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。

3 电机传动器的电磁干扰抑制技术
电机传动系统产生的电磁干扰也包括共模干扰和差模干扰，但由于电机传动系统主要涉及高压、大功率，所以EMI 问题主要是共模干扰。

为了抑制电机传动系统产生的共模干扰，目前采取的解决方案主要有以下几种。

3.1无源滤波技术
在功率变流器中，通常采用交流侧电源EMI 滤波器来抑制传导EMI 噪声的传播。

但是在电机传动系统中，一方面入端电流、电压非常高，另一方面相对功率变流器而言，开关频率较低，因此如果采用电源EMI 滤波器所需要考虑的问题包括共模扼流圈的磁心饱和效应、共模扼流圈磁心的温升效应、滤波器整体体积、重量等因素。

针对这种情况，文献[11]介绍了电机传动系统电源EMI 滤波器的集成设计方法，如图 5 所示，设计过程中考虑到了滤波元件的高频特征和电机传动系统的EMI 噪声源阻抗特征，磁心和绕线的选择综合考虑了铁磁材料的磁通饱和与温升限制。

这种集成设计方法能够带来优化的滤波器方案，其思想同样适于功率变流器的EMI 滤波器设计。

图 4 电机传动系统EMI 噪声传播示意图
图 5 电机传动EMI 滤波器设计功能描述
但是，从图 4 可见，在电机传动系统中三相电压型PWM 逆变器的输出电压中还包含差模电压和共模电压，这些干扰电压能够导致电机绕组损伤以及产生轴承电流并缩短电动机使用寿命，因此发展逆变器输出端的EMI 抑制技术是非常重要的。

文献[12]介绍了在逆变器交流输出侧加入du/dt 衰减电路和共模滤波器的方案，能够抑制电机高频轴电压和电机的接地漏电流。

文献[13]介绍了采用一个逆变器输出滤波器同时抑制电机终端的共模和差模电磁干扰。

文献[14]提出了一种逆变器输出无源滤波器，如图 6 所示，该滤波器由一LC 低通滤波器和一共模变压器构成，由于将两种结构的滤波器集合在一起，简化了滤波器的结构和设计。

图 6 逆变器输出无源滤波器
3.2有源滤波技术
有源滤波技术也为滤除EMI 噪声提供了一个可选择的方案，相比无源滤波
器，有源滤波器体积更小，并且其性能受噪声源阻抗的影响也更小[15]。

文献[16]介绍了一种有源共模噪声补偿电路，如图7 所示，该补偿电路包含一个采用互补晶体管组成的射极跟随器和一个共模变压器，它们能够将三个电容所检测的逆变器输出端共模电压通过反向电压VC补偿到逆变器输出电缆中，从而达到消除共模电压的目的。

文献[17]介绍了一种由单相逆变器和五绕组共模变压器组成的有源滤波器，其结构虽然比较复杂，但是可采用一个控制单元控制辅助逆变器和主电路三相逆变器的驱动信号，因此该方案也比较容易实现。

有源滤波器可单独用于抑制共模噪声，也可与无源滤波器集成[18-19]，提高共模噪声衰减性能。

此外，文献[20]提出了一种双桥逆变器结构，通过对三相双绕组感应电机产生平衡激励的原理，抑制了电机绕组和机壳之间的容性耦合。

文献[21]介绍了一种先进的PWM 控制方法，无需添加其他
硬件电路而仅仅通过软件的实施能够降低三相电机传动系统的共模电压。

文献[22]提出了利用多层PCB 技术抑制电机传动系统产生的共模电流。

从上述回顾可知，由于EMI 现象的复杂性，适于电机传动器EMI 噪声建模、预测和抑制的系统方法还尚未形成。

今后的工作目标应该是在设计电机传动器的其他功能时就能建立准确和实用的EMI模型，与此同时实现有效的EMI 解决方案。

图7 有源共模噪声补偿电路
4 EMI滤波器的寄生效应
EMI滤波器的寄生效应对滤波性能有着十分重要的影响。

大多数工程师都了解绕组寄生电容与绕组电感以及电容器的引线电感与电容器之间的自谐振对滤波器性能所产生的影响。

这些效应相对来说还是可以理解的，并且在一定程度上易于控制，因为可以通过阻抗分析仪测量。

寄生效应的另一种类别，即与布局和封装相关的寄生效应，相对来说则更难以理解。

虽然该问题可以借助场的理论来解决，但这个方法往往很难普遍接受。

4.1 EMI滤波器寄生参数抵消技术
减小滤波器中电容器引线电感的影响对提高滤波器的高频性能无疑具有重要的作用。

文献[23]提出了在滤波电容器支路上引入负电感用于抵消滤波电容器引线电感效应的设计方法，如图8 所示，电感L11和L22之间的互感为LM，如果LM等于ESL，那么在右图的去耦等效电路中电容器支路上的电感为0，因而消除了滤波电容器的引线电感效应。

文献[24]则是根据电路网络理论，采用X 形的滤波器结构，如图9 所示，抵消了滤波电容器的ESL 和ESR，因而提高了滤波器的高频性能。

文献[25]介绍了EMI 滤波器中滤波电感绕组等效并联电容(EPC)的技术，如图10 所示，由于差模电感器与共模电感器的两个绕组电流方向不同，因此分别采用了不同的技术。

对于图10a 所示的差模电感器EPC 抵消技术，还需要考虑两个绕组之间的寄生电容；而对于图10b 所示的共模电感器EPC 抵消技术，主要的问题在于很难保证单个绕组内部两个半绕组之间有接近 1 的磁耦合系数，如果该耦合系数不高，EPC 的抑制效果会很差。

文献[26]将一个线圈集成于电容器中用于消除两个电容器之间的磁场耦合，同时抵消了电容器的等效串联电感。

图8 滤波电容器ESL 抵消技术
图9 滤波电容器ESR 与ESL 抵消技术
(a) 差模电感的EPC 抵消技术
(b) 共模电感的EPC 抵消技术
图10 滤波电感EPC 抵消技术
对EMI 滤波器寄生效应的研究不仅有利于改善滤波器本身的高频性能，而且有助于理解和掌握整体电力电子装置的EMI 特征。

总结
通过对电力电子装置电磁兼容研究现状的回顾，可以看到EMC 是一个综合的问题，涉及了多方面的内容。

虽然大量的研究工作在电力电子装置的EMI 噪声特征、EMI 抑制技术以及EMI 测量等方面取得了许多有价值的成果，但是进一步的研究和开发工作仍然是非常必要的。

一方面，需要对现有的EMC 技术和理论进行改进和完善，另一方面，需要开发出新的EMC 设计理论和方法以便满足国际上越来越苛刻的EMC 标准和要求。

参考文献
[1] Wu Xin, Pong M H, Lu Zhengyu, et al. Novel Boost PFC with low common-mode EMI: modeling and design[C]. In: Proc. of IEEE APEC’00, 2000:178-181.
[2] Cochrane D, Chen D Y. Passive cancellation of common-mode noise in power electronic circuits[J]. IEEE Trans. on PE, 2003, 18 (3): 756-763.
[3] 袁义生, 钱照明. 功率变换器动态节点电位平衡共模EMI抑制技术[J]. 浙江大学学报(工学版), 2003,37 (1): 108-111.
Yuan Yisheng, Qian Zhaoming. Suppression technique of dynamic nodes potential balance for common mode EMI in power converters[C]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2003, 37(1): 108-111.
[4] Chen Wei, Qian Zhaoming. A novel and simple approach to suppress common-mode EMI in power converters[C]. In: Proc. of IEEE INTELEC’04, 2004: 589-592.
[5] Zhang D B, Chen D Y, Lee F C. An experimental comparison of conducted EMI emissions between a zero-voltage transition circuit and a hard switching circuit[C]. In: Proc. of IEEE PESC’96, 1996: 1992-1997.
[6] Chung H, Hui S Y R, Tse K K. Reduction of power converter EMI emission using soft-switching technique[J]. IEEE Trans. on EMC, 1998, 40 (3): 282-288.
[7] Shao J, Lin R L, Lee F C, et al. Characterization of EMI performance for hard and soft-switched
inverter[C]. In: Proc. o f IEEE APEC’00, 2000: 1009-1014.
[8] 顾亦磊, 陈世杰, 吕征宇, 等. 控制型软开关变换器的实现策略[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25 (6): 55-59.
Gu Yilei, Chen Shijie, Lu Zhengyu, et al. Strategy for control type soft switching converters[J]. Proceedings of CSEE, 2005, 25 (6): 55-59.
[9] Mahdavi J, et al. Comparison of conducted RFI emission from different unity power factor AC/DC converters[C]. In: Proc. Of IEEE PESC’96, 1996: 1979-1985. [10] Trzynadlowski A M, Blaabjerge F. Random pulse width modulation technique for converter-fed drive system——a review[J]. IEEE Trans. on Industry Application, 1994, 30 (5): 1166-1174.
[11] Shen W, Wang F, Boroyevich D, et al. Optimizing EMI filter design for motor drives considering filter component high-frequency characteristics and noise source impedance[C]. In: Proc. of IEEE APEC’04, 2004: 669-674.
[12] Akagi H, Tamura S. A passive EMI filter for an adjustable-speed motor drive by a 400V three-level diode-clamped inverter[C]. In: Proceedings of IEEE PESC, 2004: 86-93.
[13] Palma L, Enjeti P. An inverter output filter to mitigate dv/dt effects in PWM drive system[C]. In: Proc. Of IEEE APEC’02, 2002: 550-556.
[14] 姜艳姝, 徐殿国, 刘宇, 等. 一种新颖的逆变器输出无源滤波器的研究[J]. 中国电机工程学报, 2004,24 (11): 134-138.
Jiang Yanshu, Xu Dianguo, Liu Yu, et al. Research on a novel inverter output passive filter[J]. In: Proceedings of CESS, 2004, 24 (11): 134-138.
[15] Son Y, Sul S. Generalization of active filters for EMI reduction and harmonics compensation[C]. In: Proc. of IEEE IAS’03, 2003.
[16] Ogasawara S, Ayano H, Akagi H. An active circuit for cancellation of common-mode voltage generated by a PWM inverter[J]. IEEE Trans. on Power Electro.1998, 13: 835-841.
[17] 姜艳姝, 徐殿国, 陈希有, 等. 一种新颖的用于消除PWM 逆变器输出共模电压的有源滤波器. 中国电机工程学报, 2002, 22 (10): 125-129.
[18] Julian A L, Cuzner R, Oriti G, et al. Active filtering for common mode conducted EMI reduction in voltage source inverters[C]. In: Proc. of IEEE APEC’98, 1998: 934-939.
[19] Mei C, Balda J C, Waite W P, et al. Minimization and cancellation of common-mode currents, shaft voltages and bearing currents for induction motor drives[C]. In: Proc. of IEEE PESC’03, 2003: 1127-1132.
[20] Zhang H, Jouanne A V. Suppressing common mode conducted EMI generated by PWM drive system using a dual-bridge inverter[C]. In: Proc. of IEEE APEC’98, 1998: 1017-1020.
[21] Lee H D, Sul S K. A common mode voltage reduction in converter-inverter system by shifting active space vector in a sampling period[C]. In: Proc. Of IEEE APEC’99, 1999: 1046-1051.
[22] Mutoh N, Kanesaki M, Nakashima J, et al. A new method to control common mode currents focusing on common mode current paths produced in motor drives systems[C]. In: Proc. of IEEE IAS’03, 2003: 459-466.
[23] Neugebauer T C, Phinney J W, Perreault D J. Filters and components with inductance cancellation[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2004, 40(2): 483-491.
[24] Wang S, Lee F C, Odendaal W G. Controlling the parasitic parameters to improve EMI filter performance[C]. In: Proc. of IEEE APEC’04, 2004:503-509.
[25] Wang Shuo, Lee Fred C, Van Wyk J D. Design of inductor winding capacitance cancellation for EMI suppression[C]. In: Proc. of IEEE, PESC’06, 2006:2734-2740. [26] Wang S, Lee F C, Odendaal W G. Improvement of EMI filter performance with parasitic coupling cancellation[J]. IEEE Trans. on Power Electronics,2005, 20 (5): 1221-1228.。