近年來，能源危機(jī)不斷加劇，太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、微電網(wǎng)以及新能源電動汽車等技術(shù)得到越來越多的關(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。

隨著半導(dǎo)體材料的開發(fā)和發(fā)展，應(yīng)用于逆變器的電力開關(guān)管的開關(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。這些高頻開關(guān)器件可以大幅度提高逆變器工作時的開關(guān)頻率，減小無源諧波濾波器的體積和重量。但與此同時，電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）問題也變得越來越突出。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)，逆變器開關(guān)管在快速開通與關(guān)斷的過程中產(chǎn)生的電壓突變與對地寄生電容發(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。差模干擾對應(yīng)的頻段相對較低，比較容易解決。

圖1 SiC MOSFET 單相逆變器結(jié)構(gòu)

近年來，學(xué)者們對逆變器系統(tǒng)中電磁干擾問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，而且對減少差模干擾的作用較大，對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)算來減小逆變器的共模電壓，但每個周期需要進(jìn)行多次優(yōu)化運(yùn)算，且存在大量的兩個橋臂和三個橋臂同時換相的工作狀態(tài)，導(dǎo)致其開關(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，但都是通過增加橋臂或開關(guān)管的數(shù)量來達(dá)到電路平衡，進(jìn)而減小共模電壓。這種方法會大幅度增加系統(tǒng)設(shè)計的成本，不適合工程應(yīng)用。
• 有學(xué)者提出了EMI有源濾波方案，這種方案對信號采集模塊的硬件要求很高，設(shè)計起來相對比較復(fù)雜，另外有源濾波方法的高頻濾波效果會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源濾波器，這種方法不僅成本低，而且較容易實現(xiàn)。
• 有學(xué)者對無源EMI濾波器的設(shè)計做了精確的建模和分析，并在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上對濾波器元件的阻抗特性進(jìn)行了分析，但沒有考慮到噪聲源阻抗的影響，設(shè)計方法的針對性不強(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，但是沒有考慮噪聲源阻抗和濾波器無源器件的高頻特性，從而存在一定的誤差。
• 有學(xué)者對噪聲源阻抗的修正做了詳細(xì)研究，但沒考慮測試元件和濾波器無源器件的高頻阻抗特性，只是在理想范圍內(nèi)提高了測試的準(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，分別對逆變器系統(tǒng)的共模和差模干擾路徑做了建模，通過分析和推導(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)而通過單電感和單電容法分別對共模和差模噪聲源阻抗的等效值進(jìn)行了檢測和計算，并通過阻抗分析儀得到了檢測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EMI濾波器為設(shè)計對象，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。

最后在仿真和實驗中將本文所提出的方法與傳統(tǒng)的方法進(jìn)行了對比，實驗結(jié)果驗證了考慮噪聲源阻抗進(jìn)行EMI濾波器設(shè)計方法的有效性。

圖16 高效濾波器實物

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)。通過單電感-單電容測試實驗對共模和差模噪聲源阻抗的頻率作了分析和計算。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。

本文還通過高頻阻抗分析儀對濾波器進(jìn)行了阻抗特性分析，以保證設(shè)計的有效性。通過仿真和實驗對本文提出的高效濾波器設(shè)計方法和傳統(tǒng)的方法做了對比分析，測試結(jié)果驗證了這種方法的有效性。