謝仁和，李彬彬，招 聰，孔 昕

無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾分析及EMI濾波器的設(shè)計(jì)研究

謝仁和，李彬彬，招 聰，孔 昕

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

無刷直流電機(jī)以運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，然而伴隨功率電路的高頻化和集成化，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的傳導(dǎo)電磁干擾也越發(fā)明顯。本文利用電路等效法，分析了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)差、共模干擾噪聲傳播路徑，分別得到了其等效電路及參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)無刷電機(jī)調(diào)速控制原理，分析了負(fù)載變化對傳導(dǎo)干擾噪聲產(chǎn)生的影響。EMI濾波器作為抑制傳導(dǎo)電磁干擾的主要手段，本文闡述了其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，提出了差、共模濾波器解耦設(shè)計(jì)方法，對EMI濾波器設(shè)計(jì)具有較好的參考價值。

無刷直流電機(jī) 傳導(dǎo)電磁干擾 EMI濾波器 寄生參數(shù)

0 引言

隨著永磁材料和功率電子元器件的不斷進(jìn)步，永磁無刷直流電動機(jī)得到了快速的發(fā)展，被廣泛地用于工業(yè)自動化、船舶、航空、航天和水下裝備等各個領(lǐng)域[1]。伴隨著各種功率管頻率和集成度的提高，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的電磁兼容問題也越來越受到科研工作者的關(guān)注。據(jù)研究[2~3]，目前電力電子系統(tǒng)內(nèi)電磁干擾仍然以傳導(dǎo)干擾為主，EMI濾波器是抑制該類干擾的經(jīng)濟(jì)有效手段。

本文首先研究影響三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)共模電磁干擾與差模電磁干擾的主要因素以及噪聲傳播路徑，分析負(fù)載變化對噪聲的影響，隨后闡述EMI濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀，并詳細(xì)給出了EMI濾波器的設(shè)計(jì)流程。

1 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)噪聲分析

1.1 差、共模噪聲

傳導(dǎo)干擾噪聲分為兩種：一種是將相線與相線作為傳播路徑，即差模干擾DM；另一種是以相線與地線作為傳播線路，即共模干擾CM，如圖1。電力電子裝置的主功率開關(guān)器件在開關(guān)過程中產(chǎn)生很高的電流和電壓變化率，即d/d與d/d，它們分別通過電路中寄生電感和寄生電容產(chǎn)生差模和共模噪聲。一般共模噪聲不直接影響設(shè)備，但是由于電流回路阻抗的不對稱，通常會轉(zhuǎn)化為差模電壓來影響設(shè)備有用信號，因此，差模及共模噪聲都必須得到精確測量，并有效抑制。

圖1 差、共模噪聲傳播路徑

傳導(dǎo)干擾噪聲的測試需要線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)(圖2)，接于人工供電電源與待測設(shè)備之間，起高頻隔離作用，避免來自供電電源的噪聲進(jìn)入待測設(shè)備，影響測量結(jié)果。測量所得的差模噪聲DM，即噪聲電流在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載阻抗load產(chǎn)生的電壓信號“差”值的平均值|1-2|/2；而共模噪聲CM，則是負(fù)載阻抗上電壓信號“和”值的平均值|1+2|/2。其計(jì)量單位常用dBμV表示，即以10為對數(shù)底，1 μV為基準(zhǔn)電壓的對數(shù)值的20倍。

圖2 噪聲測試原理

LISN的選擇也與噪聲測試的頻段有關(guān)，圖2中的單相LISN適合9 K~30 MHz的噪聲頻段測量。實(shí)際測量時，單相電路往往需要兩臺單相LISN，三相電路則需要三相LISN。

1.2 驅(qū)動系統(tǒng)共模噪聲分析

圖3為帶LISNs以及寄生參數(shù)的三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其中s-heatsink為開關(guān)管與散熱片之間的等效電容，一般為幾十pF；s-chassis為電機(jī)繞組與機(jī)殼之間的等效電容，一般能達(dá)到幾個nF。由此中性點(diǎn)O處的電壓變化通過對地電容s-chassis成為主要的共模干擾源，共模噪聲傳播路徑如圖4(a)，其中O為中性點(diǎn)處電壓，CLG為直流電源內(nèi)部對地電容(pF級別)，由于CLG相對于LISNs中的濾波電容1和2(μF級別)小的多，因此共模噪聲路徑主要為P1和P2。經(jīng)戴維南等效得圖4(b)，其中S1為等效共模噪聲電壓源，S1為等效共模噪聲源阻抗。

圖4 共模噪聲傳播路徑及等效電路

由上述分析可得：

由源阻抗表達(dá)式可知，電容1和2容值越大，則共模噪聲源阻抗S1阻抗值越小，即LISNs的存在為共模噪聲提供了低阻抗路徑，導(dǎo)致測得的共模噪聲CM遠(yuǎn)大于實(shí)際值，而實(shí)際測量中又無法避免LISNs的使用。

圖3 帶LISNs及寄生參數(shù)的三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

1.3 驅(qū)動系統(tǒng)差模噪聲分析

寄生參數(shù)的存在決定了無源元件正常工作的頻率范圍，如圖5所示，高頻時，電阻的等效串聯(lián)電感ESL不可忽略，而電感的等效并聯(lián)電容EPC對電感的高頻阻抗值起主要決定作用[4]。

圖5 無源元件高頻等效電路

圖3所示，電機(jī)三相繞組中通過高頻差模噪聲電流時，由于EPC的存在，繞組更多表現(xiàn)為容性，EPC為噪聲電流提供了低阻抗路徑。另外，在實(shí)際工作條件下，直流母線引線長度遠(yuǎn)大于三相逆變橋臂，因此高頻時直流母線等效串聯(lián)電感busbar遠(yuǎn)大于三相逆變橋臂引線感l(wèi)ead，因此直流母線電流變化率d/d在busbar上引起的電壓變化L成為主要的差模噪聲干擾源。圖6(a)給出了差模噪聲傳播路徑，經(jīng)戴維南等效得圖6(b)，其中S2為等效差模噪聲電壓源，S2為等效差模噪聲源阻抗。

圖6 差模噪聲傳播路徑及等效電路

由上述分析可得：

由等效差模噪聲電源表達(dá)式可知，在LISNs參數(shù)不變的情況下，三相繞組的寄生電容和直流母線的寄生感對差模噪聲源起著主要決定作用，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小其值。

1.4 負(fù)載變化對噪聲影響

無刷直流電機(jī)的工作原理是，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置給定子繞組不斷的換相通電，使定子磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場始終保持正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。本文以三相無刷直流電機(jī)(定子A、B、C三相對稱，60°相帶分布)星形連接全橋驅(qū)動以及通電邏輯為AB-AC-BC-BA-CA-CB的方式(表1)，分析負(fù)載變化對噪聲的影響，由于電機(jī)一般用于調(diào)速場合，假設(shè)負(fù)載變化時電機(jī)轉(zhuǎn)速不變。

在實(shí)際工作中，每個開關(guān)管不可能完全導(dǎo)通120個電角度，輕載時導(dǎo)通角度小，開關(guān)管觸發(fā)信號、反電勢、中性點(diǎn)電壓O波形如圖7所示。其中，中性點(diǎn)電壓有效值為：

表1 三相星形連接全橋驅(qū)動的通電規(guī)律

由于輕載時，開關(guān)管觸發(fā)信號占空比較小，即0較大，因此中性點(diǎn)電壓有效值較大。由公式(1)可知，此時等效共模噪聲源電壓較大，即輕載時共模噪聲干擾較重載時嚴(yán)重。而重載時直流母線電流較大，電流變化率d/d較輕載時大得多，因此差模噪聲干擾嚴(yán)重。

圖7 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要變量波形

2 EMI濾波器

2.1 EMI濾波器種類

EMI濾波器分有源與無源兩種。有源濾波器技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是對噪聲信號進(jìn)行檢測并產(chǎn)生反相位的電流實(shí)時補(bǔ)償，其低頻濾波效果較好，適用于工作電流較小的場合；無源EMI濾波器是由電感、電容組成的雙向低通濾波器(圖 8a)，結(jié)構(gòu)簡單，高頻濾波效果好。隨著平面電感和變壓器的出現(xiàn)，EMI濾波器的平面集成已然成為電力電子系統(tǒng)小型化、集成化的必然趨勢。文獻(xiàn)[5]利用PCB印刷電路板技術(shù)提出一種集成有源EMI濾波器，與分立元件構(gòu)成的濾波器相比體積減小24%，進(jìn)一步采用平面磁芯可減小40%；文獻(xiàn)[6]提出的矩形無源平面EMI濾波器在結(jié)構(gòu)上最具代表性(圖8b)，其核心單元是感容集成元件，達(dá)到共模電感、共模電容以及差模電感集成之效果。

圖8 EMI濾波器

2.2 EMI濾波器設(shè)計(jì)

EMI濾波器的不合理設(shè)計(jì)，輕則會增加電路的干擾，重則會導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[7]提出了根據(jù)設(shè)計(jì)阻抗和插入損耗的要求來選擇濾波網(wǎng)絡(luò)，估算濾波器元件參數(shù)，通過不斷分析濾波器插入損耗來修正元件參數(shù)，校核運(yùn)算較為復(fù)雜；文獻(xiàn)[8]將電源中的共模干擾和差模干擾分離出來，根據(jù)實(shí)際測量干擾信號的頻譜來確定EMI濾波器的實(shí)際參數(shù)，提出了分離差模和共模電磁干擾，分別設(shè)計(jì)EMI濾波器參數(shù)的思路；文獻(xiàn)[9]引入衰減曲線，用以確定濾波器轉(zhuǎn)折頻率，再根據(jù)轉(zhuǎn)折頻率的大小來設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)。本文采用EMI濾波器差、共模解耦并引入噪聲目標(biāo)衰減曲線設(shè)計(jì)法，簡化了濾波器的設(shè)計(jì)流程。

通過LISN噪聲提取出來的EMI噪聲，為各相線上的總噪聲，需經(jīng)噪聲分離器將其分離為共模及差模兩部分。若傳導(dǎo)干擾噪聲在所選標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頻率范圍內(nèi)超出限值，需要加入EMI濾波器衰減到標(biāo)準(zhǔn)限值以下。理想情況下，單級低通LC濾波器在轉(zhuǎn)折頻率之后，其衰減斜率為40 dB/dec，通常做法是將噪聲值減去標(biāo)準(zhǔn)值得到衰減目標(biāo)線，然后將40 dB/dec斜率的直線平移直至與衰減目標(biāo)線相切，斜率線反向延長與頻率軸的交點(diǎn)即為所需設(shè)計(jì)濾波器的差、共模轉(zhuǎn)折頻率CM和DM[10]，如圖9所示。在此基礎(chǔ)上，為防止濾波后個別頻率上的噪聲依然超過標(biāo)準(zhǔn)范圍，可以考慮一個6 dB的衰減裕量，以保證EMI濾波器的濾波效果。

圖9 噪聲分離及衰減目標(biāo)曲線

圖10 EMI濾波器的解耦

在假設(shè)濾波器電路具有理想的阻抗對稱性前提下，EMI濾波器可以解耦為DM和CM兩部分(圖10)。出于安全接地考慮，EMI濾波器的共模電容值Y不能過大，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般設(shè)計(jì)在1-5nF之間，由此共模電感值CM由下式?jīng)Q定：

為防止磁芯磁擺幅過大和磁飽和，EMI濾波器的差模電感DM也不能過大，需要與外電路結(jié)合起來設(shè)計(jì)，一般取值在10~20 μH之間，差模電容X由下式?jīng)Q定：

由此EMI濾波器的主要電磁參數(shù)均已確定。

3 結(jié)論

本文以無刷直流驅(qū)動系統(tǒng)為研究對象，從等效電路出發(fā)，分析了其傳導(dǎo)電磁干擾及EMI濾波器設(shè)計(jì)流程，得到如下結(jié)論：

1) 噪聲測量中用到的LISNs為共模噪聲提供了低阻抗路徑，導(dǎo)致測得的共模噪聲遠(yuǎn)大于實(shí)際值；

2) 電機(jī)三相繞組的等效并聯(lián)電容和直流母線的等效串聯(lián)電感越大，系統(tǒng)中的差模噪聲越嚴(yán)重，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量減小其值；

3) 在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，電機(jī)輕載時，驅(qū)動中的共模噪聲增強(qiáng)而差模噪聲減弱，重載時則相反；

4) EMI濾波器的平面電磁集成是電力電子系統(tǒng)小型化、集成化發(fā)展的必然趨勢；

5) EMI濾波器解耦成差、共模濾波器兩部分，結(jié)合噪聲分離技術(shù)，為設(shè)計(jì)EMI濾波器提供了方便快捷的技術(shù)和途徑。

[1] 葉金虎. 無刷直流電動機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 微特電機(jī), 2005, (1): 41-42.

[2] 錢照明, 程肇基. 電力電子系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及干擾抑制技術(shù)[M]. 杭州: 浙江大學(xué)出版社, 2000.

[3] 馬偉明. 電力電子系統(tǒng)中的電磁兼容[M]. 武漢: 武漢水利電力大學(xué)出版社，2000.1

[4] 袁義生. 功率變換器電磁干擾的建模[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2002.

[5] Juergen Biela, Alexander Wirthmueller, Roman Waespe, et al. Passive and active hybrid integrated EMI filters[J]. IEEE Trans. on PE, 2009, 24(5): 1340-1349.

[6] Chen RG. Integrated EMI filters for switch mode power supplies[D]. Virginia: Virginia Polytechnic Institute and State University, 2004.

[7] Timothy M. Pullen, Richard Lee Ozenbaugh. EMI Filter Design[M]. The Chemical Rubber Company Press, 2011.

[8] Paul.CR, 聞映紅(譯). 電磁兼容導(dǎo)論[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[9] Shi FH, Chen D, Wu Y, Chen Y. A procedure for designing EMI filters for AC line applications[J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 1996, 11(1): 170-181.

[10]季清, 阮新波, 楊飛, 徐明. EMI濾波器基本原理研究及兩級濾波器優(yōu)化[C]. 中國電工技術(shù)學(xué)會電力電子學(xué)會第十一屆學(xué)術(shù)年會, 杭州, 2008, 1-7.

Analysis of Conducted Electromagnetic Interference on Brushless DC Motor Drive System and Research on Design of EMI Filter

Xie Renhe, Li Binbin, Zhao Cong, Kong Xin

（China Ship Scientific Research Center, Wuxi 21408, Jiangsu China）

TM33

A

1003-4862（2021）07-0056-05

2020-12-09

謝仁和（1989-），碩士，工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)控制。Email：18502507235@163.com