功率變換器共模傳導(dǎo)電磁干擾分析

王晨++辛紹杰+寧尚賢

摘 要：隨著高效、可靠的功率變換器的廣泛使用及開(kāi)關(guān)頻率的不斷提高，變換器內(nèi)部的電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，出現(xiàn)的電磁干擾（EMI）問(wèn)題也越來(lái)越多。其中，共模電流干擾危害最大。主要分析了共模電磁干擾問(wèn)題與解決措施，并以典型的單相逆變器為例，通過(guò)類比Buck變換電路，在Saber中建立了簡(jiǎn)單的等效EMI仿真模型。在抑制共模干擾過(guò)程中增設(shè)旁路穩(wěn)壓電路能有效抑制共模電壓，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真認(rèn)證了LC濾波器的工作有效性和高頻寄生參數(shù)對(duì)濾波性能的影響。

關(guān)鍵詞：功率變換器；共模電磁干擾；濾波器；仿真模型

中圖分類號(hào)：TM461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.009

電力電子裝置是通過(guò)功率變換器的開(kāi)、關(guān)控制電能的轉(zhuǎn)換。然而其開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非常高的電流、電壓變化率，它們通過(guò)電路的寄生電感與寄生電容產(chǎn)生強(qiáng)烈的瞬態(tài)噪聲。電源變換器的傳導(dǎo)電磁干擾常分為差模和共模干擾，其中，共模電流對(duì)設(shè)備的影響較大。共模電流通常由開(kāi)關(guān)管兩端變換的電壓經(jīng)散熱器、外殼等一些與地之間的寄生電容回路產(chǎn)生。目前，電磁兼容在國(guó)際上受到了普遍關(guān)注，比如國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）、歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（CENELEC）、美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）等從事電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化工作的機(jī)構(gòu)。為了提高設(shè)備的電磁兼容性，必須要有效分析復(fù)雜傳導(dǎo)電路，建立簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并根?jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)設(shè)備和抑制干擾的措施。

1 單相逆變器高頻等效電路

分析單相逆變器的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的共模電流電路與Buck變換器主電路的共模電路類似，因此，可以通過(guò)分析Buck變換器主電路的共模電路研究PWM逆變器的EMI。圖1所示為單相逆變器的主電路圖。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管高頻工作時(shí)，橋臂中點(diǎn)電位對(duì)參考地產(chǎn)生很大的 ，

經(jīng)過(guò)寄生電容流進(jìn)直流側(cè)，從而形成共模電流。我們以左半橋臂為例，分析其在開(kāi)關(guān)管T1斷開(kāi)期間的內(nèi)部電流流通情況。初始負(fù)載電流如I1方向位圖所示，且負(fù)載為感性。當(dāng)T1斷開(kāi)時(shí)，由于負(fù)載電流不能突變，因此I1流向不變，經(jīng)過(guò)D2續(xù)流。當(dāng)T2導(dǎo)通后，由于負(fù)載電流的方向不變，負(fù)載電流I1仍舊流過(guò)D2，開(kāi)關(guān)管T2其實(shí)沒(méi)有導(dǎo)通工作，等到T1再次導(dǎo)通，回到初始狀態(tài)。由此可見(jiàn)，單相逆變器的工作原理與Buck變換器主電路的開(kāi)關(guān)管T和續(xù)流管D相同。圖2所示為半橋臂工作等效圖，圖右半部分為左半橋臂電路圖?？梢杂妙愃频姆椒ǚ治鲇野霕虮?。

2 Buck變換器主電路共模分析建模

圖3所示為Buck變換器主電路共模分析電路，其開(kāi)關(guān)管T斷開(kāi)引發(fā)P點(diǎn)電位抬升，從而產(chǎn)生共模電流。共模電流經(jīng)過(guò)寄生電容Cp，再經(jīng)過(guò)散熱器到達(dá)參考地，然后流過(guò)阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN的50 Ω電阻和0.25 μF電容，此后分成兩路電流，即如圖3虛線所示的I1和I2。I1經(jīng)過(guò)直流母線正極連接線接到開(kāi)關(guān)T的集電極，而I2流經(jīng)直流母線負(fù)極，通過(guò)電解電容再流回開(kāi)關(guān)T的集電極。在高頻下，電解電容也有一定的等效串聯(lián)電阻Re和電感Le，Re一般為0.1 Ω左右，Le一般為nH級(jí)別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于共?；芈?/p>

中導(dǎo)線的寄生電感uH級(jí)別的Lp，因此有I1=I2 。

建立簡(jiǎn)單的Buck變換器主電路共模等效模型，用電壓源V代替開(kāi)關(guān)管T，直流電源Vdc短路，Cp為P點(diǎn)對(duì)參考地的寄生電容，Lcm為散熱器與參考地連接線的等效電感，Lcba代表LISN到直流電容的等效電感，Rin為L(zhǎng)ISN到直流電容的等效電阻，Cn代表電解電容后，直流母線正負(fù)極對(duì)參考地的等效寄生電容。最后得出的等效模型電路圖如圖4所示。

由于Cp和Cn為pF級(jí)，因此可以忽略串聯(lián)的0.5 μF電容。

根據(jù)電路方程 ，估算R約為25 Ω，L為

4 uH，C約為1 500 pF，則 ，因此為欠阻尼情況。

. （4）

式（4）中：ω0為諧振角頻率， ；δ為衰減系數(shù)， ；

Z0為特征阻抗， 。

最終可以在Saber中建立仿真電路模型，如圖5所示。根據(jù)所設(shè)參數(shù)L=4 uH，R=4 Ω，C=2 nF，得出共模電流波形。

在對(duì)共模電流進(jìn)行快速傅里葉變換取樣點(diǎn)為4 096時(shí)，采樣頻率達(dá)到4 MHz，其幅值頻譜圖如圖6所示。開(kāi)始時(shí)，低頻段電流幅值以20 dB/10倍頻的速度勻速下降，但在接近1 MHz之前，又以40 dB/10倍頻的速度迅速下降，達(dá)到1 MHz之后，又迅速上升。由圖6可知，在每個(gè)1 MHz點(diǎn)處都會(huì)發(fā)生類似的電流幅值變化。

3 共模傳導(dǎo)EMI的抑制方法

電磁干擾的產(chǎn)生離不開(kāi)三大要素——干擾源、干擾路徑和敏感設(shè)備。因此，提高電磁兼容性應(yīng)當(dāng)從這三方面入手，即抑制干擾源的信號(hào)、優(yōu)化干擾路徑和提高設(shè)備的抗干擾能力。

3.1 抑制干擾源的信號(hào)

共模電流產(chǎn)生的原理是開(kāi)關(guān)管的斷開(kāi)導(dǎo)致中性點(diǎn)對(duì)參考地

的電壓產(chǎn)生突變，即 。依據(jù)此原理，就開(kāi)關(guān)管IGBT

而言，運(yùn)用改變門級(jí)驅(qū)動(dòng)電阻阻值的軟關(guān)斷技術(shù)可以有效減小集電極的電壓突變，從而穩(wěn)定干擾源信號(hào)。同時(shí)，可以增設(shè)旁路電路，以穩(wěn)定電壓。圖7所示為抑壓旁路電路，采用瞬態(tài)抑制二極管和電容串聯(lián)，再并聯(lián)在中心點(diǎn)與參考地上。當(dāng)抑制二極管兩端受到瞬態(tài)電壓浪涌刺激時(shí)，其由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，從而使共模電流流進(jìn)旁路電容對(duì)其充電儲(chǔ)能。當(dāng)沖擊電壓結(jié)束后，充電飽和的電容再經(jīng)配置電阻環(huán)節(jié)放電，由于瞬態(tài)抑制二極管工作頻率高，能在很大程度上抑制共壓。

3.2 優(yōu)化干擾路徑

干擾信號(hào)要通過(guò)一定的傳播路徑才能到達(dá)敏感設(shè)備，因此，切斷這條路徑就能解決電磁干擾問(wèn)題。但是要想真正切斷是不可能的，只能采用優(yōu)化干擾路徑的方法盡可能地減少干擾，其中，添加濾波器是最為普遍的方式。

EMI濾波器是無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，必須對(duì)EMI濾波器將要連接的源阻抗和負(fù)載阻抗進(jìn)行合理的連接。選取電路的基本出發(fā)點(diǎn)為用電感與低的源阻抗或負(fù)載阻抗串聯(lián)，用電容與高的源阻抗或負(fù)載阻抗并聯(lián)，其原理為共模電容用來(lái)減少干擾源類似于施加旁路吸收電容，而共模電感為增加共?；芈返淖杩诡愃朴谠黾覮CR模型中的參數(shù)L和R，有利于減少共模電流，從而噪聲壓降大部分被濾波器吸收而沒(méi)有施加于負(fù)載端。圖8所示為簡(jiǎn)單共模LC濾波器的仿真模塊（L為8 mH，C為4 000 pF）及其他電路參數(shù)不變時(shí)得出的共模電流波形圖。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，電流峰值明顯降不到0.1 A，且趨向于直流電。很顯然，LC濾波器具有良好的濾波作用，緩解了共模電流對(duì)原器件的沖擊。

圖9所示為共模濾波器干擾電流頻譜圖，從圖中可以明顯地看出LC濾波器的濾波性能滿足要求，整個(gè)頻段相對(duì)緩和、穩(wěn)定。

《PWM逆變器傳導(dǎo)電磁干擾的研究》一文中提到，采用共模變壓器衰減共模電流的原理為：在直流側(cè)插入共模變壓器，具體結(jié)構(gòu)為在共模電感的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)副方繞組，副方繞組并聯(lián)了一個(gè)電阻R，共模電流在共模變壓器內(nèi)引起磁通變化，從而在變壓器副方繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而在衰減共模電流同時(shí)，也可以抵消差模電流。

基于補(bǔ)償原理的無(wú)源共模干擾抑制技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用，本文提出利用補(bǔ)償原理設(shè)計(jì)共模濾波器。設(shè)計(jì)原理為：反相補(bǔ)償電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流與共模電流大小相同、方向相反，從而相互抵消，使流向參考地的電流為零。

散熱片的寄生參數(shù)可引起干擾抑制，由于中心點(diǎn)對(duì)參考地存在寄生電容，因此可以在散熱片和半導(dǎo)體之間加入銅截面導(dǎo)體來(lái)減少寄生電容Cp。另外，在散熱片和功率器件之間加入鐵心來(lái)增加散熱片的輸入阻抗，進(jìn)而降低干擾影響。圖10所示為優(yōu)化散熱片結(jié)構(gòu)圖。

4 共模濾波器寄生參數(shù)實(shí)驗(yàn)分析

高頻工作狀態(tài)中，共模濾波器也存在寄生參數(shù)，從而對(duì)濾波器的性能產(chǎn)生影響。浙江大學(xué)袁義生教授在《功率變換器電磁干擾的建模》一文中提出無(wú)源器件的高頻模型，其中，電感L在高頻段等效為電感、電阻和電容三部分并聯(lián)，而電容模型為電感、電阻和電容三部分串聯(lián)，于是可以設(shè)計(jì)非理想LC濾波器的具體參數(shù)。設(shè)濾波器高頻電感L模型中的并聯(lián)RL為12 kΩ，CL為20 pF；濾波器高頻電容C模型中的串聯(lián)RC為12 mΩ，LC為7 nH。根據(jù)圖11所示的模塊仿真可得非理想狀態(tài)下共模濾波后的電流波形。最后發(fā)現(xiàn)，其波形與理想濾波器得出的波形差別不大，依然能很好地濾除10 kHz左右的共模電流。但是在接近50 kHz時(shí)，并不能很好地工作，原因是共模電感與其等效并聯(lián)的電容發(fā)生諧振。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析逆變器高頻工作狀態(tài)，并與Buck變換器主電路作比較，從而得出等效共模傳導(dǎo)電流仿真模型。利用Saber軟件實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而認(rèn)證共模濾波器的有效性及高頻寄生參數(shù)帶來(lái)的影響，同時(shí)給出了多種抑制共模干擾的解決措施，其中包括在中心點(diǎn)增設(shè)旁路穩(wěn)壓電路的方法，能有效地抑制共模電壓，緩解共模傳導(dǎo)干擾，從而提高主電路的電磁兼容性能。

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〔編輯：劉曉芳〕

Analysis of Common Mode Conducted EMI of Power Converter

Wang Chen， Xin Shaojie， Ning Shangxian

Abstract： With the wide use of high efficiency and reliability of power converter and the improvement of switching frequency， the electromagnetic environment in converter is becoming more and more complex， and the electromagnetic interference（EMI）problem is more and more. Among them， the common mode current interference is the most harmful. The problem and solution of common mode electromagnetic interference are analyzed， and a simple equivalent EMI simulation model is established in Saber by using the analog Buck converter. In the process of suppressing common mode interference， an additional bypass voltage regulator circuit can effectively suppress common mode voltage， and through the experimental simulation， the effectiveness of the LC filter and the influence of high frequency parasitic parameters on the performance of the filter are certified.

Key words： power converter； common mode electromagnetic interference； filter； simulation model