關于變頻器電磁兼容問題的探討

1.引言

開關電源已經被廣泛應用于各種電子設備或系統中。開關電路是開關電源的核心，開關電路在高頻下的通、斷過程產生大幅度的電壓跳變，即產生較大幅度的dv/dt脈沖，頻帶較寬且諧波含量豐富，是開關電源電磁干擾的重要因素[2]。電磁兼容已成為研究電力電子裝置安全、穩定運行的重要課題[3]。抑制開關電路的電磁干擾已經成為提高開關電源性能的主要途徑。電磁干擾的抑制可以從三個方面著手：干擾源，干擾途徑和敏感部位。本文結合實際工作中遇到的橫編機與變頻器的電磁兼容問題，從這三個方面進行了分析。

2.問題研究背景

本人研究的課題是：基于SPM的單相變頻器的設計。此其中，SPM是集成了逆變部分的六個IGBT的橋臂，適用于小功率的電機調速系統。這里的SPM可以是IR公司的IRAMS系列或Fairchild公司的FSBS10/15CH60或三菱公司的ps21563系列，這幾款芯片的功能類似。本文主要針對Fairchild公司的FSBS10/15CH60的SPM進行說明。

此款變頻器幫助客戶用來驅動小功率的橫編機的電機。客戶只需變頻器，至于橫編機上的參數顯示部分由他們自己解決。當把變頻器安裝到橫編機之后，運行不到二十分鐘時，液晶顯示屏幕模糊了，且成了亂碼——這說明我們的變頻器對外界的干擾很大。當把液晶顯示器挪個方向重新運行變頻器，二十分鐘過去了，沒問題，但是，還沒到半小時又變成了亂碼。這樣重復多次，結果還沒有改善。

3.變頻器輔助電路介紹

3.1 輔助電源工作原理

文中使用的反激式電源主要由一次整流電路、開關電路、二次整流電路、反饋電路、吸收電路組成。開關電路是開關電源的核心，主要由功率開關管MOSFET和高頻變壓器組成，如圖1。工作原理如下：當開關管MOSFET導通時，變壓器原邊電感儲能，當MOSFET關斷時，能量傳遞到副邊，這樣副邊就能按照設計要求輸出多組電源，其中開關管MOSFET的通斷會產生大量的電磁干擾。

通電時，電容C5瞬間短路，電流經六個120K的限流電阻后給M51996FP提供工作電流，此后電容C5慢慢充電。當電路正常工作時，電容C5兩端將得到一個相對穩定的直流電壓。此電壓不僅成為M51996FP的供電電源，同時控制M51996FP的輸出電壓的大小，見圖2虛線部分。

圖1 反激式電源線路圖

圖2 控制芯片M51996FP內部電路圖

3.2 M51996FP內部結構圖

反激式電源使用的控制芯片是三菱公司的M51996FP，電流控制型，Vcc電壓范圍是17-30V，16pin的SMD封裝，其內部框圖如圖2。

4.差模干擾與共模干擾

4.1 差模干擾的特點

大小相等、方向相反，存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模干擾侵入往返兩條信號線，方向與信號電流一致，其中一種是由信號源產生，另外一種是傳輸過程中由電磁感應產生，它和信號串在一起且同相位，一般難以抑制[3]。

圖3 傳導干擾傳播途徑

圖4 MOSFET外圍電路

圖5 MOSFET的開關電路模型

4.2 共模干擾的特點

干擾大小和方向一致，存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間。干擾信號侵入線路和接地之間，干擾電流在兩條線上各流過二分之一，以地為公共回路，原則上講，這種干擾是比較容易消除的。在實際電路中由于線路阻抗不平衡，使共模信號干擾會轉化為不易消除的串擾干擾[3]。

5.電磁干擾分析

5.1 干擾源的產生

如圖3，虛線指的是共模信號傳導途徑，實線指的是差模信號傳導途徑。

功率MOSFET、吸收電路中的二極管的反向恢復電荷、SPM內部的六個IGBT；線路中的高頻電流環路，如L1、S和濾波電容C1構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射，形成輻射干擾；如果電容C1容量不足或者高頻特性不好，其上的高頻阻抗會使高頻電流以差模形式傳導到交流電源中形成傳導干擾。

5.2 敏感部位

敏感部位即容易被干擾的電路，包括交流側電網、M51996FP等一些控制芯片、高頻變壓器原邊電感L1以及電路中的寄生參數（如變壓器的漏感、開關管與散熱器之間的寄生電容、變壓器原副邊間的寄生電容等）、液晶顯示部分電路。

5.3 干擾途徑

功率MOSFET的負載為高頻變壓器的原邊電感L1。當開關導通瞬間，L1產生很大的涌流，在L1兩端出現較高的浪涌尖峰電壓；當開關斷開瞬間，由于L1有漏磁通，導致一部分能量沒能從原邊傳到副邊，儲存在漏感中的能量將和漏極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在MOSFET的兩端，形成關斷電壓尖峰，這種電壓會產生與L1接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，并傳導到輸入輸出端，形成傳導干擾，情況嚴重的將擊穿開關管、芯片和電路中其他元件。

6.問題的解決過程

考慮到線路中的寄生參數(包括寄生電感和寄生電容)，如圖4。

考慮到在從電容C經過上拉三極管到Cgs到shunt電阻(0.82Ω)的回路中的寄生電感L。此回路是一個R、L、C串聯的二階電路。由電路理論可以知道，品質因數Q越大回路的振蕩越大、Q越小振蕩越小，如增加R、C或者減小L都會抑制振蕩。但寄生電感無法改變，所以最直接有效的辦法就是增大回路電阻R。為此，我嘗試著增大MOSFET的門極電阻，但是實驗結果證明主要干擾源頭并非在此。

正是由于MOSFET的通斷產生了主要干擾，下面主要對其進行分析研究。

開通過程分析：假定電路處態為器件處于斷態，當ug從負壓轉為正壓時，柵壓按時間常數Rg*(Cgs+Cgd)對輸入電容正向充電；當ugs>UT時，器件轉為導通，iD上升，uds下降，器件進入放大區，充電常數增大，充電速度減慢，一直到iDo減小到0，iD上升到Io，此時Vds減小到0。在這一過程中，由于Cgd的密勒效應，ugs上升緩慢，同時由于二極管Do有反向恢復電流，導致了iD在二極管Do關斷后有一個比Io幅值還大的時間段，這個反向電流通過Ld、Cds進行振蕩，直至達到峰值后迅速變為0，iD也相應地降到Io。

通過開通過程分析可知：此尖峰產生的原因之一是Cgd的密勒效應；二是吸收電路中的二極管Do的反向恢復電流。因此我在該二極管的管腳上套上磁珠，這樣可以減小反向恢復電流對電路的傳導干擾。另外，還有可能是線路中的寄生參數，因此在繪制PCB時，MOSFET附近的走線如太長，均會增大電路中的寄生參數，這是值得注意的。

通過上述分析，本文先從變頻器本身著手，重新layout，將MOSFET附近的走線盡量走短，特別是接地端；另外建議用戶把液晶顯示器緊緊地鎖在橫編機的機架上，把變頻器的外殼和橫編機也鎖緊，然后把橫編機的外殼可靠接地，并把磁環加到了變頻器的輸出端，問題解決了。

7.結語

通過上述現象可以得出：傳導干擾占主要作用，主要是公共阻抗傳導干擾，干擾源是功率MOSFET高頻開關、吸收電路中的二極管的反向恢復，耦合途徑如本節開頭所述，敏感部位是液晶顯示器中的環路和及電路中的控制芯片；線路中有高頻電流環路，如圖3中L1、S和濾波電容C1構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射，形成輻射干擾，但輻射干擾居其次。

總之，解決電磁兼容問題要從三方面入手：一是線路設計，包括濾波電路及PCB的layout；二是盡可能將敏感電路通過地屏蔽；三是破壞干擾途徑。線路設計最重要，因為布局、走線直接影響到線路的寄生參數，而這些寄生參數決定著電路的性能，它們是干擾源，只有從源頭上解決問題，才能從根本上避免電磁干擾。

[1]錢照明,程肇基.電力電子系統電磁兼容設計基礎及干擾抑制技術[M].浙江大學出版社,2000,12(第1版).

[2]任稷林.電源技術應用,2005年第4期.

[3]周志敏.共模和差模信號與濾波器[J].電源技術應用,2001年第08期.