摘要: 變頻器驅(qū)動(dòng)中的EMC設(shè)計(jì) IGBT-MOS與散熱器的共模回路干擾路徑電機(jī)端與PE產(chǎn)生共模回路路徑 變頻器系統(tǒng)的EMC共模干擾路徑 以上，兩個(gè)等效的共模干擾回路往往是大家最容易忽略的問(wèn)題，但，同樣的變頻器的干擾的主要的 ...

變頻器驅(qū)動(dòng)中的EMC設(shè)計(jì)

IGBT-MOS與散熱器的共模回路干擾路徑

電機(jī)端與PE產(chǎn)生共模回路路徑

變頻器系統(tǒng)的EMC共模干擾路徑

以上，兩個(gè)等效的共模干擾回路往往是大家最容易忽略的問(wèn)題，但，同樣的變頻器的干擾的主要的兩個(gè)來(lái)源。大家必須深刻認(rèn)識(shí)!!!

EMC(Electro-Magnetic Compatibility)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力，它包括EMI和EMS兩部分。EMI(Electro-Magnetic Interference)是電子電器產(chǎn)品工作時(shí)對(duì)周邊外界環(huán)境的電磁干擾，EMI包括空間輻射無(wú)線干擾和傳導(dǎo)有線干擾。EMS (Electro-Magnetic Susceptibility) ，是電子電器產(chǎn)品在一定的電磁環(huán)境中工作時(shí)其本身對(duì)電磁干擾的敏感度。 總結(jié)起來(lái)EMI就是讓產(chǎn)品工作時(shí)對(duì)外干擾少，EMS是讓產(chǎn)品工作時(shí)少受外界的干擾。

說(shuō)起電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)中的EMC問(wèn)題，很多人都會(huì)覺(jué)得這是一個(gè)“老大難”的問(wèn)題，要注意的細(xì)節(jié)太多了，稍有不注意，調(diào)試起來(lái)就會(huì)相當(dāng)麻煩。產(chǎn)品開發(fā)出來(lái)后，首先最擔(dān)心的就是EMI傳導(dǎo)和輻射干擾了，實(shí)際設(shè)備一測(cè)，在限值以下，萬(wàn)幸;如果超了，那就調(diào)調(diào)共模電感吧，再看看開關(guān)電源，調(diào)調(diào)X電容、Y電容等等;左調(diào)調(diào)，右調(diào)調(diào)，好不容易“試”出一套參數(shù)滿足要求，就這樣順利過(guò)關(guān)吧，也就不要去仔細(xì)追究是什么原因了。至于為什么不要去細(xì)究了，因?yàn)橄刖恳簿坎磺宄布膯?wèn)題實(shí)際上比軟件更加復(fù)雜，因?yàn)闆](méi)法模擬，沒(méi)法仿真，沒(méi)法計(jì)算，就好像一個(gè)黑匣子似的。現(xiàn)在市場(chǎng)上能夠從理論高度在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就提出預(yù)防出現(xiàn)EMC問(wèn)題的人還是很少的，大多人還是事后諸葛亮，在產(chǎn)品出來(lái)后再進(jìn)行整改。

變頻驅(qū)動(dòng)為什么為有EMC問(wèn)題呢?

產(chǎn)生的共模電流主要可以分為兩部分：

(1) 散熱器和地之間感生出來(lái)的漏電流

(2) 電機(jī)端產(chǎn)生的漏電流

目前的變頻系統(tǒng)大多都采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，該技術(shù)可以簡(jiǎn)化逆變器結(jié)構(gòu)、提高調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能、降低電動(dòng)機(jī)的諧波損耗、提高電能的利用效率，但它固定的脈沖特性造成了逆變器輸出很高的的dv/dt和不平衡的瞬時(shí)電壓，產(chǎn)生很大的共模電壓，從而產(chǎn)生共模電流，并在電動(dòng)機(jī)上耦合出很高的軸電壓和軸電流，這不僅威脅到電機(jī)系統(tǒng)本身的安全可行性，縮短其使用壽命，還會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電壓干擾(EMI)，危及周圍設(shè)備的可靠運(yùn)行。其產(chǎn)生原因概括起來(lái)如上圖所示。

在PWM沒(méi)有開關(guān)動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)處于電氣平衡狀態(tài)，散熱器接地良好，那么此時(shí)散熱器和地之間感生出來(lái)的漏電流ih =0, 電機(jī)端產(chǎn)生的漏電流in=0，如下圖所示：

變頻器騷擾源頭

一、PWM發(fā)生開關(guān)動(dòng)作時(shí)，分析散熱器和地之間感生出來(lái)的漏電流

電力電子器件與散熱器間存在著類似平行板電容器的寄生電容，如下圖所示。雖然此寄生電容非常微小，但對(duì)于電力電子器件動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的幾百M(fèi)Hz甚至上GHz的諧波電壓與電流來(lái)說(shuō)，此寄生電容的阻抗相對(duì)較小，諧波電流可以順利通過(guò)，因此兩者之間的寄生電容在高頻時(shí)就不能被忽略。也就是說(shuō)，電力電子器件與散熱器之間的寄生電容可以將高頻諧波電壓、電流耦合至金屬散熱器的表面，最張?jiān)谝詡鲗?dǎo)或輻射的形成形成EMI。

EMC散熱器共模干擾回路

開關(guān)器件與散熱器間寄生電容示意圖

二、再分析電機(jī)端與PE地產(chǎn)生共模干擾回路路徑

電動(dòng)機(jī)的耦合電容包括三部分

轉(zhuǎn)子與定子以及轉(zhuǎn)子與機(jī)殼間也存在寄生電容

定子與機(jī)殼間的電容

軸電容

這個(gè)共模干擾的漏電流如果過(guò)大，可能這個(gè)漏電流造成的結(jié)果就會(huì)使軸承發(fā)生電氣損壞。

那么，問(wèn)題又來(lái)了，怎么避免上面所提到的EMI問(wèn)題呢?PWM電壓調(diào)制方法輕易實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制中夢(mèng)寐以求的調(diào)壓和變頻功能，但高頻高壓的共模干擾信號(hào)是PWM變頻器不可避免的缺陷，EMI問(wèn)題很嚴(yán)重，如何解決呢，或者怎么樣能最大程度的抑制呢?

方法一：降低母線電壓

從上面的分析可以看出共模電壓的大小與母線電壓高度相關(guān)，因此在某些場(chǎng)合可以盡量使用低壓變頻器，如24V、48V、75V等。

方法二：使用多電平變頻器

在一些要求很苛刻的場(chǎng)合可考慮使用多電平變頻器，例如，三電平變頻器和五電平變頻器，降低每次開關(guān)動(dòng)作帶來(lái)的電壓階躍量。更多可以參閱 變頻器多電平比如三電平名稱的含義? - EMC.wiki 致力于電磁兼容技術(shù)!

方法三：無(wú)零矢量PWM調(diào)制

前面兩大措施均改動(dòng)量太大，傷筋動(dòng)骨。這里的無(wú)零矢量技術(shù)倒比較容易實(shí)現(xiàn)，純做軟件上的修改即可實(shí)現(xiàn)。零矢量時(shí)共模電壓幅值達(dá)Vdc/2，而非零矢量只有Vdc/6，顯然本法效果明顯，但是它也有缺陷，會(huì)導(dǎo)致差模電壓變大，顯著后果就是使電流的PWM諧波電波變大。

原先SVPWM調(diào)制會(huì)插入適當(dāng)零矢量(111)和(000)，現(xiàn)在不使用零矢量，而是使用互補(bǔ)的一組矢量來(lái)代替零矢量，這并不影響最終輸出的占空比大小;下圖中以輸出的(110)矢量為為例，上圖是使用零矢量的結(jié)果，下圖是使用一組互補(bǔ)的(010)和(110)來(lái)代替零矢量：

方法四：增加開關(guān)管導(dǎo)通/關(guān)斷時(shí)間

更改Gate驅(qū)動(dòng)電阻值，增加開關(guān)管導(dǎo)通/關(guān)斷時(shí)間;也就是增加dt時(shí)間，最終能夠減小dv/dt

方法五：增加外置濾波器

增加外置濾波器

方法六：增大共模回路阻抗

本文開頭就提到了關(guān)于散熱器、電機(jī)本體對(duì)GND的共模干擾回路，可以從這一方面進(jìn)行重點(diǎn)處理，具體操作方式，可以聯(lián)系曾工。

總之，電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)中產(chǎn)生EMC問(wèn)題包羅萬(wàn)象，絕對(duì)不是一篇文章就能夠講清楚的，本文就當(dāng)是個(gè)拋磚引玉，大家就當(dāng)做參考了吧。

審核編輯：湯梓紅