功率变换器共模传导电磁干扰分析

王晨++辛绍杰+宁尚贤

摘 要：随着高效、可靠的功率变换器的广泛使用及开关频率的不断提高，变换器内部的电磁环境越来越复杂，出现的电磁干扰（EMI）问题也越来越多。其中，共模电流干扰危害最大。主要分析了共模电磁干扰问题与解决措施，并以典型的单相逆变器为例，通过类比Buck变换电路，在Saber中建立了简单的等效EMI仿真模型。在抑制共模干扰过程中增设旁路稳压电路能有效抑制共模电压，并通过实验仿真认证了LC滤波器的工作有效性和高频寄生参数对滤波性能的影响。

关键词：功率变换器；共模电磁干扰；滤波器；仿真模型

中图分类号：TM461 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.009

电力电子装置是通过功率变换器的开、关控制电能的转换。然而其开关器件在开关过程中会产生非常高的电流、电压变化率，它们通过电路的寄生电感与寄生电容产生强烈的瞬态噪声。电源变换器的传导电磁干扰常分为差模和共模干扰，其中，共模电流对设备的影响较大。共模电流通常由开关管两端变换的电压经散热器、外壳等一些与地之间的寄生电容回路产生。目前，电磁兼容在国际上受到了普遍关注，比如国际电工委员会（IEC）、欧洲电工标准化技术委员会（CENELEC）、美国联邦通信委员会（FCC）等从事电磁兼容标准化工作的机构。为了提高设备的电磁兼容性，必须要有效分析复杂传导电路，建立简单的实验模型，并根据实验结果选取适当的保护设备和抑制干扰的措施。

1 单相逆变器高频等效电路

分析单相逆变器的工作状态，发现其产生的共模电流电路与Buck变换器主电路的共模电路类似，因此，可以通过分析Buck变换器主电路的共模电路研究PWM逆变器的EMI。图1所示为单相逆变器的主电路图。

当开关管高频工作时，桥臂中点电位对参考地产生很大的 ，

经过寄生电容流进直流侧，从而形成共模电流。我们以左半桥臂为例，分析其在开关管T1断开期间的内部电流流通情况。初始负载电流如I1方向位图所示，且负载为感性。当T1断开时，由于负载电流不能突变，因此I1流向不变，经过D2续流。当T2导通后，由于负载电流的方向不变，负载电流I1仍旧流过D2，开关管T2其实没有导通工作，等到T1再次导通，回到初始状态。由此可见，单相逆变器的工作原理与Buck变换器主电路的开关管T和续流管D相同。图2所示为半桥臂工作等效图，图右半部分为左半桥臂电路图。可以用类似的方法分析右半桥臂。

2 Buck变换器主电路共模分析建模

图3所示为Buck变换器主电路共模分析电路，其开关管T断开引发P点电位抬升，从而产生共模电流。共模电流经过寄生电容Cp，再经过散热器到达参考地，然后流过阻抗稳定网络LISN的50 Ω电阻和0.25 μF电容，此后分成两路电流，即如图3虚线所示的I1和I2。I1经过直流母线正极连接线接到开关T的集电极，而I2流经直流母线负极，通过电解电容再流回开关T的集电极。在高频下，电解电容也有一定的等效串联电阻Re和电感Le，Re一般为0.1 Ω左右，Le一般为nH级别，远远小于共模回路

中导线的寄生电感uH级别的Lp，因此有I1=I2 。

建立简单的Buck变换器主电路共模等效模型，用电压源V代替开关管T，直流电源Vdc短路，Cp为P点对参考地的寄生电容，Lcm为散热器与参考地连接线的等效电感，Lcba代表LISN到直流电容的等效电感，Rin为LISN到直流电容的等效电阻，Cn代表电解电容后，直流母线正负极对参考地的等效寄生电容。最后得出的等效模型电路图如图4所示。

由于Cp和Cn为pF级，因此可以忽略串联的0.5 μF电容。

根据电路方程 ，估算R约为25 Ω，L为

4 uH，C约为1 500 pF，则 ，因此为欠阻尼情况。

. （4）

式（4）中：ω0为谐振角频率， ；δ为衰减系数， ；

Z0为特征阻抗， 。

最终可以在Saber中建立仿真电路模型，如图5所示。根据所设参数L=4 uH，R=4 Ω，C=2 nF，得出共模电流波形。

在对共模电流进行快速傅里叶变换取样点为4 096时，采样频率达到4 MHz，其幅值频谱图如图6所示。开始时，低频段电流幅值以20 dB/10倍频的速度匀速下降，但在接近1 MHz之前，又以40 dB/10倍频的速度迅速下降，达到1 MHz之后，又迅速上升。由图6可知，在每个1 MHz点处都会发生类似的电流幅值变化。

3 共模传导EMI的抑制方法

电磁干扰的产生离不开三大要素——干扰源、干扰路径和敏感设备。因此，提高电磁兼容性应当从这三方面入手，即抑制干扰源的信号、优化干扰路径和提高设备的抗干扰能力。

3.1 抑制干扰源的信号

共模电流产生的原理是开关管的断开导致中性点对参考地

的电压产生突变，即 。依据此原理，就开关管IGBT

而言，运用改变门级驱动电阻阻值的软关断技术可以有效减小集电极的电压突变，从而稳定干扰源信号。同时，可以增设旁路电路，以稳定电压。图7所示为抑压旁路电路，采用瞬态抑制二极管和电容串联，再并联在中心点与参考地上。当抑制二极管两端受到瞬态电压浪涌刺激时，其由高阻态变为低阻态，从而使共模电流流进旁路电容对其充电储能。当冲击电压结束后，充电饱和的电容再经配置电阻环节放电，由于瞬态抑制二极管工作频率高，能在很大程度上抑制共压。

3.2 优化干扰路径

干扰信号要通过一定的传播路径才能到达敏感设备，因此，切断这条路径就能解决电磁干扰问题。但是要想真正切断是不可能的，只能采用优化干扰路径的方法尽可能地减少干扰，其中，添加滤波器是最为普遍的方式。

EMI滤波器是无源网络，必须对EMI滤波器将要连接的源阻抗和负载阻抗进行合理的连接。选取电路的基本出发点为用电感与低的源阻抗或负载阻抗串联，用电容与高的源阻抗或负载阻抗并联，其原理为共模电容用来减少干扰源类似于施加旁路吸收电容，而共模电感为增加共模回路的阻抗类似于增加LCR模型中的参数L和R，有利于减少共模电流，从而噪声压降大部分被滤波器吸收而没有施加于负载端。图8所示为简单共模LC滤波器的仿真模块（L为8 mH，C为4 000 pF）及其他电路参数不变时得出的共模电流波形图。实践发现，电流峰值明显降不到0.1 A，且趋向于直流电。很显然，LC滤波器具有良好的滤波作用，缓解了共模电流对原器件的冲击。

图9所示为共模滤波器干扰电流频谱图，从图中可以明显地看出LC滤波器的滤波性能满足要求，整个频段相对缓和、稳定。

《PWM逆变器传导电磁干扰的研究》一文中提到，采用共模变压器衰减共模电流的原理为：在直流侧插入共模变压器，具体结构为在共模电感的基础上增加了一个副方绕组，副方绕组并联了一个电阻R，共模电流在共模变压器内引起磁通变化，从而在变压器副方绕组上产生感应电流，进而在衰减共模电流同时，也可以抵消差模电流。

基于补偿原理的无源共模干扰抑制技术在开关电源中的应用，本文提出利用补偿原理设计共模滤波器。设计原理为：反相补偿电路产生的补偿电流与共模电流大小相同、方向相反，从而相互抵消，使流向参考地的电流为零。

散热片的寄生参数可引起干扰抑制，由于中心点对参考地存在寄生电容，因此可以在散热片和半导体之间加入铜截面导体来减少寄生电容Cp。另外，在散热片和功率器件之间加入铁心来增加散热片的输入阻抗，进而降低干扰影响。图10所示为优化散热片结构图。

4 共模滤波器寄生参数实验分析

高频工作状态中，共模滤波器也存在寄生参数，从而对滤波器的性能产生影响。浙江大学袁义生教授在《功率变换器电磁干扰的建模》一文中提出无源器件的高频模型，其中，电感L在高频段等效为电感、电阻和电容三部分并联，而电容模型为电感、电阻和电容三部分串联，于是可以设计非理想LC滤波器的具体参数。设滤波器高频电感L模型中的并联RL为12 kΩ，CL为20 pF；滤波器高频电容C模型中的串联RC为12 mΩ，LC为7 nH。根据图11所示的模块仿真可得非理想状态下共模滤波后的电流波形。最后发现，其波形与理想滤波器得出的波形差别不大，依然能很好地滤除10 kHz左右的共模电流。但是在接近50 kHz时，并不能很好地工作，原因是共模电感与其等效并联的电容发生谐振。

5 结束语

通过分析逆变器高频工作状态，并与Buck变换器主电路作比较，从而得出等效共模传导电流仿真模型。利用Saber软件实验，进而认证共模滤波器的有效性及高频寄生参数带来的影响，同时给出了多种抑制共模干扰的解决措施，其中包括在中心点增设旁路稳压电路的方法，能有效地抑制共模电压，缓解共模传导干扰，从而提高主电路的电磁兼容性能。

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〔编辑：刘晓芳〕

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