單相PWM變換器傳導(dǎo)EMI的分析與抑制

1.差模干擾

高頻差模電流一般是由輸出的線線電壓突變引起的，這些差模電流流過(guò)變換器的輸出端。一部分經(jīng)過(guò)DC端電容，一部分將被直流電源吸引。同時(shí)差模干擾電流也是一個(gè)輻射EMI源。其傳播途徑能通過(guò)安裝在變換器dc橋附近的差模濾波器來(lái)變化。

變換器輸出端電流idc由開關(guān)狀態(tài)來(lái)決定。假定當(dāng)支路為感性時(shí)，支路電流方向?yàn)檎较颍娏鞔笮閕1，則差模電流能通過(guò)表1描述的三種狀態(tài)來(lái)決定。其它狀態(tài)的高頻電流與這三種狀態(tài)是一樣的。

表1變換器DC端輸出電流

另外，因?yàn)橹麟娐返募纳鷧?shù)影響將產(chǎn)生高頻諧振，同時(shí)增大差模電流。而且，PWM開關(guān)產(chǎn)生的高諧波雖然大部分通過(guò)輸出濾波器濾出，但仍有部分存在，因此，差模電流也將在輸出端形成。

2.共模干擾

共模干擾是因?yàn)檩斎攵伺c接地系統(tǒng)之間電流形成的。在PWM變換器系統(tǒng)中，因?yàn)榇嬖诳焖俚拈_關(guān)轉(zhuǎn)換輸出電壓和輸出端各種與地的旁路電容，共模干擾是主要的干擾。IGBT集電極與金屬底座寄生電容Cp，它是由圖1中的與地之間的虛線引起的。這些電容將導(dǎo)致高頻漏電流流入連接散熱片的金屬底座。這些散熱片因?yàn)榘踩蛞话愣剂己媒拥氐摹GBT一般是通過(guò)薄的絕緣材料安放在金屬底座上。為了減小溫度電阻，絕緣層通常是盡可能的薄，并且集電極與金屬底座的旁路電容要偏大一些。

在單相變換器中，共模電壓V1和V2是潛在橋臂中點(diǎn)與直流端點(diǎn)之間。寄生電容為

在開關(guān)動(dòng)作時(shí)，共模電壓對(duì)等效寄生電容進(jìn)行充放電，因而，dv/dt和共模電流會(huì)很大，共模電流的路徑由圖1的虛線表示。由圖可以清楚的看到，共模電流回路面積相比差模電流回路面積要大一些。因此對(duì)于輻射EMI相當(dāng)于一個(gè)好的天線。

3.電壓尖峰

在PWM變換器中，直流電壓與電源開關(guān)通過(guò)母線和需要的輸出電壓延長(zhǎng)線連接。簡(jiǎn)單的電路如圖4所示。例如，圖4(a)表示負(fù)載電壓Vload=Vdc的情況。當(dāng)開關(guān)狀態(tài)變化時(shí)如負(fù)載電壓為0時(shí)，負(fù)載電流僅通過(guò)圖4(c)所示的回路2。當(dāng)T1關(guān)斷時(shí)，D2完全導(dǎo)通(負(fù)載電流因?yàn)楦行载?fù)載而不發(fā)生變化)。因?yàn)镈2處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，回路1將滿足以下表達(dá)式

L表示回路1的旁路電感，包括引線電感和IGBT內(nèi)部電感，VT1表示開關(guān)T1 的電壓。圖4不同時(shí)間的電流回路 (a) IT1=Iload，(b) 轉(zhuǎn)換時(shí)間，(c) IT1=0，(d) 通過(guò)T1的電流因而，由上式可知，當(dāng)T1關(guān)斷時(shí)，回路1的旁路電感將導(dǎo)致較大電壓通過(guò)T1。共模電壓的電壓尖峰將因開關(guān)關(guān)斷而產(chǎn)生，即dv/dt將增大，因而共模電流也將增大。

三、傳導(dǎo)EMI的抑制

對(duì)于普通的PWM變換器，通常采用通用電源濾波器。低頻部分(從15KHz到1MHz)包括DM和CM。DM和CM部分均可以通過(guò)DM和CM濾波器濾出。高頻部分(1MHz以上)是共模干擾，要抑制就很困難。包括共模濾波器在內(nèi)很多方法被使用來(lái)削除共模干擾。圖5所示是濾波器的結(jié)構(gòu)，包括輸入端的DM和CM濾波器。

圖5共模和差模干擾濾波器結(jié)構(gòu)

1.DM濾波器的設(shè)計(jì)

CM濾波器的電感對(duì)DM電流一說(shuō)近似于短路，而且，CM濾波器的漏感對(duì)DM的EMI抑制有很大的作用。輸入DM濾波器通常用于削弱變換器橋臂直流紋波電流。因?yàn)樽儞Q器橋臂是諧波源。直流輸出電流必須抑制以符合EMC標(biāo)準(zhǔn)。變換橋輸出電流包括直流部分和基頻與開關(guān)頻率的諧波部分。直流部分通過(guò)差模濾波器不能得到抑制，而諧波部分將得到大大的抑制。圖6所示為諧波電流的等效電路。L和C是差模濾波器的等效電感和電容。R是電感L的等效串聯(lián)電阻(ESR)。Vdc為直流電壓，對(duì)諧波電流來(lái)說(shuō)是短路的。Ik為變換橋的等效諧波電流源。I1為通過(guò)差模濾波器的DM電流。從等效電路可得如下表達(dá)式

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