无刷直流电机供电系统的电磁干扰分析及抑制

1 引言 

电磁干扰在电机控制中越来越成为一个严重的问题，在无刷直流电机的应用中, 如何减少电磁干扰也是一个重要的问题。在无刷直流电机应用中, 一方面, 要分析在电机供电系统中电磁干扰产生的机理；另一方面,在电机供电电路设计上如何尽量减少电磁干扰的产生。下面从电机整流逆变器方面来分析电磁干扰的产生及减少电磁干扰的措施。

2 干扰源分析 

无刷直流电机供电系统模型如图1所示，无刷直流电机整流逆变器产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换都是这类干扰源。无刷直流电机供电系统中电压电流波形大多为接近矩形的周期波，比如开关管的驱动波形、IGBT波形等。对于矩形波，周期的倒数决定了波形的基波频率；两倍脉冲边缘上升时间或下降时间的倒数决定了这些边缘引起的频率分量的频率值，典型的值在MHz范围，而它的谐波频率就更高了。这些高频信号都对无刷直流电机的基本信号，尤其是对控制电路的信号造成干扰。

无刷直流电机供电系统的电磁噪声从噪声源来说可以分为两大类。一类是外部噪声，例如，通过电网传输过来的共模和差模噪声、外部电磁辐射对供电系统控制电路的干扰等。另一类是供电系统自身产生的电磁噪声，如开关管电流尖峰产生的谐波及电磁辐射干扰。  

如图2所示，电网中含有的共模和差模噪声对无刷直流供电系统产生干扰，供电系统在受到电磁干扰的同时也对电机负载产生电磁干扰（如图中的返回噪声、输出噪声和辐射干扰）。进行无刷直流电机供电系统EMI设计时一方面要防止供电系统对电网和附近的电子设备产生干扰，另一方面要加强供电系统本身对电磁骚扰环境的适应能力。下面具体分析供电系统噪声产生的原因和途径。

2.1 电源线引入的电磁噪声 

电源线噪声是电网中各种用电设备产生的电磁骚扰沿着电源线传播所造成的。电源线噪声分为两大类：共模干扰、差模干扰，如图2所示。共模干扰是指任何载流导体与参考地之间不希望有的电位差；差模干扰是指任何两个载流导体之间不希望有的电位差。共模干扰电流不通过地线，而通过输入电源线传输。而差模干扰电流通过地线和输入电源线回路传输。所以，我们设置电源线滤波器时要考虑到差模干扰和共模干扰的区别，在其传输途径上使用差模或共模滤波元件抑制它们的干扰，以达到最好的滤波效果。

2.2 输入电流畸变造成的噪声  

无刷直流电机的供电系统中的直流电压一般采用交流输入电经桥式整流、电容滤波型整流得到。如图3所示，在没有PFC功能的输入级，由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，使得二极管的导通角变小，输入电流Ii成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流。这种畸变的电流实质上除了包含基波分量以外还含有丰富的高次谐波分量。这些高次谐波分量不但产生的谐波污染，而且对无刷直流电机的正常运行产生干扰。为了抑制整流逆变器对电机的污染和干扰，PFC电路是不可或缺的部分。

2.3 分布及寄生参数引起的供电系统噪声  

整流逆变器的分布参数是多数干扰的内在因素，例如供电系统和散热器之间的分布电容就是噪声源。整流逆变器与散热器之间的分布电容与开关管的结构以及开关管的安装方式有关。采用带有屏蔽的绝缘衬垫可以减小开关管与散热器之间的分布电容。

如图4所示，在高频工作下的元件都有高频寄生特性，对其工作状态产生影响。高频工作时导线变成了发射线、电容变成了电感、电感变成了电容、电阻变成了共振电路。观察图4中的频率特性曲线可以发现，当频率过高时各元件的频率特性产生了相当大的变化。为保证整流逆变器在高频工作时的稳定性，设计供电系统时要充分考虑元件在高频工作时的特性，选择使用高频特性比较好的元件。另外，在高频时导线寄生电感的感抗显著增加，由于电感的不可控性，最终使其变成一根发射线，也就成为了供电系统中的辐射干扰源。

3 EMI抑制措施 

电磁兼容的三要素是干扰源、耦合通路和敏感体，抑制以上任何一项都可以减少电磁干扰问题。整流逆变器工作在高电压大电流的高频开关状态时，其引起的电磁兼容性问题是比较复杂的。但是，仍符合基本的电磁干扰模型，可以从三要素入手寻求抑制电磁干扰的方法。 

3.1 整流逆变器中各类电磁干扰源抑制 

为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，开关电源需要使用功率因数校正（PFC）技术。PFC技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波。从而降低了电流谐波含量，改善了桥式整流电容滤波电路的输入特性，同时也提高了电机的功率因数。 

软开关技术是减小开关器件损耗和改善开关器件电磁兼容特性的重要方法。开关器件开通和关断时会产生浪涌电流和尖峰电压，这是开关管产生电磁干扰及开关损耗的主要原因。使用软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换可以有效地抑制电磁干扰。 

3.2 切断电磁干扰传输途径--共模、差模电源线滤波器设计

电源线干扰可用电源线滤波器滤除，整流逆变器EMI滤波器基本电路见图5。一个合理有效的整流逆变器EMI滤波器应该对电源线上差模干扰和共模干扰都有较强的抑制作用。在图5中和叫做差模电容，叫做共模电感，和叫做共模电容。差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用。 

共模电感是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。通常使用环形磁芯，漏磁小，效率高，但是绕线困难。当市网工频电流在两个绕组中流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对市网工频电流不起任何阻碍作用，可以无损耗地传输。如果市网中含有共模噪声电流通过共模电感，这种共模噪声电流是同方向的，流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用。

实际使用中共模电感两个电感绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值，不过这种差值正好被利用作差模电感。所以，一般电路中不必再设置独立的差模电感了。共模电感的差值电感与电容及构成了一个∏型滤波器。这种滤波器对差模干扰有较好的衰减。 

除共模电感以外，图5中的电容及也是用来滤除共模干扰的。共模滤波的衰减在低频时主要由电感器起作用，而在高频时大部分由电容及起作用。电容的选择要根据实际情况来定，由于电容接于电源线和地线之间，承受的电压比较高，所以，需要有高耐压、低漏电流特性。 

差模干扰抑制器通常使用低通滤波元件构成，最简单的就是一只滤波电容接在两根电源线之间而形成的输入滤波电路（如图5中电容），只要电容选择适当，就能对高频干扰起到抑制作用。该电容对高频干扰阻抗甚低，故两根电源线之间的高频干扰可以通过它，它对工频信号的阻抗很高，故对工频信号的传输毫无影响。该电容的选择主要考虑耐压值，只要满足功率线路的耐压等级，并能承受可预料的电压冲击即可。为了避免放电电流引起的冲击危害，电容容量不宜过大，一般在0.01～0.1μF之间。电容类型为陶瓷电容或聚酯薄膜电容。

抑制辐射噪声的有效方法就是屏蔽。可以用导电性能良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。供电系统中的连接线，电源线都应该使用具有屏蔽层的导线，尽量防止外部干扰耦合到电路中。或者使用磁珠、磁环等EMC元件，滤除电源及信号线的高频干扰，但是，要注意信号频率不能受到EMC元件的干扰，也就是信号频率要在滤波器的通带之内。整个供电系统的外壳也需要有良好的屏蔽特性，接缝处要符合EMC规定的屏蔽要求。通过上述措施保证供整流逆变器既不受外部电磁环境的干扰也不会对外部电子设备产生干扰。

4 结束语 

如今在电机用途应用越来越广泛DE的情况下，EMI问题成为了电机运行稳定性的一个关键因素，也是一个最容易忽视的方面。因此，电机供电系统的EMI抑制技术在电机设计中占有很重要的位置。实践证明，EMI问题越早考虑、越早解决，费用越小、效果越好。

参考文献： 

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