Abstract
With the development of power electronics, PWM inverters are getting more widely used, such as PWM drives, UPS etc. However, high frequency switching of power semiconductor devices like IGBTs and MOSFETs bring high dvdt and didt, which produce large electromagnetic interference (EMI) from several kilo hertz to tens of million hertz and the electromagnetic compatibility (EMC) standard is not met. The research work of this paper includes three aspects: 1) analysis of typical characteristics of common mode (CM) EMI and prediction of CM EMI spectrum of single-phase full-bridge inverter; 2) reduction of CM EMI through automatic tuning of gating signals; and 3) evaluation of CM noise level based on the energy of CM current.
The source and propagation path of CM EMI in single-phase inverters are investigated. The conclusion is that CM EMI is due to the dvdt charging and discharging the parasitic capacitors of the power devices. After examining the existing circuit model of CM current, some shortage of the model has been found. A new parallel circuit model is proposed. Time- and frequency-domain analysis are conducted to obtain CM current waveforms under trapezoidal excitement and CM noise spectra in 150kHz-30MHz frequency range. The CM current is of decaying oscillatory waveform. The simulated CM EMI waveforms and spectra are compared with the experimental results to verify the validity of the proposed model.
The impacts of modulation strategy on CM emissions are discussed. Theoretically, for single-phase full-bridge inverters, if bipolar SPWM is used, the two phase-legs provide perfect CM compensation for each other and the CM current can be cancelled out automatically. Due to inevitable deviation in signal transmission characteristics of devices, transmission delay of each gating signal can be different, so the CM current cannot be cancelled out perfectly. To address this, a simple solution is to fine-tune the gating signals
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before they are transmitted. The tuning process consists of evaluation of CM noise level, which is based on the energy of CM current, and an automatic search algorithm. The relationships between the CM current energy and the differences of the transmission delays on different situation are given in simulation. The experimental results on a TMS320F2812 based test setup are also given to verify the validity of the method. The THD% of the output voltage is also very low, which indicates that this method can be easily incorporated with the inverter control algorithm.
Keywords: single phase inverter common mode electromagnetic interference
circuit model gating signals energy of the CM current automatic search algorithm DSP2812
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目 录
摘要 .................................................................................................................. Ⅰ Abstract ............................................................................................................ Ⅱ 1 绪论
1.1 电磁兼容问题概述 ................................................................................ (1) 1.2 电力电子装置的电磁兼容问题 ............................................................ (2) 1.3 电力电子装置共模传导EMI国内外的研究现状 .............................. (2) 1.4 选题依据与本文的主要工作 ................................................................ (8)
2 单相全桥逆变器共模传导干扰分析与建模
2.1 单相全桥逆变器共模干扰源及其传播路径 ...................................... (10) 2.2 单相全桥逆变器共模电流等效模型 .................................................. (12) 2.3 时域分析 .............................................................................................. (18) 2.4 频域分析 .............................................................................................. (24) 2.5 本章小结 .............................................................................................. (26)
3 基于驱动脉冲自校正的单相全桥逆变器共模电流抑制技术 3.1 3.23.33.4 4.14.24.34.4
单相全桥逆变器在各种调制方法下共模干扰情况 .......................... (28) 实际装置中双极性调制下单相逆变器共模电流情况 ..................... (31) 基于驱动脉冲自校正的共模电流抑制技术 ..................................... (34) 本章小结 .............................................................................................. (42) TI最新一代DSP TMS320F2812介绍 .............................................. (43) 实验平台结构及控制软件设计 .......................................................... (45) 实验结果及分析 .................................................................................. (49) 本章小结 .............................................................................................. (51)
4 基于DSP TMS320F2812的实验平台
5 全文总结
5.1 本文工作总结 ...................................................................................... (52) 5.2 工作展望 .............................................................................................. (53)
致谢 ............................................................................................................... (54) 参考文献 ....................................................................................................... (55) 附录 1（攻读硕士学位期间发表论文目录） .......................................... (60)
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1 绪 论
1.1电磁兼容问题概述
电磁兼容性的英文缩写是EMC（Electromagnetic Compatibility）。这一概念始于20世纪40年代，直到今天才发展为一门独立的新科学。电磁兼容是指电子、电气设备或系统的一种工作状态，在这种工作状态下，它们不会因为内部或彼此存在的电磁干扰而影响其正常工作。电磁兼容性则是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，按设计要求正常工作的能力，它是电子、电气设备或系统的一种重要的技术性能。
电磁兼容性包含两个方面的含义：第一，电子设备在所处的电磁环境中，能按原有设计要求正常工作。它们应具有一定的电磁敏感度，以保证他们对电磁干扰具有一定的抗扰度。第二，电子设备自己产生的电磁干扰不致对它所处的电磁环境造成严重的污染和影响其他设备的正常运行。
电磁兼容问题是伴随着电子技术的发展而产生的，人们在生产及生活中使用的电子、电气设备的数量越来越多，这些设备在工作的同时必然要发射一些有用或无用的电磁能量，它将影响其他设备的工作，从而形成电磁干扰。严格来说产生电磁干扰必须有三个因素同时存在：（1）电磁干扰源（2）对干扰敏感的接收装置（3）噪声的耦合途径。例如继电器通、断产生的瞬态电磁脉冲使计算机工作失常，飞机低空飞过住宅时，将干扰电视机和收音机的正常工作，电视机出现杂乱的画面，收音机出现讨厌的噪音。尤其在航天飞机，普通飞机及舰艇中，大量的电子设备密集在狭小的空间，相互间的电磁干扰非常严重，在战斗中由于飞机和军舰上防御电子系统、进攻电子系统的相互干扰不能同时兼容工作而出现事故的情形屡见不鲜。
客观事实使人们认识到电磁干扰的严重危害，为了保障电子系统和设备的正常工作必须研究、分析和预测干扰，限制人为干扰强度，研究抑制电磁干扰的有效技术手段，提高抗干扰能力，并进行合理的设计等，以使共同环境中的系统和设备都执行各自的正常功能。为了研究电磁兼容性，要求从电磁发射和电磁敏感性这两个不同的方
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面来看待干扰。因为电磁噪声是通过传导和辐射传播的，EMC的讨论可以进一步细化，如图1－1所示[1]-[6]。
电磁兼容EMC电磁发射电磁敏感度传导发射CE辐射发射SE传导敏感度CS辐射敏感度CS图1-1 电磁兼容性研究1.2 电力电子装置的电磁兼容问题
电力电子装置作为电源和控制设备，由于其进行电能转换时的高效率而在许多行业得到广泛的应用，如电力系统直流输电、无功补偿、有源滤波，交流电机变频调速，各种开关电源、医疗仪器等都要用到电力电子装置。2000年末，美国发电量40％以上是通过电力电子装置变换后再给负载使用的。高频技术的应用使电能转换，特别使电能的频率转换进入了更加自由的时代，从而使电力电子装置在节约电能、降低原材料消耗，提高系统可靠性等方面的优点得到了更加充分的体现。
随着功率场控器件的实用化和大容量化，使电力电子装置跨入高频化、大容量时代。电力电子装置的高频化大大减小了装置的体积和重量，但电力电子器件高速换流过程中产生前后沿很陡的脉冲（di/dt可达1kA/μs;dv/dt可达3kV/μs），从而引发了严重的电磁干扰。这些干扰通过传导和辐射两种方式，严重污染周围电磁环境和电源系统，甚至威胁到本身乃至与其相关的其他电子设备的正常工作
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1.3 电力电子装置共模传导EMI国内外研究现状
电力电子装置的电磁兼容问题正越来越引起国内外学者的关注，从目前发表的文献来看，电力电子装置电磁兼容的研究侧重于传导电磁干扰方面。很多学者从不同的方面对电力电子装置产生的共模传导EMI进行了研究，最早的研究从单开关的开关
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