电机驱动系统传导干扰-电磁干扰(EMI)的抑制措施

pwm · 发表于 2007-10-15 12:56:35

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<div class="content">1 引言     现代化电机驱动系统（

WM变频器-感应电机驱动系统）由于采用了变频器对电能进行变换和控制，而使其运行特性由自然特性变为可控的人工特性，性能指标得到极大的提高，并且系统结构紧凑、控制简单，因此这一系统在现代工业中得到了广泛应用。但是由于系统采用了电压源脉宽调制（

WM）控制方式，变频器中的电力电子器件工作在开关状态，du/dt 、di/dt较大，开关电压、电流均含有丰富的高次谐波，因此电机驱动系统的电磁干扰（EMI）问题显得尤为突出，并严重地影响了周围系统的正常工作。变频器产生的传导EMI是以电压或电流的共模与差模形式出现的，它分为差模EMI和共模EMI。差模EMI是指由相线与中线所构成回路中的干扰信号；共模EMI则是指由相线或中线与地线所构成回路中的干扰信号。对于变频器，多数情况下产生的传导干扰是以共模EMI为主，并且共模电流流经大地构成回路，大地将形成天线效应，给其他设备带来严重的EMI，这使得共模EMI造成的危害远远大于差模EMI所造成的危害。因此共模EMI在变频器的电磁兼容性设计中显得尤为重要，而这种共模电流即为系统的漏电流。为此各国学者相继围绕着电机系统的干扰源、传播途径和敏感设备这3个方面开展了理论及应用技术的研究工作，并取得了一定的成就。总体上包括两类:一类是通过改善控制策略和优化电路拓扑结构来降低干扰源的干扰强度；另一类是通过滤波器来抑制干扰的传播。    从已有工作来看，目前的抑制措施都在不同程度上增加了系统的成本和复杂性，降低了系统的可靠性，而且大多数工作都集中在研究如何降低和消除共模电压，而忽略从局部进行改善而直接抑制共模EMI电流，降低EMI强度的方法。    为此本文针对以上的不足，提出通过减小电力电子器件与散热器之间的耦合寄生电容，提高漏电流传播途径阻抗的方法，实现减小漏电流，降低系统传导干扰强度。    2 寄生电容与漏电流的传播途径    在电机驱动系统，由于

WM调制技术被广泛运用，线路中的电压、电流随功率开关器件动作产生很高的dv/dt、di/dt，电压、电流的谐波成分从几kHz到几百MHz甚至上GHz，这些高频成分通过寄生电容和公共阻抗形成漏电流，产生传导EMI。电机驱动系统漏电流的传播主要通过两条途径：一条是电力电子器件与散热器之间的寄生电容耦合；另一条是电机的绕组和定子机壳之间的分布电容耦合。如果变频器输出电缆很长的话，还要考虑通过电缆和地之间的分布电容的耦合。漏电流的返回路径主要是系统变压器的中性点接地线，如图1所示。    <img src="http://l-v.nstl.gov.cn/stdLve/CollInfo/images/2006/12/11/70239.jpg" />    图1中，Clgm为电机的绕组和定子机壳之间的分布电容；Clgc为虑电缆和地之间的分布电容；ClgD和ClgK为电力电子器件的金属管壳与散热器之间的寄生电容；ilg为漏电流。电力电子器件正常工作时，由于器件金属壳表面存在着随时间变化的电荷积累，为此为防止通过散热器发生短路，在电力电子器件和散热器中间填有绝缘层。于是，从物理概念上看，电力电子器件与散热器间存在着类似平行板电容器的寄生电容，如图2所示。虽然此寄生电容非常微小，但对于电力电子器件动作时所产生的几百MHz甚至上GHz的谐波电压与电流来说，此寄生电容的阻抗相对较小，谐波电流可以顺利通过，因此两者之间的寄生电容在高频时不能被忽略不计。也就是说，电力电子器件与散热器之间的寄生电容可以将高频谐波电压、电流耦合至金属散热器的表面，最终在以传导或辐射的形式形成EMI。    <img src="http://l-v.nstl.gov.cn/stdLve/CollInfo/images/2006/12/11/70240.jpg" />    对于在电机驱动系统，通过电机的绕组与机壳之间分布电容及电缆与大地之间分布电容耦合的漏电流，可以通过在变频器输出端口安装EMI滤波器降低共模电压及采用屏蔽电缆的方法来抑制，并且实验证明，这一方法是行之有效的，但对于电力电子器件与散热器之间寄生电容这条耦合途径，如果散热器通过机壳接地，那么电力电子器件与散热器间的寄生电容就为漏电流提供了一条低阻抗耦合通路，高频漏电流就会流到散热器上，再经机壳流入公共地，最终流入交流电源的地线，从而产生共模辐射使返回到交流电源地线的漏电流增加，从而加重了传导EMI；相反地，如果散热器不接地，虽然切断了漏电流的通路，减小了漏电流的传导发射，但高频开关电流会耦合到散热器上，使散热器成为一个电压激励的天线，从而增加了辐射EMI，但通常散热器都是与机壳相连接的。因此，散热片与电力电子器件间的电容耦合是电力电子装置产生共模辐射的主要原因之一。    从物理概念上讲，减小散热器的尺寸可以减小电力电子器件与散热器间的寄生电容，从而增大回路的阻抗，降低散热器EMI的发射量，但是，随着散热器尺寸的减小，散热器的散热效率也同时被降低了，这不利于电力电子器件的可靠工作，并且随着电力电子器件功率及开关频率的不断增大，器件的发热量也在不断提高，因此，试图依靠简单地减小散热器的尺寸或接地、不接地以达到降低散热器EMI的发射量是不可行的。而随着电力电子器件功率及开关频率的不断升高，由散热器造成的EMI将越来越明显，但目前大多数研究都是集中在散热器的辐射EMI问题，而通过减小电力电子器件与散热器间的寄生电容达到抑制传导EMI的方法往往被忽视，关于这一方法的文献还未见详细报道。    3 减小漏电流的措施    3.1 措施的提出    变频器正常工作时，由于每一相桥臂的上、下功率元件是轮流开通的，因此三相桥臂的中点电位也相应地随之发生阶跃变化，从而导致功率器件与散热片之间产生位移电流，即漏电流，大小为    <img src="http://l-v.nstl.gov.cn/stdLve/CollInfo/images/2006/12/11/70241.jpg" />    式中: ilg为每个桥臂的漏电流；Cj为电力电子器件与散热器之间的寄生电容；Uds为直流母线电压；tr，td分别为电力电子器件的开通和关断时间。    对整流器桥与散热器之间的漏电流情况跟逆变器一样，只是没有逆变部分的开关频率高而已。    由式（1）可得，通过减小寄生电容Cj和减小电压变化率dUds/dt 均可以降低漏电流ilg，但减小电压变化率dUds/dt，将增加器件的开关损耗，加大器件的发热量，这不利于器件的可靠工作，而且还与当前电力电子发展的大方向（高开关频率）相悖；而通过减小散热器底面的尺寸或增加绝缘层厚度来减小寄生电容Cj，同样降低了散热器的散热效率，不利于器件的可靠工作。    根据电磁场理论可知，如果在电场中植入接地的屏蔽体，可以切断电场的传播，减小电场耦合，为此可在电力电子器件与散热器之间植入一个电位为零的屏蔽层，使电力电子器件与散热器之间寄生电容减小，达到降低共模EMI电流的目的，如图3所示。此时电路模型的变化如图4所示。从耦合途径上看，也就是减小了寄生电容Cj，增大了阻抗。    <img src="http://l-v.nstl.gov.cn/stdLve/CollInfo/images/2006/12/11/70242.jpg" />    <img src="http://l-v.nstl.gov.cn/stdLve/CollInfo/images/2006/12/11/70243.jpg" />    3.2  等效电路分析    设金属屏蔽层对地阻抗为Z1，由于在干扰源和接收器之间植入屏蔽层后，干扰源和接收器之间得直接耦合作用将会变得很小，直接耦合寄生电容C3可以忽略不计，所以根据图4b所示模型可得接收器上的感应电压为     <img src="http://l-v.nstl.gov.cn/stdLve/CollInfo/images/2006/12/11/70244.jpg" />    由式（2）可见，对于已给定的干扰源和接收器，要使接收器上的感应电压Us减小，则必须使屏蔽层的对地阻抗Z1（屏蔽层阻抗和接地线阻抗之和）最小，于是屏蔽层必须具有极大的电导率，并且屏蔽层还应与系统地接触良好。反之，如果屏蔽层与系统地接触不良或不接地，则会因为干扰源与屏蔽层两者之间距小于原干扰源与接收器之间的距离而使寄生电容C1 > Cj ，导致加屏蔽层后漏电流（共模电流）反而会变大，从而使EMI 变大。    4 寄生电容参数的数值提取    在电机驱动系统中，电力电子器件主要采用功率场效应晶体管（MOSFET）或者绝缘栅双极晶体管（IGBT），开关频率从20 kHz 到400 kHz。它们的特点是漏源极电压Uds波形的电压变化率（duds /dt）很高，含有大量的高频谐波成分，而且散热器底面积通常比器件的金属外壳大很多，使得电场的边沿效应及高频情况下的媒质色散特性等影响了该电容的数值，因此散热器与电力电子器件间的寄生电容已不能采用静电场推得的基本平行板电容公式进行近似计算，为此采用有限元计算软件ANSYS 对实验系统的IGBT与散热器之间的寄生电容进行了数值计算。    为简化计算，假设散热器和电力电子器件的计算模型均为导电金属板，体积分别为20mm×15mm×2mm和100mm×60mm×5mm，两者间距为0.6mm。而屏蔽层为20mm×15mm×0.2mm的铜薄，它与散热器之间距离为0.2mm。散热器与IGBT之间以电压源激励，电压源是频率为150kHz～30MHz（CISPR17标准规定传导EMI频率为150kHz～30MHz）幅值为1V的正弦信号。计算所得两者之间在某一频率时电力线及散热器底面电场强度分布如图5、图6所示。两者之间寄生电容的频率特性如图7所示。    <img src="http://l-v.nstl.gov.cn/stdLve/CollInfo/images/2006/12/11/70245.jpg" />    <img src="http://l-v.nstl.gov.cn/stdLve/CollInfo/images/2006/12/11/70246.jpg" />    <img src="http://l-v.nstl.gov.cn/stdLve/CollInfo/images/2006/12/11/70247.jpg" />    由图7可见，在散热片与电力电子器件间植入屏蔽层后，散热片与电力电子器件之间的寄生电容显著减小，同时还可以看出，媒质具有色散特性，使得寄生电容值随着频率的升高而减小。    5 仿真与实验    为了验证所提方法对抑制漏电流有效，进行了如下的仿真与实验。    仿真条件。选用仿真软件Saber20003，仿真参数为:调制波频率50Hz，载波频率20kHz，调制深度0.9，参考点为电源地。    实验条件。变频器参数为: 调制波频率50Hz，开关频率20 kHz，SPWM调制方式，输出电压0～380 V，输出电流2.5～150A。感应电动机参数为：额定功率3kW，额定电压380V，额定电流6.5A，额定频率50Hz，额定转速1440r/min。屏蔽层植入方法：屏蔽层与变频器逆变部分的直流输入端0V电位点相连接，散热器与机壳相接，且机壳接地。    图8 、图9分别为无/有屏蔽层时变频器机壳漏电流（所有散热器漏电流之和）的仿真结果与实验结果。比较图8和图9可见，在散热片与电力电子器件间植入屏蔽层后，漏电流明显减小。这主要是由于植入屏蔽层后，散热片与电力电子器件间的寄生电容减小，漏电流的传播路径阻抗增大，从而降低了漏电流。    <img src="http://l-v.nstl.gov.cn/stdLve/CollInfo/images/2006/12/11/70248.jpg" />    <img src="http://l-v.nstl.gov.cn/stdLve/CollInfo/images/2006/12/11/70249.jpg" />    图10为电力电子器件与散热器之间有/无屏蔽层时实验系统的传导EMI频谱，其中曲线1为没有屏蔽层时的传导EMI频谱，曲线2为有屏蔽层时的传导EMI频谱，比较曲线1、曲线2可见，电子器件与散热器之间植入屏蔽层后系统会因漏电流的减小而使传导EMI明显减弱。    <img src="http://l-v.nstl.gov.cn/stdLve/CollInfo/images/2006/12/11/70250.jpg" />    6 结论    本文在分析了电机系统漏电流传播途径的基础上，提出通过在电力电子器件与散热器之间植入高电导率的金属屏蔽层，切断耦合电场的传播，以此减小两器件间的寄生电容及电场耦合，实现减小漏电流，达到降低共模EMI强度的目的。实验与仿真均证明此方法简单有效，具有较大的实用价值。同时也说明，在散热器的实际选用和安装过程之前应考虑寄生电容对共模EMI信号的耦合作用，并对其进行预测，以实现在最便捷的条件下得到最小的耦合电容，达到降低共模EMI强度的目的。</div>

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