基于阻抗失配的二級EMI濾波器設計

鄭琦琦

（天津城市建設管理職業(yè)技術學院，天津 300134）

0 引言

在電力電子技術研究領域，電動汽車驅動系統(tǒng)的電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）問題已成為討論熱點。功率開關器件的高速通斷產生過電壓和過電流，出現(xiàn)高次諧波，其產生的電磁噪聲通過線路耦合形成電磁干擾，對電機本身和周圍環(huán)境產生較大的影響[1]。目前，電機驅動系統(tǒng)內電磁干擾以傳導干擾為主，為了使其滿足EMC的標準，已將EMI濾波器廣泛應用于功率變流裝置領域。在電磁噪聲干擾非常嚴重的情況下，需要很大的電感和電容提高濾波器的性能，然而要獲得很大的電感和電容十分困難，因此研究多級EMI濾波器是十分必要的[2]。

針對多級EMI濾波器，國內外相關學者進行了研究。文獻[3]提出了一種濾波器阻尼優(yōu)化的設計方法，考慮不同級間的耦合，從阻尼電阻中分離出耦合電容和旁路電感，減小輸出阻抗的峰值。文獻[4]介紹了二級濾波器的設計方法，將這種方法應用于平面型濾波器的設計中，提高插入損耗的同時縮小了濾波器的體積，但對系統(tǒng)EMI的抑制效果不明顯。本文在二級EMI濾波器設計方法的基礎上，研究電機驅動系統(tǒng)中共模干擾（CM）和差模干擾（DM）的傳輸路徑，設計阻抗失配濾波器，仿真實驗驗證了濾波器設計方法的正確性。

1 濾波器原理

1.1 二級EMI濾波器

在電力電子裝置中產生的電磁干擾噪聲很強的情況下，單級EMI濾波器不能滿足其需要，因此采用二級或多級EMI濾波器[4]。文獻[4]提出二級EMI濾波器的拓撲結構，由兩個單級EMI濾波器通過CX2連接起來，其中UDC為直流電源，Unoise為逆變器共模等效干擾源，ZL1、ZL2為線纜阻抗，ZM為電動機繞組阻抗，包括電動機繞組電阻Rs、電感Ls和電容Cs。

1.2 阻抗失配濾波器

所謂的阻抗失配濾波器即RC并聯(lián)阻尼支路，由于寄生電路中的電感會產生阻尼現(xiàn)象，因而根據(jù)電動機繞組阻抗ZM設計濾波器的參數(shù)值。依據(jù)文獻[4]中典型LC濾波器的設計步驟，對二級EMI濾波器的RC并聯(lián)支路進行設計。二級EMI濾波器安裝在電機驅動系統(tǒng)的直流側，共模電感LCM和電容CY使得干擾噪聲衰減。當阻尼因子σ>1時處于過阻尼狀態(tài)，σ=1時處于臨界阻尼狀態(tài)，σ<1時處于欠阻尼狀態(tài)。為了減弱干擾源的共振，應使濾波器處于過阻尼狀態(tài)，即滿足 (Rs+2Rd)>‖Z0‖。

2 仿真測試

電機驅動系統(tǒng)仿真電路如圖3所示，其中，直流電源電壓Udc=300V；放電電阻R=1kΩ，支撐電容C=4700uF。IGBT的開關頻率為10kHz，采用空間矢量脈寬調制（SVPWM）控制，門極驅動電阻Rg為50Ω。電動機繞組阻抗參數(shù)：Rs=0.2Ω，Ls=86.5nH，Cs=5.51nF；EMI濾波器的 參 數(shù)：CX=0.3uF，CY=2.2nF，LCM=1.75mH，LDM=15uH；Rd=248Ω，Ld=170uH。在saber軟件中調用相應的元器件，考慮無源器件和母線排的寄生參數(shù)，在傳導干擾測試頻率（150kHz～30MHz）范圍內，搭建系統(tǒng)的仿真模型。

如圖2（a）所示，L、N為電機驅動系統(tǒng)混合干擾圖。由圖2可知，系統(tǒng)的電磁干擾強度較大，混合干擾在40dBuV～100dBuV之間，超過了GB 9254-2008《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》[5]規(guī)定的限值。混合干擾分離后的波形CM0在40dBuV～80dBuV之間，DM0在20dBuV～60dBuV之間，系統(tǒng)中的干擾以共模干擾為主。

由圖3可知，二級EMI濾波器單獨控制下混合干擾分離后的波形CM1在0 dBuV～80dBuV，DM1在0dBuV～60dBuV之間。采用設計的二級EMI濾波器后，共模干擾CM2在整個頻段下降了20dBuV～30dBuV；差模干擾DM2在整個頻段下降了10 dBuV～40dBuV。因此，設計的二級EMI濾波器可以有效抑制系統(tǒng)共模/差模干擾。

圖1 電機驅動系統(tǒng)仿真電路圖Fig.1 Simulation circuit diagram of motor drive system

圖2 系統(tǒng)初始干擾Fig.2 System initial disturbance

圖3 干擾仿真波形Fig.3 Jamming simulation waveform

仿真結果表明，基于阻抗失配原理設計的二級EMI濾波器可以有效降低系統(tǒng)的傳導電磁干擾，特別是對低頻段干擾（1MHz以下）的抑制效果較好，證明了濾波器設計的正確性。

3 結束語

針對電機驅動系統(tǒng)中的電磁干擾問題，設計了基于阻抗失配原理設計的二級EMI濾波器。通過理論分析和仿真實驗驗證，表明濾波器的設計具有較高的可靠性。基于電機驅動系統(tǒng)，應用saber仿真得到系統(tǒng)在初始干擾、接入二級EMI濾波器以及設計的二級EMI濾波器3種情況分別作用下的共模/差模干擾，驗證了設計的濾波器對電機驅動系統(tǒng)傳導電磁干擾具有良好的抑制作用，尤其是在低頻段，在工程實踐中具有重要意義。