IGBT逆變焊機電磁騷擾的抑制

1 引言

在 GB15579.10-2008 強制性國標即將實施之際，如何改善逆變焊機的電磁兼容性（EMC） ，使之符合標準要求已成為各電焊機廠家關心的一個重大課題。

焊機的電磁兼容性測試包括發(fā)射、抗擾性試驗兩方面的內(nèi)容。由于電焊機本身都具有較強的抗干擾能力，通過抗擾性試驗一般問題都不大。IGBT 逆變焊機的逆變器大多采用了 PWM 脈沖寬度調(diào)制技術，焊機輸入整流器引起的電流畸變會產(chǎn)生諧波騷擾，IGBT 高速開關時會產(chǎn)生大量耦合性噪聲，對與逆變焊機共處同一電源環(huán)境的其他的電子、電氣設備來說，逆變焊機是一個電磁干擾源，且長期以來未得到重視和采取有效措施加以改善，GB15579.10-2008 實施的目的之一就是要解決弧焊設備造成的電網(wǎng)污染問題。 通過我們的實踐證明， 沒有采取 EMC改造措施的 IGBT 逆變焊機要想通過發(fā)射試驗是不可能的， 因此，最值得關注的是如何降低 IGBT 逆變焊機的電磁發(fā)射，使產(chǎn)品符合 GB15570.10 標準（以下簡稱標準）的要求，減少焊機對環(huán)境的電磁污染。

2 逆變焊機電磁騷擾的主要來源

采用金屬外殼的逆變焊機一般都能通過電磁輻射騷擾試驗（見標準 6.3.3） ，而諧波電流發(fā)射（見標準6.3.4） 、電源端子騷擾電壓（見標準 6.3.2）測試超標這兩個問題比較突出，我們只要明白了其產(chǎn)生的原因，針對各自產(chǎn)品的特點采取相應措施，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 逆變焊機主電路簡圖，由圖 1 可見，三相 380V電源進入焊機首先要經(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，整流二極管導通時間較短，濾波電容充電電流瞬時峰值大，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 逆變焊機的共性問題?；兊碾娏鳌㈦妷焊叽沃C波會沿電源電纜、供電網(wǎng)絡產(chǎn)生傳導騷擾和輻射騷擾，由于頻率相對較低，其輻射水平并不會很高。

圖 3 是一臺無諧波抑制措施的 IGBT 逆變焊機輸出 315A電流時的輸入電流諧波頻譜， 諧波畸變率高達64％，大大超過了 GB15579.10-2008標準中表 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 超標的主要原因，11、13 次諧波電流符合標準限值要求。由此可見，低頻諧波幅值過大是 THD超標的主要原因。同時，諧波畸變率高還會對 IGBT 逆變焊機的全功率因數(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)應用的 IGBT 逆變焊機主電路采用了 20kHz 全橋或半橋逆變電路， 焊機的逆變器開關器件、快恢復整流管、主變壓器在運行時均會產(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度遠大于低頻諧波騷擾，對使用金屬外殼的焊機而言，由于機殼的屏蔽作用，這些有害輻射的受害者往往是焊機本身，向外輻射一般只能通過輸入電纜、焊接電纜實現(xiàn)。 在 IGBT 逆變焊機中， IGBT 在很高的電壓下以高頻開關方式工作， 開關電壓、 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，其頻譜可達基波頻率的 1000 次以上，輻射能力大大提高。

圖4 IGBT開通、關斷的電壓、電流（軟開關） 肖介光等：IGBT逆變焊機電磁騷擾的抑制 同時，由于主變壓器的漏感及分布電容在 IGBT 開通、關斷時，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。

用于次級整流的快恢復二極管也是產(chǎn)生高頻騷擾的一個重要原因，整流管工作于高頻開關狀態(tài)時，由于二極管的引線寄生電感、結電容的存在，以及反向恢復電流的影響，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。由次級整流快恢復二極管產(chǎn)生的高頻騷擾很容易通過焊機輸出端饋出。

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)絡來實現(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，電路結構如圖 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。同時通過優(yōu)化參數(shù)設置，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]，在諧波畸變率達標的同時，還可使焊機的全功率因數(shù)得到提高。 無源濾波電路材料成本低，運行穩(wěn)定可靠，容量大，適用于大部分逆變焊機，雖然其諧波濾除率一般第十五次全國焊接學術會議論文集，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，同時還可以動態(tài)補償無功功率。目前，基于瞬時無功功率理論的數(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。通過檢測電路對負載端（焊機主電路）的電壓、電流進行檢測，然后送入控制電路進行計算分析，輸出相應的脈沖驅(qū)動 IGBT，產(chǎn)生與負載電流中的諧波電流大小相等方向相反的電流，從而達到補償負載電流中的諧波分量和無功功率的目的。逆變器工作時所需要的能量由儲能電路供給，該儲能電路是通過逆變器中的各個 IGBT 的反并聯(lián)二極管進行充電，同時又在 IGBT 開通時輸出能量，使諧波電流分量和無功功率得到補償。這樣，電網(wǎng)的輸入電流可實現(xiàn)為正弦波形。 有源濾波器動態(tài)響應迅速，濾除諧波可達到 95％以上，補償無功細致。但有源濾波器由于電路復雜，材料成本高，運行可靠性也不及無源濾波電路，對市場價格競爭異常激烈的 ZX7、NB 系列逆變焊機而言不太適用，但對需要作精細控制的數(shù)字化焊機而言，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，起測點頻率遠高于諧波電流 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)生的騷擾信號和阻止騷擾信號的傳播等方法來加以治理。

4.1 采用軟開關逆變技術

采用IGBT軟開關電路的逆變焊機在國內(nèi)已經(jīng)很普遍，軟開關電路可以減小IGBT的di/dt和dv/dt，能在一定程度上減小高頻EMI電平。 但據(jù)一些研究結果表明，采用相同的主電路拓撲和開關頻率，比較硬開關技術和零電壓軟開關技術的兩個變換器所產(chǎn)生的傳導EMI電平。實驗結果表明，零電壓軟開關變換器的EMI能譜分布在低頻段甚至比硬開關變換器更大一些，只有在較高頻率才會得到比硬開關變換器稍低的EMI電平[3]。

雖然軟開關一般只能在高頻段使EMI電平降低幾個dBμV,但也是可用有效手段之一。

4.2 選擇適當?shù)碾娐穮?shù)和功率器件

首先應該對IGBT、FRD（快恢復二極管）或FRED（外延型快恢復二極管）吸收、保護電路的參數(shù)進行優(yōu)化設計，并通過實驗驗證，把IGBT、FRED關斷時的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、保護電路的電阻應為無感電阻，電容器應采用凸波吸收電容器。 肖介光等：IGBT逆變焊機電磁騷擾的抑制 快恢復二極管反向恢復造成的電磁騷擾還可以通過選擇恢復時間短、 恢復特性軟的器件獲得一些改善，

例如FRED就較一般的FRD在恢復時間、反向電壓等方面有一定的優(yōu)勢。圖9是一種國產(chǎn)FRED與進口FRD反向恢復特性的比較，圖10是國產(chǎn)FRED與進口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，在主變壓器的設計、制作時在初、次級繞組的繞制、出線方式上應多加注意。

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，所以在設計定型前應通過試驗確定其合理的位置。

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， 我們只要使焊機符合 GB15579.10 標準的要求就可以了，電源端子騷擾電壓的限值見表 1。IGBT 逆變焊機通過空載試驗一般都沒有問題，焊機負載狀態(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的工頻信號不產(chǎn)生衰減，使電源能順利進入焊機。一個合理、有效的 EMI濾波器應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，遇到焊機的差模干擾大時，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只是一個可供參考的實例。 第十五次全國焊接學術會議論文集，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，且與磁導率有關，一般情況下，導率越高，適用抑制的頻率就越低，設計、試驗時應多加注意。鐵基納米晶鐵芯具有高飽和磁感應強度（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， 應選用 CIS型抑制電磁干擾與電源網(wǎng)絡連接用電容器，以達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 逆變焊機原理簡圖。為了減少對相鄰設備的干擾和減少高頻電磁輻射對焊工健康的影響，在焊機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濾波器應安裝在焊機電源電纜入口處，并予以良好接地，否則難以達到預期效果。

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 IGBT 逆變焊機加裝 EMI 濾波器后測試的，無 EMI 濾波器時在低頻、中頻段均超標，加上 EMI 濾波器后，低頻、中頻段傳導騷擾顯著降低，但在 5～8MHz 頻段出現(xiàn)諧振（不超標） ，測試結果符合 GB15579.10-2008 的要求。

5 結論

無源 LDC 濾波電路成本低、運行可靠，是降低 IGBT 逆變焊機諧波電流發(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 逆變焊機的電源端子騷擾電壓。 強制性國家標準GB15579.10-2008《弧焊設備 第 10 部分：電磁兼容性(EMC)要求》將于 2009 年 12月 1 日開始實施，除了做好標準的宣貫、培訓以外諧波分析儀、EMC 分析儀及其配套設備也是做好電焊機 EMC 的基礎之一，期待實用、價廉的 EMC 測試儀器、設備問世，以利于電焊機廠家加快 EMC 改造步伐，為節(jié)能減排和電焊機的綠色制造增磚添瓦。