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1、电机驱动系统传导EMI的抑制方法1引言现代化电机驱动系统（pwMe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（pwm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
2、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,这使彳#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
3、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PWMI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/出、di/dt ,电压、电流的谐波成分从几 kHz到几百 M
4、Hz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EMIc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。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
5、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。国：ZJVT,韦网日间加嘉4I电行I.,因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
6、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
7、,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
8、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dn:dr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（
9、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
10、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。国r中力M3 闰启修13.2 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
11、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（IGBD ,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
12、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20mnX 15mm 2mmf口 100mm 60m醒5mm两者间距为0.6mmrt而屏蔽层为20mm X15mmc 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 150kHz30MHz （CISPR17标准规定传导EMI频率为 150kHz30MHZ幅彳1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
13、所示。蛭由图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, SPWMI制 方式，输出电压0-380 V,输出电流2.5150A。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,
14、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。nii十闻条次即第”也餐出讨“中鼻Milk用*力尚象时不小也*出什乂电飞jm *iij-UI ttbUtt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
15、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。酝画| EMV1flfflfHi 14 fl ft呈酎吉归施信耳0博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。仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途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 Zwecken verwendet werden.Pour l e tude et la recherche unique
