功率變換器共模傳導電磁干擾分析

王晨++辛紹杰+寧尚賢

摘 要：隨著高效、可靠的功率變換器的廣泛使用及開關頻率的不斷提高，變換器內部的電磁環境越來越復雜，出現的電磁干擾（EMI）問題也越來越多。其中，共模電流干擾危害最大。主要分析了共模電磁干擾問題與解決措施，并以典型的單相逆變器為例，通過類比Buck變換電路，在Saber中建立了簡單的等效EMI仿真模型。在抑制共模干擾過程中增設旁路穩壓電路能有效抑制共模電壓，并通過實驗仿真認證了LC濾波器的工作有效性和高頻寄生參數對濾波性能的影響。

關鍵詞：功率變換器；共模電磁干擾；濾波器；仿真模型

中圖分類號：TM461 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.009

電力電子裝置是通過功率變換器的開、關控制電能的轉換。然而其開關器件在開關過程中會產生非常高的電流、電壓變化率，它們通過電路的寄生電感與寄生電容產生強烈的瞬態噪聲。電源變換器的傳導電磁干擾常分為差模和共模干擾，其中，共模電流對設備的影響較大。共模電流通常由開關管兩端變換的電壓經散熱器、外殼等一些與地之間的寄生電容回路產生。目前，電磁兼容在國際上受到了普遍關注，比如國際電工委員會（IEC）、歐洲電工標準化技術委員會（CENELEC）、美國聯邦通信委員會（FCC）等從事電磁兼容標準化工作的機構。為了提高設備的電磁兼容性，必須要有效分析復雜傳導電路，建立簡單的實驗模型，并根據實驗結果選取適當的保護設備和抑制干擾的措施。

1 單相逆變器高頻等效電路

分析單相逆變器的工作狀態，發現其產生的共模電流電路與Buck變換器主電路的共模電路類似，因此，可以通過分析Buck變換器主電路的共模電路研究PWM逆變器的EMI。圖1所示為單相逆變器的主電路圖。

當開關管高頻工作時，橋臂中點電位對參考地產生很大的 ，

經過寄生電容流進直流側，從而形成共模電流。我們以左半橋臂為例，分析其在開關管T1斷開期間的內部電流流通情況。初始負載電流如I1方向位圖所示，且負載為感性。當T1斷開時，由于負載電流不能突變，因此I1流向不變，經過D2續流。當T2導通后，由于負載電流的方向不變，負載電流I1仍舊流過D2，開關管T2其實沒有導通工作，等到T1再次導通，回到初始狀態。由此可見，單相逆變器的工作原理與Buck變換器主電路的開關管T和續流管D相同。圖2所示為半橋臂工作等效圖，圖右半部分為左半橋臂電路圖。可以用類似的方法分析右半橋臂。

2 Buck變換器主電路共模分析建模

圖3所示為Buck變換器主電路共模分析電路，其開關管T斷開引發P點電位抬升，從而產生共模電流。共模電流經過寄生電容Cp，再經過散熱器到達參考地，然后流過阻抗穩定網絡LISN的50 Ω電阻和0.25 μF電容，此后分成兩路電流，即如圖3虛線所示的I1和I2。I1經過直流母線正極連接線接到開關T的集電極，而I2流經直流母線負極，通過電解電容再流回開關T的集電極。在高頻下，電解電容也有一定的等效串聯電阻Re和電感Le，Re一般為0.1 Ω左右，Le一般為nH級別，遠遠小于共模回路

中導線的寄生電感uH級別的Lp，因此有I1=I2 。

建立簡單的Buck變換器主電路共模等效模型，用電壓源V代替開關管T，直流電源Vdc短路，Cp為P點對參考地的寄生電容，Lcm為散熱器與參考地連接線的等效電感，Lcba代表LISN到直流電容的等效電感，Rin為LISN到直流電容的等效電阻，Cn代表電解電容后，直流母線正負極對參考地的等效寄生電容。最后得出的等效模型電路圖如圖4所示。

由于Cp和Cn為pF級，因此可以忽略串聯的0.5 μF電容。

根據電路方程 ，估算R約為25 Ω，L為

4 uH，C約為1 500 pF，則 ，因此為欠阻尼情況。

. （4）

式（4）中：ω0為諧振角頻率， ；δ為衰減系數， ；

Z0為特征阻抗， 。

最終可以在Saber中建立仿真電路模型，如圖5所示。根據所設參數L=4 uH，R=4 Ω，C=2 nF，得出共模電流波形。

在對共模電流進行快速傅里葉變換取樣點為4 096時，采樣頻率達到4 MHz，其幅值頻譜圖如圖6所示。開始時，低頻段電流幅值以20 dB/10倍頻的速度勻速下降，但在接近1 MHz之前，又以40 dB/10倍頻的速度迅速下降，達到1 MHz之后，又迅速上升。由圖6可知，在每個1 MHz點處都會發生類似的電流幅值變化。

3 共模傳導EMI的抑制方法

電磁干擾的產生離不開三大要素——干擾源、干擾路徑和敏感設備。因此，提高電磁兼容性應當從這三方面入手，即抑制干擾源的信號、優化干擾路徑和提高設備的抗干擾能力。

3.1 抑制干擾源的信號

共模電流產生的原理是開關管的斷開導致中性點對參考地

的電壓產生突變，即 。依據此原理，就開關管IGBT

而言，運用改變門級驅動電阻阻值的軟關斷技術可以有效減小集電極的電壓突變，從而穩定干擾源信號。同時，可以增設旁路電路，以穩定電壓。圖7所示為抑壓旁路電路，采用瞬態抑制二極管和電容串聯，再并聯在中心點與參考地上。當抑制二極管兩端受到瞬態電壓浪涌刺激時，其由高阻態變為低阻態，從而使共模電流流進旁路電容對其充電儲能。當沖擊電壓結束后，充電飽和的電容再經配置電阻環節放電，由于瞬態抑制二極管工作頻率高，能在很大程度上抑制共壓。

3.2 優化干擾路徑

干擾信號要通過一定的傳播路徑才能到達敏感設備，因此，切斷這條路徑就能解決電磁干擾問題。但是要想真正切斷是不可能的，只能采用優化干擾路徑的方法盡可能地減少干擾，其中，添加濾波器是最為普遍的方式。

EMI濾波器是無源網絡，必須對EMI濾波器將要連接的源阻抗和負載阻抗進行合理的連接。選取電路的基本出發點為用電感與低的源阻抗或負載阻抗串聯，用電容與高的源阻抗或負載阻抗并聯，其原理為共模電容用來減少干擾源類似于施加旁路吸收電容，而共模電感為增加共模回路的阻抗類似于增加LCR模型中的參數L和R，有利于減少共模電流，從而噪聲壓降大部分被濾波器吸收而沒有施加于負載端。圖8所示為簡單共模LC濾波器的仿真模塊（L為8 mH，C為4 000 pF）及其他電路參數不變時得出的共模電流波形圖。實踐發現，電流峰值明顯降不到0.1 A，且趨向于直流電。很顯然，LC濾波器具有良好的濾波作用，緩解了共模電流對原器件的沖擊。

圖9所示為共模濾波器干擾電流頻譜圖，從圖中可以明顯地看出LC濾波器的濾波性能滿足要求，整個頻段相對緩和、穩定。

《PWM逆變器傳導電磁干擾的研究》一文中提到，采用共模變壓器衰減共模電流的原理為：在直流側插入共模變壓器，具體結構為在共模電感的基礎上增加了一個副方繞組，副方繞組并聯了一個電阻R，共模電流在共模變壓器內引起磁通變化，從而在變壓器副方繞組上產生感應電流，進而在衰減共模電流同時，也可以抵消差模電流。

基于補償原理的無源共模干擾抑制技術在開關電源中的應用，本文提出利用補償原理設計共模濾波器。設計原理為：反相補償電路產生的補償電流與共模電流大小相同、方向相反，從而相互抵消，使流向參考地的電流為零。

散熱片的寄生參數可引起干擾抑制，由于中心點對參考地存在寄生電容，因此可以在散熱片和半導體之間加入銅截面導體來減少寄生電容Cp。另外，在散熱片和功率器件之間加入鐵心來增加散熱片的輸入阻抗，進而降低干擾影響。圖10所示為優化散熱片結構圖。

4 共模濾波器寄生參數實驗分析

高頻工作狀態中，共模濾波器也存在寄生參數，從而對濾波器的性能產生影響。浙江大學袁義生教授在《功率變換器電磁干擾的建模》一文中提出無源器件的高頻模型，其中，電感L在高頻段等效為電感、電阻和電容三部分并聯，而電容模型為電感、電阻和電容三部分串聯，于是可以設計非理想LC濾波器的具體參數。設濾波器高頻電感L模型中的并聯RL為12 kΩ，CL為20 pF；濾波器高頻電容C模型中的串聯RC為12 mΩ，LC為7 nH。根據圖11所示的模塊仿真可得非理想狀態下共模濾波后的電流波形。最后發現，其波形與理想濾波器得出的波形差別不大，依然能很好地濾除10 kHz左右的共模電流。但是在接近50 kHz時，并不能很好地工作，原因是共模電感與其等效并聯的電容發生諧振。

5 結束語

通過分析逆變器高頻工作狀態，并與Buck變換器主電路作比較，從而得出等效共模傳導電流仿真模型。利用Saber軟件實驗，進而認證共模濾波器的有效性及高頻寄生參數帶來的影響，同時給出了多種抑制共模干擾的解決措施，其中包括在中心點增設旁路穩壓電路的方法，能有效地抑制共模電壓，緩解共模傳導干擾，從而提高主電路的電磁兼容性能。

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〔編輯：劉曉芳〕

Analysis of Common Mode Conducted EMI of Power Converter

Wang Chen， Xin Shaojie， Ning Shangxian

Abstract： With the wide use of high efficiency and reliability of power converter and the improvement of switching frequency， the electromagnetic environment in converter is becoming more and more complex， and the electromagnetic interference（EMI）problem is more and more. Among them， the common mode current interference is the most harmful. The problem and solution of common mode electromagnetic interference are analyzed， and a simple equivalent EMI simulation model is established in Saber by using the analog Buck converter. In the process of suppressing common mode interference， an additional bypass voltage regulator circuit can effectively suppress common mode voltage， and through the experimental simulation， the effectiveness of the LC filter and the influence of high frequency parasitic parameters on the performance of the filter are certified.

Key words： power converter； common mode electromagnetic interference； filter； simulation model