無刷直流電機供電系統的電磁干擾分析及抑制

李一鳴

（湖南理工學院計算機學院，岳陽 414000）

1 引言

電磁干擾在電機控制中越來越成為一個嚴重的問題，在無刷直流電機的應用中, 如何減少電磁干擾也是一個重要的問題[1]。在無刷直流電機應用中, 一方面, 要分析在電機供電系統中電磁干擾產生的機理；另一方面,在電機供電電路設計上如何盡量減少電磁干擾的產生。下面從電機整流逆變器方面來分析電磁干擾的產生及減少電磁干擾的措施。

2 干擾源分析

無刷直流電機供電系統模型如圖1所示，無刷直流電機整流逆變器產生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產生的高di/dt和高dv/dt，它們產生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關管高頻工作時的電壓切換都是這類干擾源。無刷直流電機供電系統中電壓電流波形大多為接近矩形的周期波，比如開關管的驅動波形、IGBT波形等。對于矩形波，周期的倒數決定了波形的基波頻率；兩倍脈沖邊緣上升時間或下降時間的倒數決定了這些邊緣引起的頻率分量的頻率值，典型的值在MHz范圍，而它的諧波頻率就更高了。這些高頻信號都對無刷直流電機的基本信號，尤其是對控制電路的信號造成干擾。

圖1 無刷直流電機供電系統原理圖

無刷直流電機供電系統的電磁噪聲從噪聲源來說可以分為兩大類。一類是外部噪聲，例如，通過電網傳輸過來的共模和差模噪聲、外部電磁輻射對供電系統控制電路的干擾等。另一類是供電系統自身產生的電磁噪聲，如開關管電流尖峰產生的諧波及電磁輻射干擾。

如圖 2所示[2]，電網中含有的共模和差模噪聲對無刷直流供電系統產生干擾，供電系統在受到電磁干擾的同時也對電機負載產生電磁干擾（如圖中的返回噪聲、輸出噪聲和輻射干擾）。進行無刷直流電機供電系統 EMI設計時一方面要防止供電系統對電網和附近的電子設備產生干擾，另一方面要加強供電系統本身對電磁騷擾環境的適應能力。下面具體分析供電系統噪聲產生的原因和途徑。

圖2 無刷直流電機供電系統噪聲類型圖

2.1 電源線引入的電磁噪聲

電源線噪聲是電網中各種用電設備產生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的。電源線噪聲分為兩大類：共模干擾、差模干擾，如圖2所示。共模干擾是指任何載流導體與參考地之間不希望有的電位差；差模干擾是指任何兩個載流導體之間不希望有的電位差。共模干擾電流不通過地線，而通過輸入電源線傳輸。而差模干擾電流通過地線和輸入電源線回路傳輸。所以，我們設置電源線濾波器時要考慮到差模干擾和共模干擾的區別，在其傳輸途徑上使用差模或共模濾波元件抑制它們的干擾，以達到最好的濾波效果。

2.2 輸入電流畸變造成的噪聲

無刷直流電機的供電系統中的直流電壓一般采用交流輸入電經橋式整流、電容濾波型整流得到[3]。如圖3所示，在沒有PFC功能的輸入級，由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲能作用，使得二極管的導通角變小，輸入電流Ii成為一個時間很短、峰值很高的周期性尖峰電流。這種畸變的電流實質上除了包含基波分量以外還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波分量不但產生的諧波污染，而且對無刷直流電機的正常運行產生干擾。為了抑制整流逆變器對電機的污染和干擾，PFC電路是不可或缺的部分。

2.3 分布及寄生參數引起的供電系統噪聲

圖3 未加PFC的輸入電壓和輸入電流波形圖

整流逆變器的分布參數是多數干擾的內在因素，例如供電系統和散熱器之間的分布電容就是噪聲源[4]。整流逆變器與散熱器之間的分布電容與開關管的結構以及開關管的安裝方式有關。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開關管與散熱器之間的分布電容。

如圖4所示，在高頻工作下的元件都有高頻寄生特性，對其工作狀態產生影響。高頻工作時導線變成了發射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振電路。觀察圖4中的頻率特性曲線可以發現，當頻率過高時各元件的頻率特性產生了相當大的變化。為保證整流逆變器在高頻工作時的穩定性，設計供電系統時要充分考慮元件在高頻工作時的特性，選擇使用高頻特性比較好的元件。另外，在高頻時導線寄生電感的感抗顯著增加，由于電感的不可控性，最終使其變成一根發射線，也就成為了供電系統中的輻射干擾源。

圖4 高頻工作下的元件頻率特性

3 EMI抑制措施

電磁兼容的三要素是干擾源、耦合通路和敏感體，抑制以上任何一項都可以減少電磁干擾問題。整流逆變器工作在高電壓大電流的高頻開關狀態時，其引起的電磁兼容性問題是比較復雜的。但是，仍符合基本的電磁干擾模型，可以從三要素入手尋求抑制電磁干擾的方法。

3.1 整流逆變器中各類電磁干擾源抑制

為了解決輸入電流波形畸變和降低電流諧波含量，開關電源需要使用功率因數校正（PFC）技術。PFC技術使得電流波形跟隨電壓波形，將電流波形校正成近似的正弦波。從而降低了電流諧波含量，改善了橋式整流電容濾波電路的輸入特性，同時也提高了電機的功率因數。

軟開關技術是減小開關器件損耗和改善開關器件電磁兼容特性的重要方法。開關器件開通和關斷時會產生浪涌電流和尖峰電壓，這是開關管產生電磁干擾及開關損耗的主要原因。使用軟開關技術使開關管在零電壓、零電流時進行開關轉換可以有效地抑制電磁干擾。

3.2 切斷電磁干擾傳輸途徑--共模、差模電源線濾波器設計

電源線干擾可用電源線濾波器濾除，整流逆變器EMI濾波器基本電路見圖5。一個合理有效的整流逆變器 EMI濾波器應該對電源線上差模干擾和共模干擾都有較強的抑制作用。在圖5中CX1和 CX2叫做差模電容，L1叫做共模電感，CY1和 CY2叫做共模電容。差模濾波元件和共模濾波元件分別對差模和共模干擾有較強的衰減作用。

共模電感L1是在同一個磁環上由繞向相反、匝數相同的兩個繞組構成。通常使用環形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞線困難。當市網工頻電流在兩個繞組中流過時為一進一出，產生的磁場恰好抵消，使得共模電感對市網工頻電流不起任何阻礙作用，可以無損耗地傳輸。如果市網中含有共模噪聲電流通過共模電感，這種共模噪聲電流是同方向的，流經兩個繞組時，產生的磁場同相疊加，使得共模電感對干擾電流呈現出較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用。

實際使用中共模電感兩個電感繞組由于繞制工藝的問題會存在電感差值，不過這種差值正好被利用作差模電感。所以，一般電路中不必再設置獨立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容CX1及CX2構成了一個∏型濾波器。這種濾波器對差模干擾有較好的衰減。

除共模電感以外，圖 5中的電容 CY1及 CY2也是用來濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時主要由電感器起作用，而在高頻時大部分由電容CY1及CY2起作用。電容CY的選擇要根據實際情況來定，由于電容 CY接于電源線和地線之間，承受的電壓比較高，所以，需要有高耐壓、低漏電流特性。

差模干擾抑制器通常使用低通濾波元件構成，最簡單的就是一只濾波電容接在兩根電源線之間而形成的輸入濾波電路（如圖5中電容CX1），只要電容選擇適當，就能對高頻干擾起到抑制作用。該電容對高頻干擾阻抗甚低，故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過它，它對工頻信號的阻抗很高，故對工頻信號的傳輸毫無影響。該電容的選擇主要考慮耐壓值，只要滿足功率線路的耐壓等級，并能承受可預料的電壓沖擊即可。為了避免放電電流引起的沖擊危害，CX電容容量不宜過大，一般在0.01～0.1 μF之間。電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。

圖5 無刷直流電機供電系統EMI濾波器

抑制輻射噪聲的有效方法就是屏蔽。可以用導電性能良好的材料對電場進行屏蔽，用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。供電系統中的連接線，電源線都應該使用具有屏蔽層的導線，盡量防止外部干擾耦合到電路中。或者使用磁珠、磁環等EMC元件，濾除電源及信號線的高頻干擾，但是，要注意信號頻率不能受到 EMC元件的干擾，也就是信號頻率要在濾波器的通帶之內。整個供電系統的外殼也需要有良好的屏蔽特性，接縫處要符合 EMC規定的屏蔽要求。通過上述措施保證供整流逆變器既不受外部電磁環境的干擾也不會對外部電子設備產生干擾。

4 結束語

如今在電機用途應用越來越廣泛 DE的情況下，EMI問題成為了電機運行穩定性的一個關鍵因素，也是一個最容易忽視的方面。因此，電機供電系統的 EMI抑制技術在電機設計中占有很重要的位置。實踐證明，EMI問題越早考慮、越早解決，費用越小、效果越好。

[1]許士玉. 國內電磁兼容檢測實驗室簡介. 安全與電磁兼容,2002, (5):50～53.

[2]J.Cros, S.Astier, J.M.Vinassa, etal. EMI Tests on a Brushless Actuator: Comparision of Operation Modes.Proceedings of the Fifth European Conference on Power Electronics and Applications,1993,(7):138～143.

[3]周志敏, 周紀海, 紀愛華. 開關電源功率因數校正電路設計與應用[M]. [S.1.]:人民郵電出版社,2004.

[4]M. Cacciato, C. Cavallaro, G. Scarcella, etal. Effects of Connection Cable Length on Conducted EMI in Electric Drives. Electric Machines and Drives, 1999 International Conference IEMD’99, May1999,428 ～430.