电力电子装置电磁兼容分析

1、电力电子装置电磁兼容分析摘要随着电磁兼容法规在海内外的普遍实施，电磁兼容问题在电力电子领域受到 了越来越多的关注。本文回顾了国内外最近几年对电力电子装置电磁兼容 /电磁 干扰问题的研究进展，内容包括功率变流器的电磁干扰分析及抑制技术、电机传 动的电磁干扰分析及抑制技术、EMI滤波器的寄生效应等。最后讨论了电力电子 装置电磁兼容技术的发展趋势。关键词：电磁兼容 EMI 抑制 电力电子装置1 引言电力电子装置的电磁干扰行为与其他电子设备比如通信系统的电磁干扰行 为没有本质上的区别。电磁干扰的产生需要具备三个条件：第一是干扰源；第二 是干扰耦合途径；第三是干扰敏感设备。三者构成了电磁干扰的三个基本要素。 然而从应用的角度来考虑，电力电子装置的电磁兼容问题具有如下内在特征。就 EMI 而言，虽然电力电子装置的开关频率远低于通信系统的信号频率，但是它 的工作电压、工作电流和处理的功率都更高。电力电子装置的主功率开关器件在 开关过程中产生非常高的电流和电压变化率，即非常高的di/dt与du/dt，它们 通过电路中寄生电感和寄生电容产生强烈的瞬态噪声。因此，主电路开关器件和 相关的电路产生的电磁噪声

2、成为电力电子装置中的主要电磁干扰源，并主要以传 导和近场干扰源的形式出现。当然一些高频、高功率电源，诸如高频感应加热电 源和等离子体电源等，也会产生强烈的辐射电磁干扰。而且，所有电力电子装置 也会导致严重的 EMI 噪声和市电谐波电流注入到电网中，这就不仅污染了电 网，也会影响连接到同一电网中的其他电气电子设备的正常工作。从某种意义上 来说，与通信设备比较，电力电子装置产生的 EMI 问题可能会更严重。考虑到 EMS 问题，相比通信系统，电力电子装置的控制器通常门限电压更高、尺寸更 大，这很容易让人理解为电力电子装置的 EMS 问题比电子通信系统的要更容易 解决。然而，下面一些事实使得电力电子装置的 EMS 问题依然不可忽视：（1）面临更大的噪声强度。电力电子装置的噪声电压能达到数百伏甚至上 千伏，di/dt和du/dt能分别达到103A/ps和104V/ps。（2）由于电力电子装置的主要电磁干扰源位于功率电路部分，噪声频谱范 围非常宽，特别是在低频范围内能达到几赫兹的频率，这使得采用传统方法如屏 蔽和滤波抑制电磁噪声变得非常困难。（3）电力电子装置的功率电路部分和控制电路板通常安装于

3、同一个箱体中， 而且有时应用现场要求电力电子装置通过数十米长的电缆与其负载相连，由此引 发的电磁干扰源与电磁噪声敏感电路之间的电磁噪声传播是以传导和近场耦合 为主。这种电磁空间与边界条件的不规则与多样性使得电磁兼容设计变得异常复 杂。除了上述因素之外，电力电子装置的电磁兼容性特征描述还存在一些其他的 特别困难之处，这是因为电力电子装置通常要处理很高的功率，导致装置体积和 重量都很大，这给电力电子装置 EMC 测量带来一些实际的困难。基于上述事实，当前电力电子装置的电磁兼容研究仍然处于初级阶段。但是 这些工作对于科学地理解电力电子装置的电磁干扰问题和将来实现产品的电磁 兼容系统化设计仍具有十分重要的意义。2 功率变流器的电磁干扰抑制技术2.1 传导干扰反相抵消技术及低共模干扰变流器文献1提出了“系统共模平衡”的观点，发展了“共模干扰反相消除技术”，并 在小功率 Boost、Buck 电路上进行了验证，其设计原理如图 1 所示。文献 2 通过增加一个补偿变压器绕组和一个电容器，实现了 Buck、Boost、Flyback、 Forward、Buck-Boost 等基本变流器中共模干扰的部分

4、抵消。文献 3提出了系统 动态节点平衡的思想，如图 2 所示，在系统中人为地构造两个电位变化幅度相 同、相位相反的动态节点，从而使共模干扰得到极大的抑制。文献 4提出了“构 造稳态节点共模 EMI 抑制技术”，该技术通过在电路中构造稳态节点，如图 3 所 示，将 Boost 电路中的储能电感放置到电源负极与 MOSFET 的源极之间，避 免了开关器件漏极与散热器之间寄生电容 Cm 对共模干扰的影响，大大减小了 传导共模干扰。频谱分析役图1 Boost变流器共模干扰反相消除电路LCRf _ IALISN3i肿 VDq_h做热逼JF Ar ml |图 2 采用动态节点电位平衡技术抑制共模 EMI3亍GQ亍丄4图 3 构造稳态节点的共模 EMI 抑制技术 42.2 软开关技术软开关的主要目的是为了降低开关损耗，减小开关应力。理论上由于开关器 件是在零电压/零电流条件下实现开通/关断的，因此采用软开关技术可使电压、 电流上升、下降沿变缓，应当比硬开关变流器具有更低的电磁干扰水平。文献5 对这个问题进行了较为仔细的分析，文献6分别研究了具有相同功率等级和类似 设计的 Buck、Boost、Fly

5、back 软、硬开关电路的 EMI 性能，认为软开关方式 能显著减小传导和辐射 EMI 发射。文献7考察了软、硬开关方式的逆变器，发 现低频范围内软开关方式的传导 EMI 没有明显减小，仅在高频段有所改善。实 际上，笼统地讲软开关技术可以减小传导和辐射 EMI 发射是片面的，因为目前 提出的绝大多数无源或有源软开关技术均是毫无例外地引入一个辅助电路（通常 是谐振电路）来保证主电路功率器件实现软开关，有些先进拓扑辅助电路中的功 率器件也能实现软开关，但是为了实现软开关而引入的辅助电路中谐振电流环路 所带来的附加的 EMI 电平的影响，使得变流器总体的 EMI 电平可能不一定比 电路简单的硬开关变流器低，这常常使人们产生困惑。实际上，在采用软开关拓 扑时，必须对 PCB 板进行精心布置才能达到设计预期的效果。除此以外，从 EMC 设计的角度考虑，采用控制型软开关拓扑可能是较好的选择8。2.3 调制策略文献对单相PFC电路的同步PWM、异步PWM、正弦误差滞环PWM、 直流误差滞环 PWM、 PFM 工作方式进行分析和实测比较，得出变频的 PFM 方 式有利于减小传导EMI发射的结论。还有一

6、种称为随机PWM (RPWM)的干 扰抑制技术10，采用 RPWM 技术能够将集中在某些频率点的能量分配到整个 频谱，以达到减小 EMI 的目的。3 电机传动器的电磁干扰抑制技术电机传动系统产生的电磁干扰也包括共模干扰和差模干扰，但由于电机传动 系统主要涉及高压、大功率，所以 EMI 问题主要是共模干扰。为了抑制电机传 动系统产生的共模干扰，目前采取的解决方案主要有以下几种。3.1 无源滤波技术在功率变流器中，通常采用交流侧电源 EMI 滤波器来抑制传导 EMI 噪声 的传播。但是在电机传动系统中，一方面入端电流、电压非常高，另一方面相对 功率变流器而言，开关频率较低，因此如果采用电源 EMI 滤波器所需要考虑的 问题包括共模扼流圈的磁心饱和效应、共模扼流圈磁心的温升效应、滤波器整体 体积、重量等因素。针对这种情况，文献11介绍了电机传动系统电源 EMI 滤波 器的集成设计方法，如图 5 所示，设计过程中考虑到了滤波元件的高频特征和 电机传动系统的 EMI 噪声源阻抗特征，磁心和绕线的选择综合考虑了铁磁材料 的磁通饱和与温升限制。这种集成设计方法能够带来优化的滤波器方案，其思想 同样适

7、于功率变流器的 EMI 滤波器设计。图 4 电机传动系统 EMI 噪声传播示意图设计变量匝数臓心 J 0 5标淮9 传动器总体氏模原噪击* 差模原噪声* 典模源阻抗-* 養橈源魁抗*线流境 件屯环 条 i 行压率度 运电频温电容与共槌陋感的 髙频砸抗模型铁氧体磁心热摸型铁氧体磁心馄和篠型漏电源典模屯感升温辻人模电感底心举 *饱和其模屯感诫心壇充系数冃标函数（成本尺寸图 5 电机传动 EMI 滤波器设计功能描述但是，从图 4 可见，在电机传动系统中三相电压型 PWM 逆变器的输出电 压中还包含差模电压和共模电压，这些干扰电压能够导致电机绕组损伤以及产生 轴承电流并缩短电动机使用寿命，因此发展逆变器输出端的 EMI 抑制技术是非 常重要的。文献 12介绍了在逆变器交流输出侧加入 du/dt 衰减电路和共模滤波 器的方案，能够抑制电机高频轴电压和电机的接地漏电流。文献 13介绍了采用 一个逆变器输出滤波器同时抑制电机终端的共模和差模电磁干扰。文献 14提出 了一种逆变器输出无源滤波器，如图 6 所示，该滤波器由一 LC 低通滤波器和 一共模变压器构成，由于将两种结构的滤波器集合在一起，简化了

8、滤波器的结构 和设计。l2VvVA.VwVx/77图 6 逆变器输出无源滤波器3.2 有源滤波技术有源滤波技术也为滤除 EMI 噪声提供了一个可选择的方案，相比无源滤波 器，有源滤波器体积更小，并且其性能受噪声源阻抗的影响也更小 15。文献16 介绍了一种有源共模噪声补偿电路，如图 7 所示，该补偿电路包含一个采用互 补晶体管组成的射极跟随器和一个共模变压器，它们能够将三个电容所检测的逆 变器输出端共模电压通过反向电压 VC 补偿到逆变器输出电缆中，从而达到消 除共模电压的目的。文献17介绍了一种由单相逆变器和五绕组共模变压器组成 的有源滤波器，其结构虽然比较复杂，但是可采用一个控制单元控制辅助逆变器 和主电路三相逆变器的驱动信号，因此该方案也比较容易实现。有源滤波器可单 独用于抑制共模噪声，也可与无源滤波器集成18-19，提高共模噪声衰减性能。此 外，文献20提出了一种双桥逆变器结构，通过对三相双绕组感应电机产生平衡 激励的原理，抑制了电机绕组和机壳之间的容性耦合。文献 21介绍了一种先进 的 PWM 控制方法，无需添加其他硬件电路而仅仅通过软件的实施能够降低三相电机传动系统的共模电

9、压。文 献22提出了利用多层 PCB 技术抑制电机传动系统产生的共模电流。从上述回顾 可知，由于 EMI 现象的复杂性，适于电机传动器 EMI 噪声建模、预测和抑制 的系统方法还尚未形成。今后的工作目标应该是在设计电机传动器的其他功能时 就能建立准确和实用的 EMI 模型，与此同时实现有效的 EMI 解决方案。图 7 有源共模噪声补偿电路4 EMI 滤波器的寄生效应EMI 滤波器的寄生效应对滤波性能有着十分重要的影响。大多数工程师都了 解绕组寄生电容与绕组电感以及电容器的引线电感与电容器之间的自谐振对滤 波器性能所产生的影响。这些效应相对来说还是可以理解的，并且在一定程度上 易于控制，因为可以通过阻抗分析仪测量。寄生效应的另一种类别，即与布局和 封装相关的寄生效应，相对来说则更难以理解。虽然该问题可以借助场的理论来 解决，但这个方法往往很难普遍接受。4.1 EMI 滤波器寄生参数抵消技术减小滤波器中电容器引线电感的影响对提高滤波器的高频性能无疑具有重 要的作用。文献23提出了在滤波电容器支路上引入负电感用于抵消滤波电容器 引线电感效应的设计方法，如图8所示，电感L11和L22之间的互感为LM, 如果LM等于ESL，那么在右图的去耦等效电路中电容器支路上的电感为0， 因而消除了滤波电容器的引线电感效应。文献24则是根据电路网络理论，采用 X 形的滤波器结构，如图9所示，抵消了滤波电容器的ESL和ESR，因而提高 了滤波器的高频性能。文献25介绍了 EMI 滤波器中滤波电感绕组等效并联电容 (EPC)的技术，如图10所示，由于差模电感器与共模电感器的两个绕组电流方 向不同，因此分别采用了不同的技术。对于图 10a 所示的差模电感器 EPC 抵 消技术，还需要考虑两个绕组之间的寄生电容；而对于图 10b 所示的共模电感 器 EPC 抵消技术，主要的问

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