無刷直流電機驅動系統傳導電磁干擾分析及EMI濾波器的設計研究

謝仁和，李彬彬，招 聰，孔 昕

無刷直流電機驅動系統傳導電磁干擾分析及EMI濾波器的設計研究

謝仁和，李彬彬，招 聰，孔 昕

（中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082）

無刷直流電機以運行效率高、調速性能好等優點在工業領域有很好的應用前景，然而伴隨功率電路的高頻化和集成化，電機驅動系統的傳導電磁干擾也越發明顯。本文利用電路等效法，分析了電機驅動系統差、共模干擾噪聲傳播路徑，分別得到了其等效電路及參數。在此基礎上，根據無刷電機調速控制原理，分析了負載變化對傳導干擾噪聲產生的影響。EMI濾波器作為抑制傳導電磁干擾的主要手段，本文闡述了其研究現狀和發展趨勢，提出了差、共模濾波器解耦設計方法，對EMI濾波器設計具有較好的參考價值。

無刷直流電機 傳導電磁干擾 EMI濾波器 寄生參數

0 引言

隨著永磁材料和功率電子元器件的不斷進步，永磁無刷直流電動機得到了快速的發展，被廣泛地用于工業自動化、船舶、航空、航天和水下裝備等各個領域[1]。伴隨著各種功率管頻率和集成度的提高，電機驅動系統中的電磁兼容問題也越來越受到科研工作者的關注。據研究[2~3]，目前電力電子系統內電磁干擾仍然以傳導干擾為主，EMI濾波器是抑制該類干擾的經濟有效手段。

本文首先研究影響三相無刷直流電機驅動系統傳導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，分析負載變化對噪聲的影響，隨后闡述EMI濾波器的發展現狀，并詳細給出了EMI濾波器的設計流程。

1 電機驅動系統噪聲分析

1.1 差、共模噪聲

傳導干擾噪聲分為兩種：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器件在開關過程中產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生差模和共模噪聲。一般共模噪聲不直接影響設備，但是由于電流回路阻抗的不對稱，通常會轉化為差模電壓來影響設備有用信號，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

傳導干擾噪聲的測試需要線性阻抗穩定網絡(LISN)(圖2)，接于人工供電電源與待測設備之間，起高頻隔離作用，避免來自供電電源的噪聲進入待測設備，影響測量結果。測量所得的差模噪聲DM，即噪聲電流在標準負載阻抗load產生的電壓信號“差”值的平均值|1-2|/2；而共模噪聲CM，則是負載阻抗上電壓信號“和”值的平均值|1+2|/2。其計量單位常用dBμV表示，即以10為對數底，1 μV為基準電壓的對數值的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，圖2中的單相LISN適合9 K~30 MHz的噪聲頻段測量。實際測量時，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 驅動系統共模噪聲分析

圖3為帶LISNs以及寄生參數的三相無刷直流電機驅動系統，其中s-heatsink為開關管與散熱片之間的等效電容，一般為幾十pF；s-chassis為電機繞組與機殼之間的等效電容，一般能達到幾個nF。由此中性點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為中性點處電壓，CLG為直流電源內部對地電容(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，導致測得的共模噪聲CM遠大于實際值，而實際測量中又無法避免LISNs的使用。

圖3 帶LISNs及寄生參數的三相無刷直流電機驅動系統

1.3 驅動系統差模噪聲分析

寄生參數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，電阻的等效串聯電感ESL不可忽略，而電感的等效并聯電容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，繞組更多表現為容性，EPC為噪聲電流提供了低阻抗路徑。另外，在實際工作條件下，直流母線引線長度遠大于三相逆變橋臂，因此高頻時直流母線等效串聯電感busbar遠大于三相逆變橋臂引線感lead，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式可知，在LISNs參數不變的情況下，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，實際設計中應盡量減小其值。

1.4 負載變化對噪聲影響

無刷直流電機的工作原理是，根據轉子位置給定子繞組不斷的換相通電，使定子磁場與轉子永磁磁場始終保持正交，從而產生轉矩推動轉子旋轉。本文以三相無刷直流電機(定子A、B、C三相對稱，60°相帶分布)星形連接全橋驅動以及通電邏輯為AB-AC-BC-BA-CA-CB的方式(表1)，分析負載變化對噪聲的影響，由于電機一般用于調速場合，假設負載變化時電機轉速不變。

在實際工作中，每個開關管不可能完全導通120個電角度，輕載時導通角度小，開關管觸發信號、反電勢、中性點電壓O波形如圖7所示。其中，中性點電壓有效值為：

表1 三相星形連接全橋驅動的通電規律

由于輕載時，開關管觸發信號占空比較小，即0較大，因此中性點電壓有效值較大。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重。

圖7 電機驅動系統主要變量波形

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。有源濾波器技術的實質就是對噪聲信號進行檢測并產生反相位的電流實時補償，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)，結構簡單，高頻濾波效果好。隨著平面電感和變壓器的出現，EMI濾波器的平面集成已然成為電力電子系統小型化、集成化的必然趨勢。文獻[5]利用PCB印刷電路板技術提出一種集成有源EMI濾波器，與分立元件構成的濾波器相比體積減小24%，進一步采用平面磁芯可減小40%；文獻[6]提出的矩形無源平面EMI濾波器在結構上最具代表性(圖8b)，其核心單元是感容集成元件，達到共模電感、共模電容以及差模電感集成之效果。

圖8 EMI濾波器

2.2 EMI濾波器設計

EMI濾波器的不合理設計，輕則會增加電路的干擾，重則會導致電路工作不穩定。文獻[7]提出了根據設計阻抗和插入損耗的要求來選擇濾波網絡，估算濾波器元件參數，通過不斷分析濾波器插入損耗來修正元件參數，校核運算較為復雜；文獻[8]將電源中的共模干擾和差模干擾分離出來，根據實際測量干擾信號的頻譜來確定EMI濾波器的實際參數，提出了分離差模和共模電磁干擾，分別設計EMI濾波器參數的思路；文獻[9]引入衰減曲線，用以確定濾波器轉折頻率，再根據轉折頻率的大小來設計濾波器參數。本文采用EMI濾波器差、共模解耦并引入噪聲目標衰減曲線設計法，簡化了濾波器的設計流程。

通過LISN噪聲提取出來的EMI噪聲，為各相線上的總噪聲，需經噪聲分離器將其分離為共模及差模兩部分。若傳導干擾噪聲在所選標準規定頻率范圍內超出限值，需要加入EMI濾波器衰減到標準限值以下。理想情況下，單級低通LC濾波器在轉折頻率之后，其衰減斜率為40 dB/dec，通常做法是將噪聲值減去標準值得到衰減目標線，然后將40 dB/dec斜率的直線平移直至與衰減目標線相切，斜率線反向延長與頻率軸的交點即為所需設計濾波器的差、共模轉折頻率CM和DM[10]，如圖9所示。在此基礎上，為防止濾波后個別頻率上的噪聲依然超過標準范圍，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曲線

圖10 EMI濾波器的解耦

在假設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，根據工程經驗，一般設計在1-5nF之間，由此共模電感值CM由下式決定：

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，需要與外電路結合起來設計，一般取值在10~20 μH之間，差模電容X由下式決定：

由此EMI濾波器的主要電磁參數均已確定。

3 結論

本文以無刷直流驅動系統為研究對象，從等效電路出發，分析了其傳導電磁干擾及EMI濾波器設計流程，得到如下結論：

1) 噪聲測量中用到的LISNs為共模噪聲提供了低阻抗路徑，導致測得的共模噪聲遠大于實際值；

2) 電機三相繞組的等效并聯電容和直流母線的等效串聯電感越大，系統中的差模噪聲越嚴重，設計過程中應盡量減小其值；

3) 在電機轉速不變的情況下，電機輕載時，驅動中的共模噪聲增強而差模噪聲減弱，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小型化、集成化發展的必然趨勢；

5) EMI濾波器解耦成差、共模濾波器兩部分，結合噪聲分離技術，為設計EMI濾波器提供了方便快捷的技術和途徑。

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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：船舶電力系統設計、電機控制。Email：18502507235@163.com