IGBT逆變焊機(jī)電磁騷擾的抑制

1 引言

在 GB15579.10-2008 強(qiáng)制性國標(biāo)即將實(shí)施之際，如何改善逆變焊機(jī)的電磁兼容性（EMC） ，使之符合標(biāo)準(zhǔn)要求已成為各電焊機(jī)廠家關(guān)心的一個(gè)重大課題。

焊機(jī)的電磁兼容性測試包括發(fā)射、抗擾性試驗(yàn)兩方面的內(nèi)容。由于電焊機(jī)本身都具有較強(qiáng)的抗干擾能力，通過抗擾性試驗(yàn)一般問題都不大。IGBT 逆變焊機(jī)的逆變器大多采用了 PWM 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，焊機(jī)輸入整流器引起的電流畸變會(huì)產(chǎn)生諧波騷擾，IGBT 高速開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量耦合性噪聲，對與逆變焊機(jī)共處同一電源環(huán)境的其他的電子、電氣設(shè)備來說，逆變焊機(jī)是一個(gè)電磁干擾源，且長期以來未得到重視和采取有效措施加以改善，GB15579.10-2008 實(shí)施的目的之一就是要解決弧焊設(shè)備造成的電網(wǎng)污染問題。 通過我們的實(shí)踐證明， 沒有采取 EMC改造措施的 IGBT 逆變焊機(jī)要想通過發(fā)射試驗(yàn)是不可能的， 因此，最值得關(guān)注的是如何降低 IGBT 逆變焊機(jī)的電磁發(fā)射，使產(chǎn)品符合 GB15570.10 標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)）的要求，減少焊機(jī)對環(huán)境的電磁污染。

2 逆變焊機(jī)電磁騷擾的主要來源

采用金屬外殼的逆變焊機(jī)一般都能通過電磁輻射騷擾試驗(yàn)（見標(biāo)準(zhǔn) 6.3.3） ，而諧波電流發(fā)射（見標(biāo)準(zhǔn)6.3.4） 、電源端子騷擾電壓（見標(biāo)準(zhǔn) 6.3.2）測試超標(biāo)這兩個(gè)問題比較突出，我們只要明白了其產(chǎn)生的原因，針對各自產(chǎn)品的特點(diǎn)采取相應(yīng)措施，解決起來并不是太難。

2．1 輸入整流引起的低頻諧波騷擾

圖 1 是全橋 IGBT 逆變焊機(jī)主電路簡圖，由圖 1 可見，三相 380V電源進(jìn)入焊機(jī)首先要經(jīng)過三相整流橋QL1 整流和 C2 濾波，濾波電容器的等效容量一般在 50～1000μf 之間，在采用大電容器濾波的整流濾波電路中，整流二極管導(dǎo)通時(shí)間較短，濾波電容充電電流瞬時(shí)峰值大，電流波形為近似尖脈沖，使 50Hz 正弦電流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波電流。

圖 2 是 IGBT 逆變焊機(jī)的輸入相電流、電壓波形。由圖 2 可見，輸入電流已不再是正弦波，而是一種前后沿都比較陡峭的脈沖，由整流、濾波引起的電流波形畸變是 IGBT 逆變焊機(jī)的共性問題?；兊碾娏?、電壓高次諧波會(huì)沿電源電纜、供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾，由于頻率相對較低，其輻射水平并不會(huì)很高。

圖 3 是一臺(tái)無諧波抑制措施的 IGBT 逆變焊機(jī)輸出 315A電流時(shí)的輸入電流諧波頻譜， 諧波畸變率高達(dá)64％，大大超過了 GB15579.10-2008標(biāo)準(zhǔn)中表 B7諧波畸變率（THD）48％的限值，其 5 次、7 次諧波電流幅值過大是 THD 超標(biāo)的主要原因，11、13 次諧波電流符合標(biāo)準(zhǔn)限值要求。由此可見，低頻諧波幅值過大是 THD超標(biāo)的主要原因。同時(shí)，諧波畸變率高還會(huì)對 IGBT 逆變焊機(jī)的全功率因數(shù)產(chǎn)生不利影響。

2．2 由逆變器引起的高頻騷擾

大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的 IGBT 逆變焊機(jī)主電路采用了 20kHz 全橋或半橋逆變電路， 焊機(jī)的逆變器開關(guān)器件、快恢復(fù)整流管、主變壓器在運(yùn)行時(shí)均會(huì)產(chǎn)生頻率較高的電磁騷擾，高頻騷擾可通過線路和多種途徑耦合傳輸以外，以電磁場的形式向外輻射的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于低頻諧波騷擾，對使用金屬外殼的焊機(jī)而言，由于機(jī)殼的屏蔽作用，這些有害輻射的受害者往往是焊機(jī)本身，向外輻射一般只能通過輸入電纜、焊接電纜實(shí)現(xiàn)。 在 IGBT 逆變焊機(jī)中， IGBT 在很高的電壓下以高頻開關(guān)方式工作， 開關(guān)電壓、 電流均接近方波 （圖 4） 。由頻譜分析可知，方波含有豐富的高次諧波，其頻譜可達(dá)基波頻率的 1000 次以上，輻射能力大大提高。

圖4 IGBT開通、關(guān)斷的電壓、電流（軟開關(guān)） 肖介光等：IGBT逆變焊機(jī)電磁騷擾的抑制 同時(shí)，由于主變壓器的漏感及分布電容在 IGBT 開通、關(guān)斷時(shí)，常常產(chǎn)生高頻高壓尖峰震蕩，由此而產(chǎn)生的高次諧波可由多種途徑傳入內(nèi)部電路，也可通過散熱器及主變壓器等途經(jīng)向空間輻射。

用于次級(jí)整流的快恢復(fù)二極管也是產(chǎn)生高頻騷擾的一個(gè)重要原因，整流管工作于高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，由于二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在，以及反向恢復(fù)電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產(chǎn)生高頻震蕩。由次級(jí)整流快恢復(fù)二極管產(chǎn)生的高頻騷擾很容易通過焊機(jī)輸出端饋出。

3 低頻諧波騷擾的抑制

3．1 無源 LDC 濾波電路

無源濾波一般由電感、電容組成的 LC 濾波網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。為了解決 LC 濾波電路的潛在諧振問題，在輸入濾波電感上并聯(lián)一續(xù)流二極管 D1，可抑制 LC 振蕩的產(chǎn)生[1]，故稱之為 LDC 濾波電路。LDC 濾波電路由 L1、C1、D1 組成，電路結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。

在弧焊逆變電源中采用 LDC 濾波電路，可以抑制 LC 振蕩，降低直流線上的電壓紋波。同時(shí)通過優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，可以使弧焊逆變電源的功率因數(shù)提高到 95％，電流諧波畸變率低于 30％[2]，在諧波畸變率達(dá)標(biāo)的同時(shí)，還可使焊機(jī)的全功率因數(shù)得到提高。 無源濾波電路材料成本低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，容量大，適用于大部分逆變焊機(jī)，雖然其諧波濾除率一般第十五次全國焊接學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2010年7月2-8日，青海西寧 只有 80％，對基波的無功補(bǔ)償也是有限的，但通過 GB15579.10-2008 規(guī)定的電流諧波畸變率測試已卓卓有余，是目前解決 IGBT 逆變焊機(jī)諧波電流發(fā)射最簡單、有效的手段之一。

3．2 有源濾波器

有源濾波是依靠電力電子裝置，在檢測到系統(tǒng)諧波的同時(shí)產(chǎn)生一組和系統(tǒng)幅值相等，相位相反的諧波向量，這樣可以抵消掉系統(tǒng)諧波，使其成為正弦波形。有源濾波除了濾除諧波外，同時(shí)還可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功功率。目前，基于瞬時(shí)無功功率理論的數(shù)字化有源濾波器發(fā)展迅速，其性能已接近理想狀態(tài)。

有源濾波器原理如圖 8 所示。通過檢測電路對負(fù)載端（焊機(jī)主電路）的電壓、電流進(jìn)行檢測，然后送入控制電路進(jìn)行計(jì)算分析，輸出相應(yīng)的脈沖驅(qū)動(dòng) IGBT，產(chǎn)生與負(fù)載電流中的諧波電流大小相等方向相反的電流，從而達(dá)到補(bǔ)償負(fù)載電流中的諧波分量和無功功率的目的。逆變器工作時(shí)所需要的能量由儲(chǔ)能電路供給，該儲(chǔ)能電路是通過逆變器中的各個(gè) IGBT 的反并聯(lián)二極管進(jìn)行充電，同時(shí)又在 IGBT 開通時(shí)輸出能量，使諧波電流分量和無功功率得到補(bǔ)償。這樣，電網(wǎng)的輸入電流可實(shí)現(xiàn)為正弦波形。 有源濾波器動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，濾除諧波可達(dá)到 95％以上，補(bǔ)償無功細(xì)致。但有源濾波器由于電路復(fù)雜，材料成本高，運(yùn)行可靠性也不及無源濾波電路，對市場價(jià)格競爭異常激烈的 ZX7、NB 系列逆變焊機(jī)而言不太適用，但對需要作精細(xì)控制的數(shù)字化焊機(jī)而言，可能有源濾波才是其最佳選擇。

4 高頻騷擾的抑制

電源端子騷擾電壓測試頻段是 150kHz～30MHz，起測點(diǎn)頻率遠(yuǎn)高于諧波電流 7 次諧波的頻率，電源端子騷擾電壓測試頻段內(nèi)的 EMI（電磁干擾）主要來源于逆變器，我們只需把 150kHz～30MHz 范圍內(nèi)的噪聲抑制在一個(gè)合理的水平之下就可以了。 高頻騷擾主要產(chǎn)生于逆變焊機(jī)的逆變器、主變壓器、輸出整流電路，這也是高頻騷擾治理的主要部位，可采用減小騷擾源產(chǎn)生的騷擾信號(hào)和阻止騷擾信號(hào)的傳播等方法來加以治理。

4.1 采用軟開關(guān)逆變技術(shù)

采用IGBT軟開關(guān)電路的逆變焊機(jī)在國內(nèi)已經(jīng)很普遍，軟開關(guān)電路可以減小IGBT的di/dt和dv/dt，能在一定程度上減小高頻EMI電平。 但據(jù)一些研究結(jié)果表明，采用相同的主電路拓?fù)浜烷_關(guān)頻率，比較硬開關(guān)技術(shù)和零電壓軟開關(guān)技術(shù)的兩個(gè)變換器所產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI電平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，零電壓軟開關(guān)變換器的EMI能譜分布在低頻段甚至比硬開關(guān)變換器更大一些，只有在較高頻率才會(huì)得到比硬開關(guān)變換器稍低的EMI電平[3]。

雖然軟開關(guān)一般只能在高頻段使EMI電平降低幾個(gè)dBμV,但也是可用有效手段之一。

4.2 選擇適當(dāng)?shù)碾娐穮?shù)和功率器件

首先應(yīng)該對IGBT、FRD（快恢復(fù)二極管）或FRED（外延型快恢復(fù)二極管）吸收、保護(hù)電路的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，把IGBT、FRED關(guān)斷時(shí)的dv/dt、尖峰電壓限值在盡量低而合理的水平上，

為了取得良好的效果，吸收、保護(hù)電路的電阻應(yīng)為無感電阻，電容器應(yīng)采用凸波吸收電容器。 肖介光等：IGBT逆變焊機(jī)電磁騷擾的抑制 快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)造成的電磁騷擾還可以通過選擇恢復(fù)時(shí)間短、 恢復(fù)特性軟的器件獲得一些改善，

例如FRED就較一般的FRD在恢復(fù)時(shí)間、反向電壓等方面有一定的優(yōu)勢。圖9是一種國產(chǎn)FRED與進(jìn)口FRD反向恢復(fù)特性的比較，圖10是國產(chǎn)FRED與進(jìn)口FRD反向電壓波形比較。

4．3 制作工藝

減小主變壓器漏磁可以使電路中的尖峰電壓得到一定程度的抑制，在主變壓器的設(shè)計(jì)、制作時(shí)在初、次級(jí)繞組的繞制、出線方式上應(yīng)多加注意。

主電路各功率器件的擺放位置對電磁騷擾的產(chǎn)生也是有影響的，所以在設(shè)計(jì)定型前應(yīng)通過試驗(yàn)確定其合理的位置。

4．4 采用無源 EMI濾波器

要想讓逆變焊機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的電磁騷擾徹底消除是不可能的， 我們只要使焊機(jī)符合 GB15579.10 標(biāo)準(zhǔn)的要求就可以了，電源端子騷擾電壓的限值見表 1。IGBT 逆變焊機(jī)通過空載試驗(yàn)一般都沒有問題，焊機(jī)負(fù)載狀態(tài)（I1max≤100A）的騷擾電壓限值見表 1 的 A類。

EMI濾波器的主要作用就是要在 150kHz～30MHz 的頻段范圍獲得較高的插入損耗，而對頻率為 50Hz的工頻信號(hào)不產(chǎn)生衰減，使電源能順利進(jìn)入焊機(jī)。一個(gè)合理、有效的 EMI濾波器應(yīng)該對共模和差模干擾都有抑制作用。

在電源電纜上的干擾具有共模和差模電流分量，在IGBT逆變焊機(jī)中共模干擾是主要治理對象，圖11是一種共模、差模兼顧的三相EMI濾波器。C4～C9、L1主要用于共模干擾的濾出，L1的漏抗和C1～3用于差模干擾的濾出。

由于圖11中的L1漏感有限，遇到焊機(jī)的差模干擾大時(shí)，還可以采取改變差模電容接線位置，增加差模電感、電容等措施加以解決，圖11只是一個(gè)可供參考的實(shí)例。 第十五次全國焊接學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2010年7月2-8日，青海西寧 濾波電感的鐵芯通常采用環(huán)形軟磁鐵氧體，鐵氧體有多種材料，不同的材料具有不同的最佳抑制頻率范圍，且與磁導(dǎo)率有關(guān)，一般情況下，導(dǎo)率越高，適用抑制的頻率就越低，設(shè)計(jì)、試驗(yàn)時(shí)應(yīng)多加注意。鐵基納米晶鐵芯具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（1.25T）和高溫（居里溫度 570℃）下良好的磁穩(wěn)定性，也可用于濾波電感制作。

EMI濾波器中使用的電容器也是有一定講究的， 應(yīng)選用 CIS型抑制電磁干擾與電源網(wǎng)絡(luò)連接用電容器，以達(dá)到最佳濾波效果和盡量減小 EMI濾波器高頻諧振。

圖 12 是裝有 EMI 濾波器的 IGBT 逆變焊機(jī)原理簡圖。為了減少對相鄰設(shè)備的干擾和減少高頻電磁輻射對焊工健康的影響，在焊機(jī)輸出端也接了濾波器，其中 C4 用于輸出差模干擾的濾出，C5、C6 用于共模干擾濾出。

EMI濾波器應(yīng)安裝在焊機(jī)電源電纜入口處，并予以良好接地，否則難以達(dá)到預(yù)期效果。

圖 13 是電源端子騷擾電壓的對比測試圖，圖(a)是未加 EMI 濾波器測試的，圖(b)是同一臺(tái) IGBT 逆變焊機(jī)加裝 EMI 濾波器后測試的，無 EMI 濾波器時(shí)在低頻、中頻段均超標(biāo)，加上 EMI 濾波器后，低頻、中頻段傳導(dǎo)騷擾顯著降低，但在 5～8MHz 頻段出現(xiàn)諧振（不超標(biāo)） ，測試結(jié)果符合 GB15579.10-2008 的要求。

5 結(jié)論

無源 LDC 濾波電路成本低、運(yùn)行可靠，是降低 IGBT 逆變焊機(jī)諧波電流發(fā)射、提高全功率因數(shù)的有效手段之一。

通過對電路參數(shù)、 器件的調(diào)整和加裝無源 EMI濾波器， 可以降低 IGBT 逆變焊機(jī)的電源端子騷擾電壓。 強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB15579.10-2008《弧焊設(shè)備 第 10 部分：電磁兼容性(EMC)要求》將于 2009 年 12月 1 日開始實(shí)施，除了做好標(biāo)準(zhǔn)的宣貫、培訓(xùn)以外諧波分析儀、EMC 分析儀及其配套設(shè)備也是做好電焊機(jī) EMC 的基礎(chǔ)之一，期待實(shí)用、價(jià)廉的 EMC 測試儀器、設(shè)備問世，以利于電焊機(jī)廠家加快 EMC 改造步伐，為節(jié)能減排和電焊機(jī)的綠色制造增磚添瓦。