无刷直流电机驱动系统传导电磁干扰分析及EMI滤波器的设计研究

谢仁和，李彬彬，招 聪，孔 昕

无刷直流电机驱动系统传导电磁干扰分析及EMI滤波器的设计研究

谢仁和，李彬彬，招 聪，孔 昕

（中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082）

无刷直流电机以运行效率高、调速性能好等优点在工业领域有很好的应用前景，然而伴随功率电路的高频化和集成化，电机驱动系统的传导电磁干扰也越发明显。本文利用电路等效法，分析了电机驱动系统差、共模干扰噪声传播路径，分别得到了其等效电路及参数。在此基础上，根据无刷电机调速控制原理，分析了负载变化对传导干扰噪声产生的影响。EMI滤波器作为抑制传导电磁干扰的主要手段，本文阐述了其研究现状和发展趋势，提出了差、共模滤波器解耦设计方法，对EMI滤波器设计具有较好的参考价值。

无刷直流电机 传导电磁干扰 EMI滤波器 寄生参数

0 引言

随着永磁材料和功率电子元器件的不断进步，永磁无刷直流电动机得到了快速的发展，被广泛地用于工业自动化、船舶、航空、航天和水下装备等各个领域[1]。伴随着各种功率管频率和集成度的提高，电机驱动系统中的电磁兼容问题也越来越受到科研工作者的关注。据研究[2~3]，目前电力电子系统内电磁干扰仍然以传导干扰为主，EMI滤波器是抑制该类干扰的经济有效手段。

本文首先研究影响三相无刷直流电机驱动系统传导共模电磁干扰与差模电磁干扰的主要因素以及噪声传播路径，分析负载变化对噪声的影响，随后阐述EMI滤波器的发展现状，并详细给出了EMI滤波器的设计流程。

1 电机驱动系统噪声分析

1.1 差、共模噪声

传导干扰噪声分为两种：一种是将相线与相线作为传播路径，即差模干扰DM；另一种是以相线与地线作为传播线路，即共模干扰CM，如图1。电力电子装置的主功率开关器件在开关过程中产生很高的电流和电压变化率，即d/d与d/d，它们分别通过电路中寄生电感和寄生电容产生差模和共模噪声。一般共模噪声不直接影响设备，但是由于电流回路阻抗的不对称，通常会转化为差模电压来影响设备有用信号，因此，差模及共模噪声都必须得到精确测量，并有效抑制。

图1 差、共模噪声传播路径

传导干扰噪声的测试需要线性阻抗稳定网络(LISN)(图2)，接于人工供电电源与待测设备之间，起高频隔离作用，避免来自供电电源的噪声进入待测设备，影响测量结果。测量所得的差模噪声DM，即噪声电流在标准负载阻抗load产生的电压信号“差”值的平均值|1-2|/2；而共模噪声CM，则是负载阻抗上电压信号“和”值的平均值|1+2|/2。其计量单位常用dBμV表示，即以10为对数底，1 μV为基准电压的对数值的20倍。

图2 噪声测试原理

LISN的选择也与噪声测试的频段有关，图2中的单相LISN适合9 K~30 MHz的噪声频段测量。实际测量时，单相电路往往需要两台单相LISN，三相电路则需要三相LISN。

1.2 驱动系统共模噪声分析

图3为带LISNs以及寄生参数的三相无刷直流电机驱动系统，其中s-heatsink为开关管与散热片之间的等效电容，一般为几十pF；s-chassis为电机绕组与机壳之间的等效电容，一般能达到几个nF。由此中性点O处的电压变化通过对地电容s-chassis成为主要的共模干扰源，共模噪声传播路径如图4(a)，其中O为中性点处电压，CLG为直流电源内部对地电容(pF级别)，由于CLG相对于LISNs中的滤波电容1和2(μF级别)小的多，因此共模噪声路径主要为P1和P2。经戴维南等效得图4(b)，其中S1为等效共模噪声电压源，S1为等效共模噪声源阻抗。

图4 共模噪声传播路径及等效电路

由上述分析可得：

由源阻抗表达式可知，电容1和2容值越大，则共模噪声源阻抗S1阻抗值越小，即LISNs的存在为共模噪声提供了低阻抗路径，导致测得的共模噪声CM远大于实际值，而实际测量中又无法避免LISNs的使用。

图3 带LISNs及寄生参数的三相无刷直流电机驱动系统

1.3 驱动系统差模噪声分析

寄生参数的存在决定了无源元件正常工作的频率范围，如图5所示，高频时，电阻的等效串联电感ESL不可忽略，而电感的等效并联电容EPC对电感的高频阻抗值起主要决定作用[4]。

图5 无源元件高频等效电路

图3所示，电机三相绕组中通过高频差模噪声电流时，由于EPC的存在，绕组更多表现为容性，EPC为噪声电流提供了低阻抗路径。另外，在实际工作条件下，直流母线引线长度远大于三相逆变桥臂，因此高频时直流母线等效串联电感busbar远大于三相逆变桥臂引线感lead，因此直流母线电流变化率d/d在busbar上引起的电压变化L成为主要的差模噪声干扰源。图6(a)给出了差模噪声传播路径，经戴维南等效得图6(b)，其中S2为等效差模噪声电压源，S2为等效差模噪声源阻抗。

图6 差模噪声传播路径及等效电路

由上述分析可得：

由等效差模噪声电源表达式可知，在LISNs参数不变的情况下，三相绕组的寄生电容和直流母线的寄生感对差模噪声源起着主要决定作用，实际设计中应尽量减小其值。

1.4 负载变化对噪声影响

无刷直流电机的工作原理是，根据转子位置给定子绕组不断的换相通电，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持正交，从而产生转矩推动转子旋转。本文以三相无刷直流电机(定子A、B、C三相对称，60°相带分布)星形连接全桥驱动以及通电逻辑为AB-AC-BC-BA-CA-CB的方式(表1)，分析负载变化对噪声的影响，由于电机一般用于调速场合，假设负载变化时电机转速不变。

在实际工作中，每个开关管不可能完全导通120个电角度，轻载时导通角度小，开关管触发信号、反电势、中性点电压O波形如图7所示。其中，中性点电压有效值为：

表1 三相星形连接全桥驱动的通电规律

由于轻载时，开关管触发信号占空比较小，即0较大，因此中性点电压有效值较大。由公式(1)可知，此时等效共模噪声源电压较大，即轻载时共模噪声干扰较重载时严重。而重载时直流母线电流较大，电流变化率d/d较轻载时大得多，因此差模噪声干扰严重。

图7 电机驱动系统主要变量波形

2 EMI滤波器

2.1 EMI滤波器种类

EMI滤波器分有源与无源两种。有源滤波器技术的实质就是对噪声信号进行检测并产生反相位的电流实时补偿，其低频滤波效果较好，适用于工作电流较小的场合；无源EMI滤波器是由电感、电容组成的双向低通滤波器(图 8a)，结构简单，高频滤波效果好。随着平面电感和变压器的出现，EMI滤波器的平面集成已然成为电力电子系统小型化、集成化的必然趋势。文献[5]利用PCB印刷电路板技术提出一种集成有源EMI滤波器，与分立元件构成的滤波器相比体积减小24%，进一步采用平面磁芯可减小40%；文献[6]提出的矩形无源平面EMI滤波器在结构上最具代表性(图8b)，其核心单元是感容集成元件，达到共模电感、共模电容以及差模电感集成之效果。

图8 EMI滤波器

2.2 EMI滤波器设计

EMI滤波器的不合理设计，轻则会增加电路的干扰，重则会导致电路工作不稳定。文献[7]提出了根据设计阻抗和插入损耗的要求来选择滤波网络，估算滤波器元件参数，通过不断分析滤波器插入损耗来修正元件参数，校核运算较为复杂；文献[8]将电源中的共模干扰和差模干扰分离出来，根据实际测量干扰信号的频谱来确定EMI滤波器的实际参数，提出了分离差模和共模电磁干扰，分别设计EMI滤波器参数的思路；文献[9]引入衰减曲线，用以确定滤波器转折频率，再根据转折频率的大小来设计滤波器参数。本文采用EMI滤波器差、共模解耦并引入噪声目标衰减曲线设计法，简化了滤波器的设计流程。

通过LISN噪声提取出来的EMI噪声，为各相线上的总噪声，需经噪声分离器将其分离为共模及差模两部分。若传导干扰噪声在所选标准规定频率范围内超出限值，需要加入EMI滤波器衰减到标准限值以下。理想情况下，单级低通LC滤波器在转折频率之后，其衰减斜率为40 dB/dec，通常做法是将噪声值减去标准值得到衰减目标线，然后将40 dB/dec斜率的直线平移直至与衰减目标线相切，斜率线反向延长与频率轴的交点即为所需设计滤波器的差、共模转折频率CM和DM[10]，如图9所示。在此基础上，为防止滤波后个别频率上的噪声依然超过标准范围，可以考虑一个6 dB的衰减裕量，以保证EMI滤波器的滤波效果。

图9 噪声分离及衰减目标曲线

图10 EMI滤波器的解耦

在假设滤波器电路具有理想的阻抗对称性前提下，EMI滤波器可以解耦为DM和CM两部分(图10)。出于安全接地考虑，EMI滤波器的共模电容值Y不能过大，根据工程经验，一般设计在1-5nF之间，由此共模电感值CM由下式决定：

为防止磁芯磁摆幅过大和磁饱和，EMI滤波器的差模电感DM也不能过大，需要与外电路结合起来设计，一般取值在10~20 μH之间，差模电容X由下式决定：

由此EMI滤波器的主要电磁参数均已确定。

3 结论

本文以无刷直流驱动系统为研究对象，从等效电路出发，分析了其传导电磁干扰及EMI滤波器设计流程，得到如下结论：

1) 噪声测量中用到的LISNs为共模噪声提供了低阻抗路径，导致测得的共模噪声远大于实际值；

2) 电机三相绕组的等效并联电容和直流母线的等效串联电感越大，系统中的差模噪声越严重，设计过程中应尽量减小其值；

3) 在电机转速不变的情况下，电机轻载时，驱动中的共模噪声增强而差模噪声减弱，重载时则相反；

4) EMI滤波器的平面电磁集成是电力电子系统小型化、集成化发展的必然趋势；

5) EMI滤波器解耦成差、共模滤波器两部分，结合噪声分离技术，为设计EMI滤波器提供了方便快捷的技术和途径。

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Analysis of Conducted Electromagnetic Interference on Brushless DC Motor Drive System and Research on Design of EMI Filter

Xie Renhe, Li Binbin, Zhao Cong, Kong Xin

（China Ship Scientific Research Center, Wuxi 21408, Jiangsu China）

TM33

A

1003-4862（2021）07-0056-05

2020-12-09

谢仁和（1989-），硕士，工程师。研究方向：船舶电力系统设计、电机控制。Email：18502507235@163.com