群3级测试，未通过4级测试，即现功率单元的电快速脉冲抗干扰特性已达到3级，还未达到4级即严酷工业环境等级下正常运行的标准。 （2）对功率单元进行EFT测试时，受EFT影响而出现工作不正常现象的要点 在功率单元仅加电，处于备用状态时，对其加4.0kV电快速瞬变脉冲群等级，功率单元上的所有状态显示灯全部开始无规则快速闪烁，其EMI的噪声骚扰已经完全扰乱了数字信号回路的正常工作。 在3.0kV，2.5kHz状态下进行电快速瞬变脉冲群测试中，功率单元运行正常，当将测试频率加大为5kHz时，5次长度为300s的测试中，通过三次，未通过二次。说明3.0kV等级是功率单元对电快速瞬变脉冲群抗干扰能力的一个临界值。 5 根据测试的结果进行深入分析，结合分析结果制定出项目进行的开展方向 5.1 针对在电磁兼容测试中出现的故障要点的深入分析 （1）不定时出现故障的原因分析 在3.0kV等级进行测试时，在频率为2.5kHz时运行正常，在频率为5.0kHz时运行出现不定时的故障。其产生的原因分析应为EFT信号通过电源线进入后，经过IC信号端口时，在2.5kHz的干扰信号全部被滤除，功率单元保持正常行。当EFT干扰的脉冲频率加大到5.0kHz时，将有一部分干扰信号通过输入端滤波进入后继电路，对寄生电容的充电，经过众多脉冲的逐级累积，最后达到并超过IC的抗扰度限值，通过直接触发或静电耦合，使数字电路工作异常。其中电容中干扰的累积受IC回路运行状态，输入滤波效果等影响，为离散型故障发生，符合测试数据汇总表中故障出现的规律。 （2）在未运行时即出现故障的原因分析 在功率单元加电，处于停止状态时，对其加4.0kV电快速瞬变脉冲群等级的干扰，所有指示灯都在闪烁，表明在IC回路中的干扰电平已经超过电路的噪声门限，数字回路的噪声已经湮灭正常的运行信号，其不应是脉冲的累积效应产生的，应是线路中的电容性耦合或电感性耦合较大，在干扰信号输入后，在数字回路中的耦合出的干扰信号直接超过了回路中正常工作信号的电平，造成功率单元的停止状态时加入4.0kV等级的干扰，还未运行时，指示灯就开始无序闪烁。 5.2 功率单元原型中电缆布局不合理的要点 （1）输入的主回路电缆与控制回路电缆从功率单元前部输入/输出端子引到功率单元后部的整流二极管与控制变压器，相当于全部输入/输出的功率先通过了线缆环绕了半个功率单元后再进入相应元器件。 （2）主控板的80V与8V电源电缆，温度报警信号电缆围绕了主控板周围一半以上的空间。长距离并行的一些线缆之间的电压等级差异大、通过的电源型式种类多、电流密度分布广、相互工作频谱区域复杂。 总体上其功率及控制线缆在单元内大体呈环形排列，而且长度长、并列布线多。 由于以上的种种的线缆布局极易产生相互干扰，同时长电缆不但充当了极好天线，还由于其并行长度长，运行时电压差异大（最高为800V，最小为5V），故其电磁耦合现象比较严重。 5.3 结合测试结果分析和具体的功率单元结构判断其电磁兼容性能弱的最主要原因 （1）电磁兼容的电缆设计 在电磁兼容理论中，电缆是效率很高的电磁波接收天线，空间的电磁干扰往往首先被电缆接收到，然后传入到设备中，造成数字电路的误动作。同时电缆还是很高的电磁波辐射天线，当设备被屏蔽起来后，电缆是产生电磁波辐射的主要原因。当设备或系统不能满足有关电磁干扰的限制要求时，90%是电缆的原因。 （2）功率单元原型未通过工业严酷等级的EFT测试的直接因素 在功率单元内，电缆不但多而乱，而且都非常长，已近似于在功率单元再加入了一个大天线网，分析确定通不过电快速瞬变脉冲群测试4级的主要原因应该是线缆过长。 5.4 功率单元原型进行电磁兼容性能改进的目标方向 （1）对功率单元原型电磁兼容改进的主要对象 通过以上的分析，功率单元在电快速瞬变脉冲群4级通不过的原因应为功率单元内电缆过长、并行过多、电压等级不同电缆混行所造成。其率单元中最长的电缆如图2所示，改善电磁兼容性能的主要改变对象就是这些长电缆，将这些长电缆通过结构改进行方式进行缩短，并同时改变电缆在功率单元内呈环状的布线方式。 [align=center] 图2 功率单元原型内的长电缆[/align] （2）对功率单元原型电磁兼容改进的方向 在不改变主功率元件的相对位置的基础上,对功率单元原型的壳体形式、输出/输入端子、主控板的固定位置进行改变，从而对长电缆的缩短和重新布局。 5.5 变频器功率单元结构改造的可行性方向 （1）根据功率单元原型结构分析能够实现的大致改造方向 功率单元原电源布线方式均为从功率单元前部入线，经过长电缆到功率单元后部的整流桥与变压器，在走线过程中，没有与电气元件联接。可以将长电缆从功率单元内拉出，表明其中间未和任何元件连接。主电缆长度达1000mm,变压器电缆达700mm。如此之长的长缆存在即是由于输入整流放在了功率单元的后部，而输入线是从前部进入。 将功率单元的整流桥从后部的位置调整到前侧，则能将输入的电缆长度缩短2/3左右。将输入变压器从后侧移至前侧，则能将变压器到主控板电源的电缆也同样可以缩短2/3左右。 （2）按照改造方向对功率单元结构改造具体实现方法的分析 此功率单元原型的壳体即是外壳，同时也是内部元件的支撑框架，如图2所示，其由三部分组成，即左侧板，右侧板，主壳体。在具体的结构安装中，功率器件固定于散热器上，电容器件及其予充电器件固定于右侧板上，主控板固定于左侧板上，输入/输出端子固定于主壳体的前侧。 利用主壳体上只有输入/输出端子，且都为电缆连接的有利条件，若将功率单元的主壳体进行前后镜像翻转，则能达到将整流桥和变压器从后侧移到前侧的目标，同时不会改变元件内部相对位置，改造后的内部硬连接铜带也可以继续使用。 6 制定变频器功率单元电磁兼容性能改进的结构更改初步方案 6.1 功率单元结构更改方法 （1）功率单元安装摆放位置的变化 将功率单元主壳体进行前后镜像，将功率单元的安装位置进行前后镜像，这时就将功率单元的输入整流桥和控制变压器从后侧改到了前侧。 （2）功率单元主壳体的更改 在功率单元主壳体进行镜像后，相应的水平输出/输入端子不用更改，便是主控板输出口的位置发生的变化，在相应的位置对功率单元进行重新加工主控板的输出接口。 （3）功率单元主控板安装结构的更改 重新按照改后的功率单元壳体上的输出窗口位置安排主控板的空间位置。主控板继续固定由左侧板上时，由于空间位置的变化，使得在打开功率单元时，主控板的元件将会隐藏，将对厂内测试和调节产生极大的不便。 针对以上要求，在功率单元内的相应位置作一个支架结构，将主控板安装于支架上，使主控板的元件安装面处于外侧，方便厂内测试与检查。 6.2 确定功率单元原型对电磁兼容性能进行结构改造的操作原则 （1）元器件使用原则 采用原有的电气元件，保持内部硬连接结构不变，利用改变软连接结构与壳体结构完成对电缆长度进行缩短的目标。 （2）结构件使用原则 壳体结构制作尽量用原用结构更改，能够用原有的结构更改的，尽量用原有结构进行更改，不进行重新制作，从而加快研发的进程与速度。 （3）电缆布线原则 在进行电缆制作时，严格按照电磁兼容的技术要求，进行电缆布线，其使用的线型，布线走向均要求简洁，不能过于繁复，并按照成品的型式进行多层布线。 （4）功率单元的固定原则 在进行电磁兼容改进行结构更改制作完成后，能够实现原功率单元的全部功能，且其输出输入端子空间位置不能改变，可以直接装入原柜体，所有柜体内的结构与布线均不用更改，和功率单元原型的安装型式完全兼容。 （5）研发进程中的工艺要求原则 研发制作中，在保证以上要求的前提下，对于不影响电气性能和测试参数的外观类工艺可适量放松，以加快研发的速度，在完成全部电气性能的研发后，再进行细致的外观结构处理。 6.3 功率单元内不改动的结构件的确定 （1）功率单元的散热器上的安装元件 在散热器上的所用元件安装结构保持原有形式，不进行任何的改动。 （2）电容阵列的安装结构 电容阵列的安装随着功率单元的镜像，由右侧板改为左侧板进行安装，其与散热器上所有的功率器件的安装相对位置不变。 （3）内部铜排的安装结构 在结构更改中，保证主回路的各器件相对位置不变，即可以保证内部铜排都不用进行更改，直接采用原来的铜排结构。 6.4 需进行加工和制作的结构件 （1）功率单元的主壳体 在主壳体的右侧加工出新的主控板输出窗口，并在主壳体的前后部份加工出主控板支架的安装孔。 （2）功率单元的主控板支架 根据主控板的安装位置，加工出用于主控板安装的支架，其固定于主壳体的相应安装孔上，同时支架也作为内部电缆分层走线的桥架。 （3）功率单元的主控板屏蔽板 根据主控板的安装位置，其屏蔽板的安装位置由主控板的前侧移到后侧,直接安装于主控板的支架上，保证在结构完成的主控板屏蔽结构保持原有形式。 7 变频器的功率单元电磁兼容性能提升的结构更改的具体实施步骤 7.1 安装位置不需改动的部分 （1）散热器上的元件安装不进行改动，保持原有结构，如图3所示。 [align=center] 图3 散热器安装结构[/align] （2）电容阵列、均压板，变压器安装结构都不改变，直接根据预定方案将原右侧直接转化为左侧板使用，在这种方法保证了内部铜排连接结构无需更改，并能将内部的主功率回路的全部功率器件安装完成，只余下外壳，输入/输出引线，主控板等在预定方案中应进行更改的部份未安装，此时的结构如图4所示。 [align=center] 图4 不需进行改变的全部结构[/align] 7.2 功率单元主壳体结构的更改 （1）将功率单元原型主壳体在进行前后镜像更改时，由于其原型的功率单元安装的铆螺母的位置是按纵轴线进行布置的，故在主壳体的位置进行前后调转后，其可以接安装于左侧板上，对主体进行加工出一个主控板输出窗口和支架安装孔即可，在安装完后的主壳体如图5所示。 [align=center][b] 图5 加工完成后的主壳体[/b][/align] 在主壳体组装完后的图6中，可以看到按照预定方案，在主壳体进行前后互换后，并将功率单元的散热器同时进行前后互换，其输入整流桥、控制变压器已经从原来功率单元的后部移到了功率单元的前部，其走线电缆的长度需求将会例减少。 [align=center] 图6 主壳体组装完毕图[/align] 7.3 变频器功率单元内的主控板支架制作 （1）主控板支架材料选择 根据主控板在功率单元内的相对空间布放位置，支架应在电容阵列的正极面与主控板的空间预定位置之间。在库存料中，有着标准的环氧树脂浇铸玻璃布层的绝缘棒，直接采用其制作支架，由于其本体绝缘的性质，在制作中具有非常大的电气间隙和绝缘距离的余度，同时其加工简单容易。 （2）主控板支架的加工 首先将30mm粗的环氧浇注玻璃布层绝缘棒截成合适长二根，在两端进行钻孔，攻内螺纹，用于在主壳体前后安装孔之上通过螺栓进行固定。在纵向钻出等距的标孔，用于其作为内部电缆桥架，对线束进行分层走线的布线架用作线束固定孔。 （3） 主控板与屏蔽层结合 在设计支架时，利用功率单元原型上的屏蔽板进行改装，将其固定在支架上。用于屏蔽电容阵列输出铜板的电磁骚扰。全部按预定的电磁兼容性能提升的结构更改预定方案加工完成后主控板支架如图7所示。 [align=center] 图7 加工完成后的主控板支架[/align] 7.4 变频器功率单元线束的更改 （1）线束的种类 IGBT驱动线束 4组 电容阵列软启动切除线束 1组 旁通控制线束 1组 主控板电源线束 2组 电容阵列电压测量线束 2组 温度检测线束 1组 IGBT输出测量线束 1组 （2）线束分层布线设计，如图8所示。 [align=center] 图8 主控线线束分层布线空间结构[/align] 电容阵列电压测量、温度检测在主控板下支架布线 电容分压测量在主控板上支架布线 IGBT驱动线束从IGBT到主控板直连。 主控板电源在控制变压器与支架间前侧空间布线。 旁通控制、软启动切除在散热器表面布线。 IGBT输出测量在功率单元后部，通过主控制下支架固定方式布线。 7.5 变频器功率单元主控板安装，连接全部线缆完成样机制作 （1）将主控板支架固定在变频器功率单元外壳上后，根据线束分层的空间结构，按各接线端子的位置确定线束的长度，做出其接线端头。 （2）将主控板装在支架上，并将相应的电缆连接完成 其相应的线束已布置完成，将主控板装上，并将相应线束对应接好，此时，功率单元的内部电气结构全部更改完成，已经具备加电运行的条件，在加电后，即可以进行运行状态的测试，如图9所示。 [align=center] 图9 主控板组装完成图[/align] （3）完成功率单元全部的结构更改改装 完成功率单元全部电气结构的安装后，将右侧板组装，表明全部结构更改完成。输出和输入端子与功率单元原型的空间位置保持了一致，具备了直接安装于变频器柜体内的性能，表明了安装结构上符合项目的要求。如图10所示: [align=center] 图10 完成功率单元结构更改的模型[/align] 8 功率单元结构更改完成后电磁兼容性能的测试 8.1 带载温升与功能测试 在功率单元更改完成后，首先用功率单元测试箱对其进行加电测试，验证结构更改后能否正常工作，当工作与保护测试通过后，进行单独加满载考核其各部份温升，经过24h满载考核，更改后的功率单元的性能完全达到功率单元原型的各项性能指标。 8.2 电磁兼容性的测试 （1）在哈尔滨工业大学电磁兼容试验室对功率单元进行电快速脉变脉冲群（EFT）的测试，测试标准按照最高的严酷工业环境等级进行,如图11所示。 [align=center] 图11 功率单元结构更改完成后的电磁兼容测试[/align] （2）结构更改完成后的测试数据汇总如表2所示。 表2 结构更改完成后的测试数据汇总 8.3 电磁兼容测试总结 （1） 通过以上数据看出，结构更改后的功率单元通过了电快速瞬变脉冲群（EFT）最高等级（4级）的测试，其对电快速瞬变脉冲群的抗干扰度等级已经达到甚至超过了工业严酷等级环境运行的标准。 （2） 对功率单元依照EMC的要求进行结构更改后，其EFT的抗扰度的水平达到了项目所制定的目标，表明多电平单元串联电压源型变频器的功率单元进行EMC性能提高的结构更改研发任务顺利完成。 9 功率单元原型的电磁兼容性能差的原因确定 9.1 更改前功率单元的线缆比更改后功率单元多用的线缆 在变频器功率单元结构更改中，其用的线缆都是利用功率单元原型的线缆进行改动制作，没有使用新的线缆，在结构更改完成后，未用完的线束即是原功率单元比更改后功率单元多用的线缆。 9.2 大量减少单元内的线缆长度的意义 功率单元主回路中所用线缆比功率单元原型所用线缆的长度得到了例的缩短，最长的几根线束，每条长度均超过功率单元本体长度，减少了这些线缆的使用，对于EMC的性能来说，仅这几根线束就相当于在功率单元内部少了12条与功率单元一样长的天线结构组件。 9.3 功率单元由大面积环形布线变为分层布线的意义 电感性耦合也称为磁耦合，它是由磁场作用引起的，其耦合电感取决于电路的几何形状和包含场的媒质磁特性。当电缆内有电流流动时，将在其围起回路面积内产生一个感应磁场，形成与此电流成正比的磁通量，在围起面积内的电缆将产生互感。避免平行走线并设法缩小电流回路围成面积使互感尽量地小，抑制电感性耦合。 被干扰导线环在干扰场中的放置方位应使它对干扰磁场切割磁力线最小，因而所耦合的干扰信号也最小。 9.4 功率单元原型的电磁兼容性能差的原因 综合以上分析，功率单元原型的电磁兼容性能差的主要原因确定为: 功率单元原型内由于结构布置不合理而使用了过长的线缆。 功率单元原型内的长电缆的环形布置形成了极大的电感性的互扰。 10 结束语 电磁兼容在电子产品的研制过程中有三个重要环节是缺一不可的，那就是电磁兼容的设计、电磁兼容的诊断和调试以及电磁兼容量标准检测。每一个项目所开发出的产品都希望能顺利通过国家的相应电磁兼容标准检测，但如果没有很好的把握电磁兼容的设计和诊断，那么就很难通过标准的检测。 在多电平单元串联电压源型变频器的功率单元电磁兼容性能提高而进行结构更改的项目进行中，非常注意检测与诊断的步骤，在对功率单元进行周密的测试后，对数据进行集中归纳，并根据电磁干扰的理论，对其进行详细的诊断，并分析出通不过电磁兼容标准大概范围。并分析出的电磁兼干扰超标的主要原因，从而制定出更改方案的主要原则与重点，并依据更改重点，做出预定更改方案，在具体步骤中按照预定方案所规定的原则一步步落实完成。 在本次项目进行中，严格依照以上的步骤进行，从而保证了功率单元的一次更改即达到了预定的项目规定指标。