电力电子装置电磁兼容分析Word格式文档下载.docx

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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/µ

s和104V/µ

s。

（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。

图1Boost变流器共模干扰反相消除电路[1]

图2采用动态节点电位平衡技术抑制共模EMI[3]

图3构造稳态节点的共模EMI抑制技术[4]

2.2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、Flyback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[9]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

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，简化了滤波器的结构和设计。

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

4EMI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。

4.1EMI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，主要的问题在于很难保证单个绕组内部两个半绕组之间有接近1的磁耦合系数，如果该耦合系数不高，EPC的抑制效果会很差。

文献[26]将一个线圈集成于电容器中用于消除两个电容器之间的磁场耦合，同时抵消了电容器的等效串联电感。

图8滤波电容器ESL抵消技术

图9滤波电容器ESR与ESL抵消技术

（a）差模电感的EPC抵消技术

（b）共模电感的EPC抵消技术

图10滤波电感EPC抵消技术

对EMI滤波器寄生效应的研究不仅有利于改善滤波器本身的高频性能，而且有助于理解和掌握整体电力电子装置的EMI特征。

总结

通过对电力电子装置电磁兼容研究现状的回顾，可以看到EMC是一个综合的问题，涉及了多方面的内容。

虽然大量的研究工作在电力电子装置的EMI噪声特征、EMI抑制技术以及EMI测量等方面取得了许多有价值的成果，但是进一步的研究和开发工作仍然是非常必要的。

一方面，需要对现有的EMC技术和理论进行改进和完善，另一方面，需要开发出新的EMC设计理论和方法以便满足国际上越来越苛刻的EMC标准和要求。

参考文献

[1]WuXin,PongMH,LuZhengyu,etal.NovelBoostPFCwithlowcommon-modeEMI:

modelinganddesign[C].In:

Proc.ofIEEEAPEC’00,2000:

178-181.

[2]CochraneD,ChenDY.Passivecancellationofcommon-modenoiseinpowerelectroniccircuits[J].IEEETrans.onPE,2003,18（3）:

756-763.

[3]袁义生,钱照明.功率变换器动态节点电位平衡共模EMI抑制技术[J].浙江大学学报（工学版）,2003,37

（1）:

108-111.

YuanYisheng,QianZhaoming.SuppressiontechniqueofdynamicnodespotentialbalanceforcommonmodeEMIinpowerconverters[C].JournalofZhejiangUniversity（EngineeringScience）,2003,37

（1）:

[4]ChenWei,QianZhaoming.Anovelandsimpleapproachtosuppresscommon-modeEMIinpowerconverters[C].In:

Proc.ofIEEEINTELEC’04,2004:

589-592.

[5]ZhangDB,ChenDY,LeeFC.AnexperimentalcomparisonofconductedEMIemissionsbetweenazero-voltagetransitioncircuitandahardswitchingcircuit[C].In:

Proc.ofIEEEPESC’96,1996:

1992-1997.

[6]ChungH,HuiSYR,TseKK.ReductionofpowerconverterEMIemissionusingsoft-switchingtechnique[J].IEEETrans.onEMC,1998,40（3）:

282-288.

[7]ShaoJ,LinRL,LeeFC,etal.CharacterizationofEMIperformanceforhardandsoft-switched

inverter[C].In:

1009-1014.

[8]顾亦磊,陈世杰,吕征宇,等.控制型软开关变换器的实现策略[J].中国电机工程学报,2005,25（6）:

55-59.

GuYilei,ChenShijie,LuZhengyu,etal.Strategyforcontroltypesoftswitchingconverters[J].ProceedingsofCSEE,2005,25（6）:

[9]MahdaviJ,etal.ComparisonofconductedRFIemissionfromdifferentunitypowerfactorAC/DCconverters[C].In:

Proc.OfIEEEPESC’96,1996:

1979-1985.

[10]TrzynadlowskiAM,BlaabjergeF.Randompulsewidthmodulationtechniqueforconverter-feddrivesystem——areview[J].IEEETrans.onIndustryApplication,1994,30（5）:

1166-1174.

[11]ShenW,WangF,BoroyevichD,etal.OptimizingEMIfilterdesignformotordrivesconsideringfiltercomponenthigh-frequencycharacteristicsandnoisesourceimpedance[C].In:

Proc.ofIEEEAPEC’04,2004:

669-674.

[12]AkagiH,TamuraS.ApassiveEMIfilterforanadjustable-speedmotordrivebya400Vthree-leveldiode-clampedinverter[C].In:

ProceedingsofIEEEPESC,2004:

86-93.

[13]PalmaL,EnjetiP.Aninverteroutputfiltertomitigatedv/dteffectsinPWMdrivesystem[C].In:

Proc.OfIEEEAPEC’02,2002:

550-556.

[14]姜艳姝,徐殿国,刘宇,等.一种新颖的逆变器输出无源滤波器的研究[J].中国电机工程学报,2004,24（11）:

134-138.

JiangYanshu,XuDianguo,LiuYu,etal.Researchonanovelinverteroutputpassivefilter[J].In:

ProceedingsofCESS,2004,24（11）:

[15]SonY,SulS.GeneralizationofactivefiltersforEMIreductionandharmonicscompensation[C].In:

Proc.ofIEEEIAS’03,2003.

[16]OgasawaraS,AyanoH,AkagiH.Anactivecircuitforcancellationofcommon-modevoltagegeneratedbyaPWMinverter[J].IEEETrans.onPowerElectro.1998,13:

835-841.

[17]姜艳姝,徐殿国,陈希有,等.一种新颖的用于消除PWM逆变器输出共模电压的有源滤波器.中国电机工程学报,2002,22（10）:

125-129.

[18]JulianAL,CuznerR,OritiG,etal.ActivefilteringforcommonmodeconductedEMIreductioninvoltagesourceinverters[C].In:

Proc.ofIEEEAPEC’98,1998:

934-939.

[19]MeiC,BaldaJC,WaiteWP,etal.Minimizationandcancellationofcommon-modecurrents,shaftvoltagesandbearingcurrentsforinductionmotordrives[C].In:

Proc.ofIEEEPESC’03,2003:

1127-1132.

[20]ZhangH,JouanneAV.SuppressingcommonmodeconductedEMIgeneratedbyPWMdrivesystemusingadual-bridgeinverter[C].In:

1017-1020.

[21]LeeHD,SulSK.Acommonmodevoltagereductioninconverter-invertersystembyshiftingactivespacevectorinasamplingperiod[C].In:

Proc.OfIEEEAPEC’99,1999:

1046-1051.

[22]MutohN,KanesakiM,NakashimaJ,etal.Anewmethodtocontrolcommonmodecurrentsfocusingoncommonmodecurrentpathsproducedinmotordrivessystems[C].In:

Proc.ofIEEEIAS’03,2003:

459-466.

[23]NeugebauerTC,PhinneyJW,PerreaultDJ.Filtersandcomponentswithinductancecancellation[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2004,40

（2）:

483-491.

[24]WangS,LeeFC,OdendaalWG.ControllingtheparasiticparameterstoimproveEMIfilterperformance[C].In:

503-509.

[25]WangShuo,LeeFredC,VanWykJD.DesignofinductorwindingcapacitancecancellationforEMIsuppression[C].In:

Proc.ofIEEE,PESC’06,2006:

2734-2740.

[26]WangS,LeeFC,OdendaalWG.ImprovementofEMIfilterperformancewithparasiticcouplingcancellation[J].IEEETrans.onPowerElectronics,2005,20（5）:

1221-1228.