电力电子装置电磁兼容分析

电力电子装置电磁兼容分析

摘要

随着电磁兼容法规在海内外的普遍实施，电磁兼容问题在电力电子领域受到了越来越多的关注。本文回顾了国内外最近几年对电力电子装置电磁兼容/电磁干扰问题的研究进展，内容包括功率变流器的电磁干扰分析及抑制技术、电机传动的电磁干扰分析及抑制技术、EMI滤波器的寄生效应等。最后讨论了电力电子装置电磁兼容技术的发展趋势。

关键词：电磁兼容EMI 抑制电力电子装置

1 引言

电力电子装置的电磁干扰行为与其他电子设备比如通信系统的电磁干扰行为没有本质上的区别。电磁干扰的产生需要具备三个条件：第一是干扰源；第二是干扰耦合途径；第三是干扰敏感设备。三者构成了电磁干扰的三个基本要素。然而从应用的角度来考虑，电力电子装置的电磁兼容问题具有如下内在特征。就EMI 而言，虽然电力电子装置的开关频率远低于通信系统的信号频率，但是它的工作电压、工作电流和处理的功率都更高。电力电子装置的主功率开关器件在开关过程中产生非常高的电流和电压变化率，即非常高的di/dt 与du/dt，它们通过电路中寄生电感和寄生电容产生强烈的瞬态噪声。因此，主电路开关器件和相关的电路产生的电磁噪声成为电力电子装置中的主要电磁干扰源，并主要以传导和近场干扰源的形式出现。当然一些高频、高功率电源，诸如高频感应加热电源和等离子体电源等，也会产生强烈的辐射电磁干扰。而且，所有电力电子装置也会导致严重的EMI 噪声和市电谐波电流注入到电网中，这就不仅污染了电网，也会影响连接到同一电网中的其他电气电子设备的正常工作。从某种意义上来说，与通信设备比较，电力电子装置产生的EMI 问题可能会更严重。考虑到EMS 问题，相比通信系统，电力电子装置的控制器通常门限电压更高、尺寸更大，这很容易让人理解为电力电子装置的EMS 问题比电子通信系统的要更容易解决。然而，下面一些事实使得电力电子装置的EMS 问题依然不可忽视：（1）面临更大的噪声强度。电力电子装置的噪声电压能达到数百伏甚至上千伏，di/dt 和du/dt 能分别达到103A/µs 和104V/µs。

（2）由于电力电子装置的主要电磁干扰源位于功率电路部分，噪声频谱范围非常宽，特别是在低频范围内能达到几赫兹的频率，这使得采用传统方法如屏蔽和滤波抑制电磁噪声变得非常困难。

（3）电力电子装置的功率电路部分和控制电路板通常安装于同一个箱体中，而且有时应用现场要求电力电子装置通过数十米长的电缆与其负载相连，由此引发的电磁干扰源与电磁噪声敏感电路之间的电磁噪声传播是以传导和近场耦合为主。这种电磁空间与边界条件的不规则与多样性使得电磁兼容设计变得异常复杂。

除了上述因素之外，电力电子装置的电磁兼容性特征描述还存在一些其他的特别困难之处，这是因为电力电子装置通常要处理很高的功率，导致装置体积和重量都很大，这给电力电子装置EMC 测量带来一些实际的困难。

基于上述事实，当前电力电子装置的电磁兼容研究仍然处于初级阶段。但是这些工作对于科学地理解电力电子装置的电磁干扰问题和将来实现产品的电磁兼容系统化设计仍具有十分重要的意义。

2 功率变流器的电磁干扰抑制技术

2.1传导干扰反相抵消技术及低共模干扰变流器

文献[1]提出了“系统共模平衡”的观点，发展了“共模干扰反相消除技术”，并在小功率Boost、Buck 电路上进行了验证，其设计原理如图 1 所示。文献[2]通过增加一个补偿变压器绕组和一个电容器，实现了Buck、Boost、Flyback、Forward、Buck-Boost 等基本变流器中共模干扰的部分抵消。文献[3]提出了系统动态节点平衡的思想，如图2所示，在系统中人为地构造两个电位变化幅度相同、相位相反的动态节点，从而使共模干扰得到极大的抑制。文献[4]提出了“构造稳态节点共模EMI 抑制技术”，该技术通过在电路中构造稳态节点，如图3 所示，将Boost 电路中的储能电感放置到电源负极与MOSFET 的源极之间，避免了开关器件漏极与散热器之间寄生电容Cm对共模干扰的影响，大大减小了传导共模干扰。

图1 Boost 变流器共模干扰反相消除电路[1]

图 2 采用动态节点电位平衡技术抑制共模EMI[3]

图 3 构造稳态节点的共模EMI 抑制技术[4]

2.2软开关技术

软开关的主要目的是为了降低开关损耗，减小开关应力。理论上由于开关器件是在零电压/零电流条件下实现开通/关断的，因此采用软开关技术可使电压、电流上升、下降沿变缓，应当比硬开关变流器具有更低的电磁干扰水平。文献[5]对这个问题进行了较为仔细的分析，文献[6]分别研究了具有相同功率等级和类似设计的Buck、Boost、Flyback 软、硬开关电路的EMI 性能，认为软开关方式能显著减小传导和辐射EMI 发射。文献[7]考察了软、硬开关方式的逆变器，发现低频范围内软开关方式的传导EMI 没有明显减小，仅在高频段有所改善。实际上，笼统地讲软开关技术可以减小传导和辐射EMI 发射是片面的，因为目前提出的绝大多数无源或有源软开关技术均是毫无例外地引入一个辅助电路（通常是谐振电路）来保证主电路功率器件实现软开关，有些先进拓扑辅助电路中的功率器件也能实现软开关，但是为了实现软开关而引入的辅助电路中谐振电流环路

所带来的附加的EMI 电平的影响，使得变流器总体的EMI 电平可能不一定比电路简单的硬开关变流器低，这常常使人们产生困惑。实际上，在采用软开关拓扑时，必须对PCB 板进行精心布置才能达到设计预期的效果。除此以外，从EMC 设计的角度考虑，采用控制型软开关拓扑可能是较好的选择[8]。

2.3 调制策略

文献[9]对单相PFC 电路的同步PWM、异步PWM、正弦误差滞环PWM、直流误差滞环PWM、PFM 工作方式进行分析和实测比较，得出变频的PFM 方式有利于减小传导EMI发射的结论。还有一种称为随机PWM（RPWM）的干扰抑制技术[10]，采用RPWM 技术能够将集中在某些频率点的能量分配到整个频谱，以达到减小EMI 的目的。