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射、抗擾性試驗兩方面的內容。由於電焊機本身都具有較強的抗幹擾能力，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採用了 PWM 脈衝寬度調製技術，焊機輸入整流器引起的電流畸變會產生諧波騷擾，IGBT 高速開關時會產生大量耦合性噪聲，對與逆變焊機共處同一電源環境的其他的電子、電氣設備來說，逆變焊機是一個電磁幹擾源，且長期以來未得到重視和採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汙染問題。 通過我們的實踐證明， 沒有採取 EMC改造措施的 IGBT 逆變焊機要想通過發射試驗是不可能的， 因此，最值得關注的是如何降低 IGBT 逆變焊機的電磁發射，使產品符合 GB15570.10 標準（以下簡稱標準）的要求，減少焊機對環境的電磁汙染。

2 逆變焊機電磁騷擾的主要來源

採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生的原因，針對各自產品的特點採取相應措施，解決起來並不是太難。

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，在採用大電容器濾波的整流濾波電路中，整流二極體導通時間較短，濾波電容充電電流瞬時峰值大，電流波形為近似尖脈衝，使 50Hz 正弦電流波形發生畸變，產生諧波電流。

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，而是一種前後沿都比較陡峭的脈衝，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。畸變的電流、電壓高次諧波會沿電源電纜、供電網絡產生傳導騷擾和輻射騷擾，由於頻率相對較低，其輻射水平並不會很高。

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產生不利影響。

2．2 由逆變器引起的高頻騷擾

大多數工業應用的 IGBT 逆變焊機主電路採用了 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於低頻諧波騷擾，對使用金屬外殼的焊機而言，由於機殼的屏蔽作用，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。 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，由於主變壓器的漏感及分布電容在 IGBT 開通、關斷時，常常產生高頻高壓尖峰震蕩，由此而產生的高次諧波可由多種途徑傳入內部電路，也可通過散熱器及主變壓器等途經向空間輻射。

用於次級整流的快恢復二極體也是產生高頻騷擾的一個重要原因，整流管工作於高頻開關狀態時，由於二極體的引線寄生電感、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，且產生高頻震蕩。由次級整流快恢復二極體產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 濾波網絡來實現。為了解決 LC 濾波電路的潛在諧振問題，在輸入濾波電感上並聯一續流二極體 D1，可抑制 LC 振蕩的產生[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。

在弧焊逆變電源中採用 LDC 濾波電路，可以抑制 LC 振蕩，降低直流線上的電壓紋波。同時通過優化參數設置，可以使弧焊逆變電源的功率因數提高到 95％，電流諧波畸變率低於 30％[2]，在諧波畸變率達標的同時，還可使焊機的全功率因數得到提高。 無源濾波電路材料成本低，運行穩定可靠，容量大，適用於大部分逆變焊機，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 規定的電流諧波畸變率測試已卓卓有餘，是目前解決 IGBT 逆變焊機諧波電流發射最簡單、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，在檢測到系統諧波的同時產生一組和系統幅值相等，相位相反的諧波向量，這樣可以抵消掉系統諧波，使其成為正弦波形。有源濾波除了濾除諧波外，同時還可以動態補償無功功率。目前，基於瞬時無功功率理論的數位化有源濾波器發展迅速，其性能已接近理想狀態。

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，然後送入控制電路進行計算分析，輸出相應的脈衝驅動 IGBT，產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 的反並聯二極體進行充電，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，電網的輸入電流可實現為正弦波形。 有源濾波器動態響應迅速，濾除諧波可達到 95％以上，補償無功細緻。但有源濾波器由於電路複雜，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位化焊機而言，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，起測點頻率遠高於諧波電流 7 次諧波的頻率，電源端子騷擾電壓測試頻段內的 EMI（電磁幹擾）主要來源於逆變器，我們只需把 150kHz～30MHz 範圍內的噪聲抑制在一個合理的水平之下就可以了。 高頻騷擾主要產生於逆變焊機的逆變器、主變壓器、輸出整流電路，這也是高頻騷擾治理的主要部位，可採用減小騷擾源產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 採用軟開關逆變技術

採用IGBT軟開關電路的逆變焊機在國內已經很普遍，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。 但據一些研究結果表明，採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 選擇適當的電路參數和功率器件

首先應該對IGBT、FRD（快恢復二極體）或FRED（外延型快恢復二極體）吸收、保護電路的參數進行優化設計，並通過實驗驗證，把IGBT、FRED關斷時的dv/dt、尖峰電壓限值在儘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，電容器應採用凸波吸收電容器。 肖介光等：IGBT逆變焊機電磁騷擾的抑制 快恢復二極體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勢。圖9是一種國產FRED與進口FRD反向恢復特性的比較，圖10是國產FRED與進口FRD反向電壓波形比較。

4．3 製作工藝

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、製作時在初、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 採用無源 EMI濾波器

要想讓逆變焊機內部產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（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 的頻段範圍獲得較高的插入損耗，而對頻率為 50Hz的工頻信號不產生衰減，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幹擾都有抑制作用。

在電源電纜上的幹擾具有共模和差模電流分量，在IGBT逆變焊機中共模幹擾是主要治理對象，圖11是一種共模、差模兼顧的三相EMI濾波器。C4～C9、L1主要用於共模幹擾的濾出，L1的漏抗和C1～3用於差模幹擾的濾出。

由於圖11中的L1漏感有限，遇到焊機的差模幹擾大時，還可以採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隻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採用環形軟磁鐵氧體，鐵氧體有多種材料，不同的材料具有不同的最佳抑制頻率範圍，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（居裡溫度 570℃）下良好的磁穩定性，也可用於濾波電感製作。

EMI濾波器中使用的電容器也是有一定講究的， 應選用 CIS型抑制電磁幹擾與電源網絡連接用電容器，以達到最佳濾波效果和儘量減小 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幹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 用於輸出差模幹擾的濾出，C5、C6 用於共模幹擾濾出。

EMI濾波器應安裝在焊機電源電纜入口處，並予以良好接地，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 濾波器後測試的，無 EMI 濾波器時在低頻、中頻段均超標，加上 EMI 濾波器後，低頻、中頻段傳導騷擾顯著降低，但在 5～8MHz 頻段出現諧振（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射、提高全功率因數的有效手段之一。

通過對電路參數、 器件的調整和加裝無源 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》將於 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，以利於電焊機廠家加快 EMC 改造步伐，為節能減排和電焊機的綠色製造增磚添瓦。