胡亞輝 張衛(wèi)東 張 雷 齊 磊 康 偉

（1. 華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；2. 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102200）

2015年4月20日，國家電網(wǎng)公司“統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）關(guān)鍵技術(shù)研究及核心裝備研制”通過了中國電機工程學(xué)會組織的鑒定。該項目成功研發(fā)出適用于220kV電網(wǎng)的基于模塊化多電平的統(tǒng)一潮流控制器換流閥及閥控樣機，填補了我國統(tǒng)一潮流控制器技術(shù)的空白。該UPFC換流閥中大量使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）子模塊來實現(xiàn)換流功能。換流流過程中，由于 IGBT周期性的開通與關(guān)斷，電壓與電流急劇變化，產(chǎn)生大量的電磁騷擾，可能會影響 IGBT驅(qū)動與保護電路的正常工作。因此有必要對換流閥內(nèi) IGBT所產(chǎn)生的電磁騷擾情況進行分析，為今后的研制生產(chǎn)過程提供參考。

目前國內(nèi)關(guān)于換流閥系統(tǒng)的EMI研究主要側(cè)重于閥塔或閥模塊級[1-4]，對于換流閥內(nèi)所使用的IGBT器件級的電磁騷擾特性研究較少。文獻[5-7]分析了 IGBT工作時的電磁騷擾特性，但都限于傳導(dǎo)騷擾。文獻[8]對IGBT產(chǎn)生的電磁場進行了建模仿真，但沒有提出可預(yù)測近場輻射特性的計算模型；仿真的激勵電壓為幅值1V的梯形脈沖，并非IGBT的實際工作電壓。

針對換流閥中所使用的 Infineon公司的FF450R17ME4型IGBT模塊，本文提出基于單環(huán)拓撲等效和鏡像法原理相結(jié)合的計算模型來預(yù)測IGBT模塊工作時所產(chǎn)生的電磁輻射。同時采用基于有限積分法的CST軟件對IGBT模塊的產(chǎn)生的電磁場進行仿真，結(jié)果證明了計算模型的有效性。

1 IGBT模塊工作原理

1.1 IGBT開通過程

與其它半導(dǎo)體器件類似，IGBT的開通也需要經(jīng)歷一個過程。如圖1所示，從IGBT驅(qū)動電壓的前沿上升至其幅值的10%到集電極電流上升至其幅值的10%時刻，這段時間為IGBT的開通延遲時間[9]。而從10%上升到90%的過程，為IGBT的電流上升時間。隨著電流的增大，IGBT集射電壓開始下降。IGBT的開通延遲時間與電流上升時間及電壓下降時間之和，定義為IGBT的開通時間。

圖1 IGBT開關(guān)過程示意圖

本文所用 IGBT為 1700V，飽和導(dǎo)通情況下最大允許通過電流為 400A，然而其開通時間只有約0.26（125℃環(huán)境下）。在20kHz的工作頻率下，IGBT頻繁導(dǎo)通與關(guān)斷，電流迅速變化，激發(fā)出大量的電磁騷擾，成為換流閥內(nèi)主要的電磁騷擾來源[10]。

1.2 IGBT關(guān)斷過程

從驅(qū)動電壓的脈沖后沿下降到其幅值的 90%起，到集射電壓上升至其幅值的10%，這段時間為IGBT 的關(guān)斷延遲時間。隨后是集射電壓 上升時間。集電極電流從90%下降至10%的時間為電流下降時間。關(guān)斷延遲時間、電壓上升時間和電流下降時間之和稱為 IGBT的關(guān)斷時間。電流的迅速減小會在 IGBT兩端感應(yīng)出反向的電動勢，在與 IGBT反并聯(lián)的二極管上產(chǎn)生反向恢復(fù)電流。由于反向恢復(fù)電流所產(chǎn)生的電磁騷擾頻段較高、能量較小，屬于遠場范圍，故本文不考慮其產(chǎn)生的電磁騷擾。

1.3 IGBT模塊工作原理

換流閥中的 IGBT模塊會根據(jù)需要，處于不同的工作狀態(tài)，例如處于不同的電流變換電路、帶不同性質(zhì)的負載以及有不同的觸發(fā)角等。從研究電磁輻射的角度，我們?nèi)∑潆姶泡椛湎鄬?yán)重而又經(jīng)常涉及的工作狀態(tài)，即帶電阻負載、有90°觸發(fā)角的三相橋式全控整流電路中[11]。如圖所示，IGBT模塊含有六個 IGBT芯片，每個芯片與一個續(xù)流二極管反并聯(lián)。上下兩個 IGBT芯片串聯(lián)在一起，串聯(lián)后的 IGBT再與另外兩對相并聯(lián)，形成一個橋臂，三個IGBT模塊可組成一個三相橋式全控整流電路。整個IGBT模塊放置于厚45mm，面積約為IGBT底座面積二十倍左右的散熱器上。該散熱器為良導(dǎo)體，接地良好。

圖2 IGBT模塊實物圖

如圖3所示，上面三個IGBT稱為共陰極組，下面三個由于集電極連在一起，被稱為共陽極組。當(dāng)處于整流電路狀態(tài)時，六個IGBT按照圖3中序號所示，VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6依次導(dǎo)通，在任一時刻都由一個共陰極組 IGBT和一個共陽極組IGBT組成通流回路。

圖3 三相橋式全控整流電路

2 IGBT模塊近場計算模型

電力電子裝置工作時所產(chǎn)生的近場問題情況比較復(fù)雜，準(zhǔn)確計算是非常困難的。目前的研究文獻大多對源進行了簡化。本文根據(jù) IGBT模塊的實際工作特性，將模塊下方面積較大、導(dǎo)電性能較好、接地良好的散熱器等效為理想地，結(jié)合鏡像法和文獻[12]所建立的單環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)模型，提出一種新的近場計算方法。

2.1 單環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)模型

文獻[12]以 BUCK變換器為原型，結(jié)合偶極子天線模型，建立了BUCK變換器主電路單環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)模型。如圖4所示。并根據(jù)麥克斯韋方程，給出了周圍電磁場的計算公式

圖4 BUCK變換器的單環(huán)模型

由于IGBT的開通過程和MOSFET很相似，且在任意時刻都只有一個通流回路，回路情況與BUCK變換器情況相似，所以在研究本IGBT模塊近場問題時，可以參考文獻[12]所建立的模型。

2.2 鏡像法

鏡像法是根據(jù)唯一性定理，在不改變所求區(qū)域介質(zhì)和邊界條件的情況下通過虛設(shè)場源來簡化求解問題的一種等效源法。鏡像法被廣泛用于穩(wěn)恒電磁場中。但對于電偶極子和磁偶極子問題，鏡像法依然有效[13]。

如圖5所示，假設(shè)在無限導(dǎo)體平面上方有一個電偶極子，其中心點坐標(biāo)是M(x,y,z)。當(dāng)求解導(dǎo)體上方空間的場時可以將導(dǎo)體的影響等效為一個反置的鏡像電偶極子，其中心點坐標(biāo)是M`（x,y, -z）。

圖5 鏡像法

2.3 IGBT模塊計算模型

由于文獻[12]所建立的單環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)模型是依據(jù)偶極子等效原理，并且BUCK電路中電流皆是水平流向，所以該模型可以依據(jù)鏡像法來定義鏡像模型。我們可以將面積較大接地良好的散熱器視為理想導(dǎo)體平面，則模塊上方的電磁場就是單環(huán)模型及其鏡像模型共同作用的結(jié)果，如圖6所示。

圖6 單環(huán)及其鏡像模型

IGBT模塊底座厚約 6mm。原模型是根據(jù)坐標(biāo)原點在回路中心設(shè)立的，所以我們可以視為將原回路沿z坐標(biāo)正向平移s，s等于6mm，則原方程中所有z變量均改為。鏡像模型與原模型關(guān)于xy平面對稱，故原方程中所有z變量可改為。將兩個方程相疊加就可以得到一個最終預(yù)測 IGBT模塊近場電磁場數(shù)值的計算方程。

3 IGBT模塊的電磁仿真

本文采用基于有限元積分法的CST軟件，在微波工作室環(huán)境下，使用時域求解器對 IGBT模塊產(chǎn)生的電磁場進行仿真。

3.1 仿真模型的建立

導(dǎo)通后的IGBT芯片壓降較小，可視為良導(dǎo)體，由其構(gòu)成的通流回路視為由 PEC（Perfect Electric Conductor）連接成的回路。由方程組（1）可知，矩形回路的長邊L越長，F(xiàn)越大，結(jié)果產(chǎn)生的磁場就越大，所以本文取可構(gòu)成回路面積較大的兩個IGBT為導(dǎo)通狀態(tài)，另外四個IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，電導(dǎo)率極小，可忽略其影響。由此可建立如圖7所示的結(jié)構(gòu)模型。

由于 IGBT模塊工作時存在較高的電壓、電流過沖，為保證不損壞，通常器件只工作在電壓電流額定值的一半[14]，所以本文對激勵源設(shè)置為幅值為200A的電流源。為在保證仿真精確度的情況下，縮短仿真時間，將激勵波形設(shè)置為上升和下降沿均為40ns，總持續(xù)時間為 300ns的梯形波。激勵源信號如圖8所示。將仿真邊界條件定義為輻射邊界，即相當(dāng)于整個模型被嵌入在一個理想的開闊空間場里，仿真頻率設(shè)定為 0～1GHz。在模塊正上方距IGBT芯片30mm處設(shè)置電場和磁場探頭。

圖7 IGBT模塊仿真模型

圖8 激勵源波形

3.2 仿真結(jié)果及分析

1）電場仿真

通過施加的近場探頭可得到如圖9所示電場仿真結(jié)果。

圖9 電場仿真結(jié)果圖

由時域圖可知，在 IGBT開通階段，模塊可激發(fā)出幅值為40V/m左右的電場，部分尖峰脈沖甚至可以高達100V/m；隨著電流趨于平穩(wěn)，電場幅值開始回落，當(dāng)電流開始下降時，電場幅值再次大幅增加；電流斜率出現(xiàn)變化處，產(chǎn)生的電場幅值最大，最易對外界產(chǎn)生干擾。

由頻域圖可知IGBT模塊產(chǎn)生的電場頻帶較寬，其中20MHz以下頻率，幅值較大。而此頻段波長超過 1.5m，IGBT模塊的驅(qū)動電路和控制電路屬于此頻帶的近場范圍內(nèi)，容易受到干擾。在 850～900MHz頻段，信號幅值較大，可能會對模塊周邊無線通信產(chǎn)生影響。

2）磁場仿真

磁場仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 磁場仿真結(jié)果圖

由于磁場直接與電流相關(guān)，在簡化仿真模型的情況下，磁場波形走向與所見的電流激勵源相似。磁場的頻域干擾也以 20MHz以下和 850～900MHz為主。

3）電場騷擾的方向差異

圖11顯示了在模塊中心正上方30mm處，不同方向的電場時域分布圖。

圖11 探針位置不同方向電場時域圖

各方向軸與模型的關(guān)系可由圖7（b）得到?？梢钥闯?，在電場不同方向，電場幅值差異明顯。Z軸方向上的電場強度最大，幅值最高可達到同時間點x軸方向的10倍。由于z軸方向，恰恰是模塊上方控制電路元件的主要放置方向，所以 IGBT模塊工作時對控制、驅(qū)動電路的影響扔不可忽視，還需要做進一步的研究。

4）理論計算與仿真數(shù)據(jù)的對比

取源激勵的上升階段，將電流變化率、模型長寬、所求點坐標(biāo)等代入方程組（1），可求得Ex≈1.736V/m。同時間段x軸電場仿真結(jié)果，其幅值主要以2.4V/m為主?？紤]到建模的精確度問題，計算模型依然體現(xiàn)了較高的準(zhǔn)確性，可用于預(yù)測 IGBT模塊近場大概的輻射強度。

4 結(jié)論

本文以Infineon公司的FF450R17ME4型IGBT模塊為研究對象，提出了一種綜合單環(huán)拓撲模型和鏡像法的一種預(yù)測模塊近場騷擾的新的計算方法。通過CST軟件建立了模塊的模型并對模塊的近場電磁騷擾進行了仿真。仿真結(jié)果與計算數(shù)值接近，證明提出的計算方法可以用來預(yù)測 IGBT模塊近場騷擾情況。

[1] 趙志斌, 崔翔, 王琦. 換流站閥廳電磁騷擾強度的計算分析. 高電壓技術(shù)[J]. 2010, 36(3): 643-648.

[2] 齊磊, 李超, 王星星, 等. 柔性高壓直流輸電系統(tǒng)換流閥塔交流電場仿真計算[J]. 高電壓技術(shù), 2014,40(11): 3537-3543.

[3] 馬為民, 聶定珍, 萬保權(quán), 等. 高壓直流換流站閥廳屏蔽效能的研究[J]. 高電壓技術(shù), 2008, 34(11):2400-2407.

[4] 張衛(wèi)東, 萬潛, 趙東來, 等. 柔性直流輸電系統(tǒng)換流閥無線電干擾特性仿真分析[J]. 高電壓技術(shù), 2014,40(6): 1650-1657.

[5] 孟進, 馬偉明, 張磊, 等. 基于 IGBT開關(guān)暫態(tài)過程建模的功率變流器電磁干擾頻譜估計[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2005, 25(20): 16-20.

[6] 肖芳, 孫力. 功率變換器IGBT開關(guān)模塊的傳導(dǎo)電磁干擾預(yù)測[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2012, 32(33):157-164.

[7] Heldwein M L, Nussbaumer T, Kolar J W.Commonmodemodelling and filter design for a three-phase buck-type pulse width modulated rectifier system[J]. IET Power Electronics, 2010, 3(2):209-218.

[8] 劉奕, 張衛(wèi)東, 崔翔. 絕緣柵雙極型晶體管的電磁騷擾分布特性研究[Z]. 2012.

[9] 王兆安, 劉進軍. 電力電子技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2009.

[10] 肖芳, 孫力. 功率變換器多開關(guān)狀態(tài)下的傳導(dǎo)電磁干擾預(yù)測[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2013, 33(3):176-187.

[11] 馬偉明, 涂昌期. AC/DC變流裝置產(chǎn)生的電磁干擾分析[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報, 2003(3): 1-4.

[12] Youssef M, Roudet J, Marechal Y. Near-field characterisation of power electronics circuits for radiation prediction. PECS＇97 Record, 28th Annual IEEE USA: 1997(2): 1529-1534.

[13] Jackson, John David. Classical Electrodynamics[M].John Wiley & Sons, Inc. 1962: 76-79.

[14] 鄒凱凱. 高壓 IGBT模塊動態(tài)特性測試與建模[D].北京: 華北電力大學(xué), 2015.