近年來(lái)，能源危機(jī)不斷加劇，太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、微電網(wǎng)以及新能源電動(dòng)汽車(chē)等技術(shù)得到越來(lái)越多的關(guān)注。逆變器作為新能源并網(wǎng)發(fā)電的重要能量轉(zhuǎn)換裝置，其系統(tǒng)性能的優(yōu)化與控制一直是人們研究的熱點(diǎn)。

隨著半導(dǎo)體材料的開(kāi)發(fā)和發(fā)展，應(yīng)用于逆變器的電力開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)數(shù)十kHz乃至數(shù)百kHz, 如基于SiC和GaN的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件。這些高頻開(kāi)關(guān)器件可以大幅度提高逆變器工作時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率，減小無(wú)源諧波濾波器的體積和重量。但與此同時(shí)，電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）問(wèn)題也變得越來(lái)越突出。逆變器系統(tǒng)中的電磁干擾主要是以干擾電流的方式流通于系統(tǒng)中，干擾電流存在的形式分為共模（Common Mode, CM）和差模（Differential Mode,DM）兩種。

圖1所示為單相逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，逆變器開(kāi)關(guān)管在快速開(kāi)通與關(guān)斷的過(guò)程中產(chǎn)生的電壓突變與對(duì)地寄生電容發(fā)生耦合，產(chǎn)生高頻干擾電流，這些干擾電流通過(guò)地線、被干擾設(shè)備以及相線構(gòu)成共模干擾回路。共模干擾是逆變系統(tǒng)中的主要干擾，另一方面，由控制脈沖電壓產(chǎn)生的差模干擾則是在相線之間構(gòu)成回路。差模干擾對(duì)應(yīng)的頻段相對(duì)較低，比較容易解決。

圖1 SiC MOSFET 單相逆變器結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)逆變器系統(tǒng)中電磁干擾問(wèn)題提出了不同的解決方案。

• 有學(xué)者提出了一些改進(jìn)PWM調(diào)制方法或逆變器控制方法的EMI抑制思路，這些方法的EMI抑制效果往往達(dá)不到電磁干擾的限制要求，而且對(duì)減少差模干擾的作用較大，對(duì)共模干擾的抑制效果不是很好，整體上可以起到輔助作用。
• 有學(xué)者通過(guò)選擇共模電壓較小的非零電壓矢量進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算來(lái)減小逆變器的共模電壓，但每個(gè)周期需要進(jìn)行多次優(yōu)化運(yùn)算，且存在大量的兩個(gè)橋臂和三個(gè)橋臂同時(shí)換相的工作狀態(tài)，導(dǎo)致其開(kāi)關(guān)損耗較大，進(jìn)而降低系統(tǒng)效率。
• 有學(xué)者提出了一些改進(jìn)逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方案，但都是通過(guò)增加橋臂或開(kāi)關(guān)管的數(shù)量來(lái)達(dá)到電路平衡，進(jìn)而減小共模電壓。這種方法會(huì)大幅度增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本，不適合工程應(yīng)用。
• 有學(xué)者提出了EMI有源濾波方案，這種方案對(duì)信號(hào)采集模塊的硬件要求很高，設(shè)計(jì)起來(lái)相對(duì)比較復(fù)雜，另外有源濾波方法的高頻濾波效果會(huì)因電流互感器等器件的寄生參數(shù)而受到消極影響。因此，現(xiàn)在工程上使用最多的還是無(wú)源濾波器，這種方法不僅成本低，而且較容易實(shí)現(xiàn)。
• 有學(xué)者對(duì)無(wú)源EMI濾波器的設(shè)計(jì)做了精確的建模和分析，并在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上對(duì)濾波器元件的阻抗特性進(jìn)行了分析，但沒(méi)有考慮到噪聲源阻抗的影響，設(shè)計(jì)方法的針對(duì)性不強(qiáng)。
• 有學(xué)者使用更加精確的干擾回路模型進(jìn)行EMI濾波器的設(shè)計(jì)，但是沒(méi)有考慮噪聲源阻抗和濾波器無(wú)源器件的高頻特性，從而存在一定的誤差。
• 有學(xué)者對(duì)噪聲源阻抗的修正做了詳細(xì)研究，但沒(méi)考慮測(cè)試元件和濾波器無(wú)源器件的高頻阻抗特性，只是在理想范圍內(nèi)提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性，具有一定的局限性。

本文以SiC單相電壓源型逆變器（Voltage Source Inverter, VSI）為例，分別對(duì)逆變器系統(tǒng)的共模和差模干擾路徑做了建模，通過(guò)分析和推導(dǎo)得到插入共模電感和差模電容前后電磁干擾之間的關(guān)系式，進(jìn)而通過(guò)單電感和單電容法分別對(duì)共模和差模噪聲源阻抗的等效值進(jìn)行了檢測(cè)和計(jì)算，并通過(guò)阻抗分析儀得到了檢測(cè)元件的精確阻抗曲線，使用此方法得到的噪聲源阻抗值更加準(zhǔn)確。

接著以單級(jí)EMI濾波器為設(shè)計(jì)對(duì)象，根據(jù)所得到的噪聲源阻抗數(shù)據(jù)和EMI衰減需求量進(jìn)行濾波器的阻抗需求分析，進(jìn)而進(jìn)行EMI濾波器的設(shè)計(jì)。

最后在仿真和實(shí)驗(yàn)中將本文所提出的方法與傳統(tǒng)的方法進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了考慮噪聲源阻抗進(jìn)行EMI濾波器設(shè)計(jì)方法的有效性。

圖16 高效濾波器實(shí)物

結(jié)論

本文以SiC MOSFET單相逆變器的EMI抑制為基礎(chǔ)提出了一種基于噪聲源阻抗提取的EMI濾波器設(shè)計(jì)方法。分別建立共模和差模噪聲源阻抗與濾波器相應(yīng)參數(shù)之間的關(guān)系作為噪聲源阻抗提取的理論依據(jù)。通過(guò)單電感-單電容測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)共模和差模噪聲源阻抗的頻率作了分析和計(jì)算。根據(jù)提取的噪聲源阻抗的數(shù)據(jù)和共、差模濾波器的精確等效模型對(duì)EMI濾波器的阻抗需求進(jìn)行了分析，并以此進(jìn)行EMI濾波器的設(shè)計(jì)。

本文還通過(guò)高頻阻抗分析儀對(duì)濾波器進(jìn)行了阻抗特性分析，以保證設(shè)計(jì)的有效性。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)本文提出的高效濾波器設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)的方法做了對(duì)比分析，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了這種方法的有效性。