電機驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI的抑制方法

1、電機驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI的抑制方法1引言現(xiàn)代化電機驅(qū)動系統(tǒng)（pwMe頻器-感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)）由于采用了變頻器 對電能進(jìn)行變換和控制，而使其運行特性由自然特性變?yōu)榭煽氐娜斯ぬ匦裕阅苤?標(biāo)得到極大的提高，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡單，因此這一系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)中得 到了廣泛應(yīng)用。但是由于系統(tǒng)采用了電壓源脈寬調(diào)制（pwm控制方式，變頻器中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，du/dt 、di/dt較大，開關(guān)電壓、電流均含有豐富 的高次諧波，因此電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）問題顯得尤為突出，并嚴(yán)重地影 響了周圍系統(tǒng)的正常工作。變頻器產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI是以電壓或電流的共模與差模形式出現(xiàn)的，它分為差模 EMI和共模

2、EMI。差模EMI是指由相線與中線所構(gòu)成回路中 的干擾信號；共模EMI則是指由相線或中線與地線所構(gòu)成回路中的干擾信號。對于 變頻器，多數(shù)情況下產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾是以共模EMI為主，并且共模電流流經(jīng)大地構(gòu)成回路，大地將形成天線效應(yīng)，給其他設(shè)備帶來嚴(yán)重的EMI,這使彳#共模EMI造成的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于差模EMI所造成的危害。因此共模 EMI在變頻器的電磁兼容性設(shè)計 中顯得尤為重要，而這種共模電流即為系統(tǒng)的漏電流。為此各國學(xué)者相繼圍繞著電 機系統(tǒng)的干擾源、傳播途徑和敏感設(shè)備這 3個方面開展了理論及應(yīng)用技術(shù)的研究工 作，并取得了一定的成就。總體上包括兩類：一類是通過改善控制策略和優(yōu)化電路拓 撲結(jié)構(gòu)來降低干擾源

3、的干擾強度；另一類是通過濾波器來抑制干擾的傳播。從已有工作來看，目前的抑制措施都在不同程度上增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜 性，降低了系統(tǒng)的可靠性，而且大多數(shù)工作都集中在研究如何降低和消除共模電壓， 而忽略從局部進(jìn)行改善而直接抑制共模 EMI電流，降低EMI強度的方法。為此本文針對以上的不足，提出通過減小電力電子器件與散熱器之間的耦合 寄生電容，提高漏電流傳播途徑阻抗的方法，實現(xiàn)減小漏電流，降低系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾 強度。2寄生電容與漏電流的傳播途徑在電機驅(qū)動系統(tǒng)，由于PWMI制技術(shù)被廣泛運用，線路中的電壓、電流隨功 率開關(guān)器件動作產(chǎn)生很高的 dv/出、di/dt ,電壓、電流的諧波成分從幾 kHz到幾百 M

4、Hz甚至上GHz這些高頻成分通過寄生電容和公共阻抗形成漏電流，產(chǎn)生傳導(dǎo)EMIc電機驅(qū)動系統(tǒng)漏電流的傳播主要通過兩條途徑：一條是電力電子器件與散熱器之間 的寄生電容耦合；另一條是電機的繞組和定子機殼之間的分布電容耦合。如果變頻 器輸出電纜很長的話，還要考慮通過電纜和地之間的分布電容的耦合。漏電流的返 回路徑主要是系統(tǒng)變壓器的中性點接地線，如圖1所示。圖1中，Clgm為電機的繞組和定子機殼之間的分布電容；Clgc為慮電纜和地之間的分布電容；ClgD和ClgK為電力電子器件的金屬管殼與散熱器之間的寄生 電容；ilg為漏電流。電力電子器件正常工作時，由于器件金屬殼表面存在著隨時 間變化的電荷積累，為此

5、為防止通過散熱器發(fā)生短路，在電力電子器件和散熱器中 間填有絕緣層。于是，從物理概念上看，電力電子器件與散熱器間存在著類似平行 板電容器的寄生電容，如圖 2所示。雖然此寄生電容非常微小，但對于電力電子器 件動作時所產(chǎn)生的幾百 MHz甚至上GHz的諧波電壓與電流來說，此寄生電容的阻抗 相對較小，諧波電流可以順利通過，因此兩者之間的寄生電容在高頻時不能被忽略 不計。也就是說，電力電子器件與散熱器之間的寄生電容可以將高頻諧波電壓、電 流耦合至金屬散熱器的表面，最終在以傳導(dǎo)或輻射的形式形成EMI。國：ZJVT,韋網(wǎng)日間加嘉4I電行I.,因?qū)τ谠陔姍C驅(qū)動系統(tǒng)，通過電機的繞組與機殼之間分布電容及電纜與大地之

6、間分布電容耦合的漏電流，可以通過在變頻器輸出端口安裝EMI濾波器降低共模電壓及采用屏蔽電纜的方法來抑制，并且實驗證明，這一方法是行之有效的，但對于電力電子器件與散熱器之間寄生電容這條耦合途徑，如果散熱器通過機殼接地，那 么電力電子器件與散熱器間的寄生電容就為漏電流提供了一條低阻抗耦合通路，高 頻漏電流就會流到散熱器上，再經(jīng)機殼流入公共地，最終流入交流電源的地線，從 而產(chǎn)生共模輻射使返回到交流電源地線的漏電流增加，從而加重了傳導(dǎo)EMI;相反地，如果散熱器不接地，雖然切斷了漏電流的通路，減小了漏電流的傳導(dǎo)發(fā)射，但 高頻開關(guān)電流會耦合到散熱器上，使散熱器成為一個電壓激勵的天線，從而增加了 輻射EMI

7、,但通常散熱器都是與機殼相連接的。因此，散熱片與電力電子器件間的 電容耦合是電力電子裝置產(chǎn)生共模輻射的主要原因之一。從物理概念上講，減小散熱器的尺寸可以減小電力電子器件與散熱器間的寄 生電容，從而增大回路的阻抗，降低散熱器 EMI的發(fā)射量，但是，隨著散熱器尺寸 的減小，散熱器的散熱效率也同時被降低了，這不利于電力電子器件的可靠工作， 并且隨著電力電子器件功率及開關(guān)頻率的不斷增大，器件的發(fā)熱量也在不斷提高， 因此，試圖依靠簡單地減小散熱器的尺寸或接地、不接地以達(dá)到降低散熱器EMI的發(fā)射量是不可行的。而隨著電力電子器件功率及開關(guān)頻率的不斷升高，由散熱器造 成的EMI將越來越明顯，但目前大多數(shù)研究都

8、是集中在散熱器的輻射EMI問題，而通過減小電力電子器件與散熱器間的寄生電容達(dá)到抑制傳導(dǎo)EMI的方法往往被忽視，關(guān)于這一方法的文獻(xiàn)還未見詳細(xì)報道。3減小漏電流的措施3.1 措施的提出變頻器正常工作時，由于每一相橋臂的上、下功率元件是輪流開通的， 因此 三相橋臂的中點電位也相應(yīng)地隨之發(fā)生階躍變化，從而導(dǎo)致功率器件與散熱片之間 產(chǎn)生位移電流，即漏電流，大小為dn:dr式中：ilg為每個橋臂的漏電流；Cj為電力電子器件與散熱器之間的寄生電 容；Uds為直流母線電壓；tr , td分別為電力電子器件的開通和關(guān)斷時間。對整流器橋與散熱器之間的漏電流情況跟逆變器一樣，只是沒有逆變部分的開關(guān)頻率高而已。由式（

9、1）可得，通過減小寄生電容 Cj和減小電壓變化率dUds/dt均可以 降低漏電流ilg，但減小電壓變化率dUds/dt ,將增加器件的開關(guān)損耗，加大器件的 發(fā)熱量，這不利于器件的可靠工作，而且還與當(dāng)前電力電子發(fā)展的大方向（高開關(guān) 頻率）相悖；而通過減小散熱器底面的尺寸或增加絕緣層厚度來減小寄生電容Cj ,同樣降低了散熱器的散熱效率，不利于器件的可靠工作。根據(jù)電磁場理論可知，如果在電場中植入接地的屏蔽體，可以切斷電場的傳播，減小電場耦合，為此可在電力電子器件與散熱器之間植入一個電位為零的屏蔽 層，使電力電子器件與散熱器之間寄生電容減小，達(dá)到降低共模EMI電流的目的，如圖3所示。此時電路模型的變化

10、如圖 4所示。從耦合途徑上看，也就是減小了寄 生電容Cj,增大了阻抗。國r中力M3 閏啟修13.2 等效電路分析設(shè)金屬屏蔽層對地阻抗為 Z1,由于在干擾源和接收器之間植入屏蔽層后，干擾源和接收器之間得直接耦合作用將會變得很小，直接耦合寄生電容C3可以忽略不計，所以根據(jù)圖4b所示模型可得接收器上的感應(yīng)電壓為由式（2）可見，對于已給定的干擾源和接收器，要使接收器上的感應(yīng)電壓 Us減小，則必須使屏蔽層的對地阻抗 Z1 （屏蔽層阻抗和接地線阻抗之和）最小，于 是屏蔽層必須具有極大的電導(dǎo)率，并且屏蔽層還應(yīng)與系統(tǒng)地接觸良好。反之，如果 屏蔽層與系統(tǒng)地接觸不良或不接地，則會因為干擾源與屏蔽層兩者之間距小于原

11、干 擾源與接收器之間的距離而使寄生電容 C1 > Cj ,導(dǎo)致加屏蔽層后漏電流（共模電 流）反而會變大，從而使 EMI變大。4寄生電容參數(shù)的數(shù)值提取在電機驅(qū)動系統(tǒng)中，電力電子器件主要采用功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET或者絕緣柵雙極晶體管（IGBD ,開關(guān)頻率從20 kHz到400 kHz它們的特點是漏源 極電壓Uds波形的電壓變化率（duds /dt ）很高，含有大量的高頻諧波成分，而且 散熱器底面積通常比器件的金屬外殼大很多，使得電場的邊沿效應(yīng)及高頻情況下的 媒質(zhì)色散特性等影響了該電容的數(shù)值，因此散熱器與電力電子器件間的寄生電容已 不能采用靜電場推得的基本平行板電容公式進(jìn)行近似計算，為

12、此采用有限元計算軟 件ANSYS對實驗系統(tǒng)的IGBT與散熱器之間的寄生電容進(jìn)行了數(shù)值計算。為簡化計算，假設(shè)散熱器和電力電子器件的計算模型均為導(dǎo)電金屬板，體積分別為20mnX 15mm< 2mmf口 100mm< 60m醒5mm兩者間距為0.6mmrt而屏蔽層為20mm X15mmc 0.2mm的銅薄，它與散熱器之間距離為 0.2mm散熱器與IGBT之間以電壓 源激勵，電壓源是頻率為 150kHz30MHz （CISPR17標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定傳導(dǎo)EMI頻率為 150kHz30MHZ幅彳1為1V的正弦信號。計算所得兩者之間在某一頻率時電力線及 散熱器底面電場強度分布如圖 5、圖6所示。兩者之間寄

13、生電容的頻率特性如圖 7 所示。蛭由圖7可見，在散熱片與電力電子器件間植入屏蔽層后，散熱片與電力電子器件之間的寄生電容顯著減小，同時還可以看出，媒質(zhì)具有色散特性，使得寄生電 容值隨著頻率的升高而減小。5仿真與實驗為了驗證所提方法對抑制漏電流有效，進(jìn)行了如下的仿真與實驗。仿真條件。選用仿真軟件Saber20003,仿真參數(shù)為：調(diào)制波頻率50Hz,載波 頻率20kHz,調(diào)制深度0.9 ,參考點為電源地。實驗條件。變頻器參數(shù)為：調(diào)制波頻率50Hz,開關(guān)頻率20 kHz, SPWMI制 方式，輸出電壓0-380 V,輸出電流2.5150A。感應(yīng)電動機參數(shù)為：額定功率3kW 額定電壓380V,額定電流6

14、.5A,額定頻率50Hz,額定轉(zhuǎn)速1440r/min 。屏蔽層植入方法：屏蔽層與變頻器逆變部分的直流輸入端 0V電位點相連接，散熱器與機殼相接, 且機殼接地。圖8、圖9分別為無/有屏蔽層時變頻器機殼漏電流（所有散熱器漏電流之和）的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果。比較圖 8和圖9可見，在散熱片與電力電子器件間植 入屏蔽層后，漏電流明顯減小。這主要是由于植入屏蔽層后，散熱片與電力電子器 件間的寄生電容減小，漏電流的傳播路徑阻抗增大，從而降低了漏電流。nii十聞條次即第”也餐出討“中鼻Milk用*力尚象時不小也*出什乂電飛jm *iij-UI ttbUtt圖10為電力電子器件與散熱器之間有/無屏蔽層時實驗系統(tǒng)的

15、傳導(dǎo) EMI頻譜，其中曲線1為沒有屏蔽層時的傳導(dǎo) EMI頻譜，曲線2為有屏蔽層時的傳導(dǎo)EMI頻譜，比較曲線1、曲線2可見，電子器件與散熱器之間植入屏蔽層后系統(tǒng)會因漏 電流的減小而使傳導(dǎo)EMI明顯減弱。醞畫| EMV1flfflfHi 14 fl ft呈酎吉歸施信耳0博6結(jié)論本文在分析了電機系統(tǒng)漏電流傳播途徑的基礎(chǔ)上，提出通過在電力電子器件與散熱器之間植入高電導(dǎo)率的金屬屏蔽層，切斷耦合電場的傳播，以此減小兩器件 間的寄生電容及電場耦合，實現(xiàn)減小漏電流，達(dá)到降低共模EMI強度的目的。實驗與仿真均證明此方法簡單有效，具有較大的實用價值。同時也說明，在散熱器的實 際選用和安裝過程之前應(yīng)考慮寄生電容對共模EMI信號的耦合作用，并對其進(jìn)行預(yù)測，以實現(xiàn)在最便捷的條件下得到最小的耦合電容，達(dá)到降低共模EMI強度的目的。僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Z