关于变频器电磁兼容问题的探讨

1.引言

开关电源已经被广泛应用于各种电子设备或系统中。开关电路是开关电源的核心，开关电路在高频下的通、断过程产生大幅度的电压跳变，即产生较大幅度的dv/dt脉冲，频带较宽且谐波含量丰富，是开关电源电磁干扰的重要因素[2]。电磁兼容已成为研究电力电子装置安全、稳定运行的重要课题[3]。抑制开关电路的电磁干扰已经成为提高开关电源性能的主要途径。电磁干扰的抑制可以从三个方面着手：干扰源，干扰途径和敏感部位。本文结合实际工作中遇到的横编机与变频器的电磁兼容问题，从这三个方面进行了分析。

2.问题研究背景

本人研究的课题是：基于SPM的单相变频器的设计。此其中，SPM是集成了逆变部分的六个IGBT的桥臂，适用于小功率的电机调速系统。这里的SPM可以是IR公司的IRAMS系列或Fairchild公司的FSBS10/15CH60或三菱公司的ps21563系列，这几款芯片的功能类似。本文主要针对Fairchild公司的FSBS10/15CH60的SPM进行说明。

此款变频器帮助客户用来驱动小功率的横编机的电机。客户只需变频器，至于横编机上的参数显示部分由他们自己解决。当把变频器安装到横编机之后，运行不到二十分钟时，液晶显示屏幕模糊了，且成了乱码——这说明我们的变频器对外界的干扰很大。当把液晶显示器挪个方向重新运行变频器，二十分钟过去了，没问题，但是，还没到半小时又变成了乱码。这样重复多次，结果还没有改善。

3.变频器辅助电路介绍

3.1 辅助电源工作原理

文中使用的反激式电源主要由一次整流电路、开关电路、二次整流电路、反馈电路、吸收电路组成。开关电路是开关电源的核心，主要由功率开关管MOSFET和高频变压器组成，如图1。工作原理如下：当开关管MOSFET导通时，变压器原边电感储能，当MOSFET关断时，能量传递到副边，这样副边就能按照设计要求输出多组电源，其中开关管MOSFET的通断会产生大量的电磁干扰。

通电时，电容C5瞬间短路，电流经六个120K的限流电阻后给M51996FP提供工作电流，此后电容C5慢慢充电。当电路正常工作时，电容C5两端将得到一个相对稳定的直流电压。此电压不仅成为M51996FP的供电电源，同时控制M51996FP的输出电压的大小，见图2虚线部分。

图1 反激式电源线路图

图2 控制芯片M51996FP内部电路图

3.2 M51996FP内部结构图

反激式电源使用的控制芯片是三菱公司的M51996FP，电流控制型，Vcc电压范围是17-30V，16pin的SMD封装，其内部框图如图2。

4.差模干扰与共模干扰

4.1 差模干扰的特点

大小相等、方向相反，存在于电源相线与中线及相线与相线之间。差模干扰侵入往返两条信号线，方向与信号电流一致，其中一种是由信号源产生，另外一种是传输过程中由电磁感应产生，它和信号串在一起且同相位，一般难以抑制[3]。

图3 传导干扰传播途径

图4 MOSFET外围电路

图5 MOSFET的开关电路模型

4.2 共模干扰的特点

干扰大小和方向一致，存在于电源任何一相对大地、或中线对大地间。干扰信号侵入线路和接地之间，干扰电流在两条线上各流过二分之一，以地为公共回路，原则上讲，这种干扰是比较容易消除的。在实际电路中由于线路阻抗不平衡，使共模信号干扰会转化为不易消除的串扰干扰[3]。

5.电磁干扰分析

5.1 干扰源的产生

如图3，虚线指的是共模信号传导途径，实线指的是差模信号传导途径。

功率MOSFET、吸收电路中的二极管的反向恢复电荷、SPM内部的六个IGBT；线路中的高频电流环路，如L1、S和滤波电容C1构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射干扰；如果电容C1容量不足或者高频特性不好，其上的高频阻抗会使高频电流以差模形式传导到交流电源中形成传导干扰。

5.2 敏感部位

敏感部位即容易被干扰的电路，包括交流侧电网、M51996FP等一些控制芯片、高频变压器原边电感L1以及电路中的寄生参数（如变压器的漏感、开关管与散热器之间的寄生电容、变压器原副边间的寄生电容等）、液晶显示部分电路。

5.3 干扰途径

功率MOSFET的负载为高频变压器的原边电感L1。当开关导通瞬间，L1产生很大的涌流，在L1两端出现较高的浪涌尖峰电压；当开关断开瞬间，由于L1有漏磁通，导致一部分能量没能从原边传到副边，储存在漏感中的能量将和漏极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在MOSFET的两端，形成关断电压尖峰，这种电压会产生与L1接通时一样的磁化冲击电流瞬变，并传导到输入输出端，形成传导干扰，情况严重的将击穿开关管、芯片和电路中其他元件。

6.问题的解决过程

考虑到线路中的寄生参数(包括寄生电感和寄生电容)，如图4。

考虑到在从电容C经过上拉三极管到Cgs到shunt电阻(0.82Ω)的回路中的寄生电感L。此回路是一个R、L、C串联的二阶电路。由电路理论可以知道，品质因数Q越大回路的振荡越大、Q越小振荡越小，如增加R、C或者减小L都会抑制振荡。但寄生电感无法改变，所以最直接有效的办法就是增大回路电阻R。为此，我尝试着增大MOSFET的门极电阻，但是实验结果证明主要干扰源头并非在此。

正是由于MOSFET的通断产生了主要干扰，下面主要对其进行分析研究。

开通过程分析：假定电路处态为器件处于断态，当ug从负压转为正压时，栅压按时间常数Rg*(Cgs+Cgd)对输入电容正向充电；当ugs>UT时，器件转为导通，iD上升，uds下降，器件进入放大区，充电常数增大，充电速度减慢，一直到iDo减小到0，iD上升到Io，此时Vds减小到0。在这一过程中，由于Cgd的密勒效应，ugs上升缓慢，同时由于二极管Do有反向恢复电流，导致了iD在二极管Do关断后有一个比Io幅值还大的时间段，这个反向电流通过Ld、Cds进行振荡，直至达到峰值后迅速变为0，iD也相应地降到Io。

通过开通过程分析可知：此尖峰产生的原因之一是Cgd的密勒效应；二是吸收电路中的二极管Do的反向恢复电流。因此我在该二极管的管脚上套上磁珠，这样可以减小反向恢复电流对电路的传导干扰。另外，还有可能是线路中的寄生参数，因此在绘制PCB时，MOSFET附近的走线如太长，均会增大电路中的寄生参数，这是值得注意的。

通过上述分析，本文先从变频器本身着手，重新layout，将MOSFET附近的走线尽量走短，特别是接地端；另外建议用户把液晶显示器紧紧地锁在横编机的机架上，把变频器的外壳和横编机也锁紧，然后把横编机的外壳可靠接地，并把磁环加到了变频器的输出端，问题解决了。

7.结语

通过上述现象可以得出：传导干扰占主要作用，主要是公共阻抗传导干扰，干扰源是功率MOSFET高频开关、吸收电路中的二极管的反向恢复，耦合途径如本节开头所述，敏感部位是液晶显示器中的环路和及电路中的控制芯片；线路中有高频电流环路，如图3中L1、S和滤波电容C1构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射干扰，但辐射干扰居其次。

总之，解决电磁兼容问题要从三方面入手：一是线路设计，包括滤波电路及PCB的layout；二是尽可能将敏感电路通过地屏蔽；三是破坏干扰途径。线路设计最重要，因为布局、走线直接影响到线路的寄生参数，而这些寄生参数决定着电路的性能，它们是干扰源，只有从源头上解决问题，才能从根本上避免电磁干扰。

[1]钱照明,程肇基.电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术[M].浙江大学出版社,2000,12(第1版).

[2]任稷林.电源技术应用,2005年第4期.

[3]周志敏.共模和差模信号与滤波器[J].电源技术应用,2001年第08期.