UPFC换流阀IGBT模块近场电磁骚扰分布特性研究

胡亚辉 张卫东 张 雷 齐 磊 康 伟

（1. 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206；2. 国网智能电网研究院，北京 102200）

2015年4月20日，国家电网公司“统一潮流控制器（UPFC）关键技术研究及核心装备研制”通过了中国电机工程学会组织的鉴定。该项目成功研发出适用于220kV电网的基于模块化多电平的统一潮流控制器换流阀及阀控样机，填补了我国统一潮流控制器技术的空白。该UPFC换流阀中大量使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）子模块来实现换流功能。换流流过程中，由于 IGBT周期性的开通与关断，电压与电流急剧变化，产生大量的电磁骚扰，可能会影响 IGBT驱动与保护电路的正常工作。因此有必要对换流阀内 IGBT所产生的电磁骚扰情况进行分析，为今后的研制生产过程提供参考。

目前国内关于换流阀系统的EMI研究主要侧重于阀塔或阀模块级[1-4]，对于换流阀内所使用的IGBT器件级的电磁骚扰特性研究较少。文献[5-7]分析了 IGBT工作时的电磁骚扰特性，但都限于传导骚扰。文献[8]对IGBT产生的电磁场进行了建模仿真，但没有提出可预测近场辐射特性的计算模型；仿真的激励电压为幅值1V的梯形脉冲，并非IGBT的实际工作电压。

针对换流阀中所使用的 Infineon公司的FF450R17ME4型IGBT模块，本文提出基于单环拓扑等效和镜像法原理相结合的计算模型来预测IGBT模块工作时所产生的电磁辐射。同时采用基于有限积分法的CST软件对IGBT模块的产生的电磁场进行仿真，结果证明了计算模型的有效性。

1 IGBT模块工作原理

1.1 IGBT开通过程

与其它半导体器件类似，IGBT的开通也需要经历一个过程。如图1所示，从IGBT驱动电压的前沿上升至其幅值的10%到集电极电流上升至其幅值的10%时刻，这段时间为IGBT的开通延迟时间[9]。而从10%上升到90%的过程，为IGBT的电流上升时间。随着电流的增大，IGBT集射电压开始下降。IGBT的开通延迟时间与电流上升时间及电压下降时间之和，定义为IGBT的开通时间。

图1 IGBT开关过程示意图

本文所用 IGBT为 1700V，饱和导通情况下最大允许通过电流为 400A，然而其开通时间只有约0.26（125℃环境下）。在20kHz的工作频率下，IGBT频繁导通与关断，电流迅速变化，激发出大量的电磁骚扰，成为换流阀内主要的电磁骚扰来源[10]。

1.2 IGBT关断过程

从驱动电压的脉冲后沿下降到其幅值的 90%起，到集射电压上升至其幅值的10%，这段时间为IGBT 的关断延迟时间。随后是集射电压 上升时间。集电极电流从90%下降至10%的时间为电流下降时间。关断延迟时间、电压上升时间和电流下降时间之和称为 IGBT的关断时间。电流的迅速减小会在 IGBT两端感应出反向的电动势，在与 IGBT反并联的二极管上产生反向恢复电流。由于反向恢复电流所产生的电磁骚扰频段较高、能量较小，属于远场范围，故本文不考虑其产生的电磁骚扰。

1.3 IGBT模块工作原理

换流阀中的 IGBT模块会根据需要，处于不同的工作状态，例如处于不同的电流变换电路、带不同性质的负载以及有不同的触发角等。从研究电磁辐射的角度，我们取其电磁辐射相对严重而又经常涉及的工作状态，即带电阻负载、有90°触发角的三相桥式全控整流电路中[11]。如图所示，IGBT模块含有六个 IGBT芯片，每个芯片与一个续流二极管反并联。上下两个 IGBT芯片串联在一起，串联后的 IGBT再与另外两对相并联，形成一个桥臂，三个IGBT模块可组成一个三相桥式全控整流电路。整个IGBT模块放置于厚45mm，面积约为IGBT底座面积二十倍左右的散热器上。该散热器为良导体，接地良好。

图2 IGBT模块实物图

如图3所示，上面三个IGBT称为共阴极组，下面三个由于集电极连在一起，被称为共阳极组。当处于整流电路状态时，六个IGBT按照图3中序号所示，VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6依次导通，在任一时刻都由一个共阴极组 IGBT和一个共阳极组IGBT组成通流回路。

图3 三相桥式全控整流电路

2 IGBT模块近场计算模型

电力电子装置工作时所产生的近场问题情况比较复杂，准确计算是非常困难的。目前的研究文献大多对源进行了简化。本文根据 IGBT模块的实际工作特性，将模块下方面积较大、导电性能较好、接地良好的散热器等效为理想地，结合镜像法和文献[12]所建立的单环拓扑结构模型，提出一种新的近场计算方法。

2.1 单环拓扑结构模型

文献[12]以 BUCK变换器为原型，结合偶极子天线模型，建立了BUCK变换器主电路单环拓扑结构模型。如图4所示。并根据麦克斯韦方程，给出了周围电磁场的计算公式

图4 BUCK变换器的单环模型

由于IGBT的开通过程和MOSFET很相似，且在任意时刻都只有一个通流回路，回路情况与BUCK变换器情况相似，所以在研究本IGBT模块近场问题时，可以参考文献[12]所建立的模型。

2.2 镜像法

镜像法是根据唯一性定理，在不改变所求区域介质和边界条件的情况下通过虚设场源来简化求解问题的一种等效源法。镜像法被广泛用于稳恒电磁场中。但对于电偶极子和磁偶极子问题，镜像法依然有效[13]。

如图5所示，假设在无限导体平面上方有一个电偶极子，其中心点坐标是M(x,y,z)。当求解导体上方空间的场时可以将导体的影响等效为一个反置的镜像电偶极子，其中心点坐标是M`（x,y, -z）。

图5 镜像法

2.3 IGBT模块计算模型

由于文献[12]所建立的单环拓扑结构模型是依据偶极子等效原理，并且BUCK电路中电流皆是水平流向，所以该模型可以依据镜像法来定义镜像模型。我们可以将面积较大接地良好的散热器视为理想导体平面，则模块上方的电磁场就是单环模型及其镜像模型共同作用的结果，如图6所示。

图6 单环及其镜像模型

IGBT模块底座厚约 6mm。原模型是根据坐标原点在回路中心设立的，所以我们可以视为将原回路沿z坐标正向平移s，s等于6mm，则原方程中所有z变量均改为。镜像模型与原模型关于xy平面对称，故原方程中所有z变量可改为。将两个方程相叠加就可以得到一个最终预测 IGBT模块近场电磁场数值的计算方程。

3 IGBT模块的电磁仿真

本文采用基于有限元积分法的CST软件，在微波工作室环境下，使用时域求解器对 IGBT模块产生的电磁场进行仿真。

3.1 仿真模型的建立

导通后的IGBT芯片压降较小，可视为良导体，由其构成的通流回路视为由 PEC（Perfect Electric Conductor）连接成的回路。由方程组（1）可知，矩形回路的长边L越长，F越大，结果产生的磁场就越大，所以本文取可构成回路面积较大的两个IGBT为导通状态，另外四个IGBT处于关断状态，电导率极小，可忽略其影响。由此可建立如图7所示的结构模型。

由于 IGBT模块工作时存在较高的电压、电流过冲，为保证不损坏，通常器件只工作在电压电流额定值的一半[14]，所以本文对激励源设置为幅值为200A的电流源。为在保证仿真精确度的情况下，缩短仿真时间，将激励波形设置为上升和下降沿均为40ns，总持续时间为 300ns的梯形波。激励源信号如图8所示。将仿真边界条件定义为辐射边界，即相当于整个模型被嵌入在一个理想的开阔空间场里，仿真频率设定为 0～1GHz。在模块正上方距IGBT芯片30mm处设置电场和磁场探头。

图7 IGBT模块仿真模型

图8 激励源波形

3.2 仿真结果及分析

1）电场仿真

通过施加的近场探头可得到如图9所示电场仿真结果。

图9 电场仿真结果图

由时域图可知，在 IGBT开通阶段，模块可激发出幅值为40V/m左右的电场，部分尖峰脉冲甚至可以高达100V/m；随着电流趋于平稳，电场幅值开始回落，当电流开始下降时，电场幅值再次大幅增加；电流斜率出现变化处，产生的电场幅值最大，最易对外界产生干扰。

由频域图可知IGBT模块产生的电场频带较宽，其中20MHz以下频率，幅值较大。而此频段波长超过 1.5m，IGBT模块的驱动电路和控制电路属于此频带的近场范围内，容易受到干扰。在 850～900MHz频段，信号幅值较大，可能会对模块周边无线通信产生影响。

2）磁场仿真

磁场仿真结果如图10所示。

图10 磁场仿真结果图

由于磁场直接与电流相关，在简化仿真模型的情况下，磁场波形走向与所见的电流激励源相似。磁场的频域干扰也以 20MHz以下和 850～900MHz为主。

3）电场骚扰的方向差异

图11显示了在模块中心正上方30mm处，不同方向的电场时域分布图。

图11 探针位置不同方向电场时域图

各方向轴与模型的关系可由图7（b）得到。可以看出，在电场不同方向，电场幅值差异明显。Z轴方向上的电场强度最大，幅值最高可达到同时间点x轴方向的10倍。由于z轴方向，恰恰是模块上方控制电路元件的主要放置方向，所以 IGBT模块工作时对控制、驱动电路的影响扔不可忽视，还需要做进一步的研究。

4）理论计算与仿真数据的对比

取源激励的上升阶段，将电流变化率、模型长宽、所求点坐标等代入方程组（1），可求得Ex≈1.736V/m。同时间段x轴电场仿真结果，其幅值主要以2.4V/m为主。考虑到建模的精确度问题，计算模型依然体现了较高的准确性，可用于预测 IGBT模块近场大概的辐射强度。

4 结论

本文以Infineon公司的FF450R17ME4型IGBT模块为研究对象，提出了一种综合单环拓扑模型和镜像法的一种预测模块近场骚扰的新的计算方法。通过CST软件建立了模块的模型并对模块的近场电磁骚扰进行了仿真。仿真结果与计算数值接近，证明提出的计算方法可以用来预测 IGBT模块近场骚扰情况。

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