單相PWM變換器傳導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，這些差模電流流過變換器的輸出端。一部分經(jīng)過DC端電容，一部分將被直流電源吸引。同時差模干擾電流也是一個輻射EMI源。其傳播途徑能通過安裝在變換器dc橋附近的差模濾波器來變化。

變換器輸出端電流idc由開關(guān)狀態(tài)來決定。假定當支路為感性時，支路電流方向為正方向，電流大小為i1，則差模電流能通過表1描述的三種狀態(tài)來決定。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，因為主電路的寄生參數(shù)影響將產(chǎn)生高頻諧振，同時增大差模電流。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

共模干擾是因為輸入端與接地系統(tǒng)之間電流形成的。在PWM變換器系統(tǒng)中，因為存在快速的開關(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。這些電容將導致高頻漏電流流入連接散熱片的金屬底座。這些散熱片因為安全原因一般都良好接地的。IGBT一般是通過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是潛在橋臂中點與直流端點之間。寄生電容為

在開關(guān)動作時，共模電壓對等效寄生電容進行充放電，因而，dv/dt和共模電流會很大，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。因此對于輻射EMI相當于一個好的天線。

3.電壓尖峰

在PWM變換器中，直流電壓與電源開關(guān)通過母線和需要的輸出電壓延長線連接。簡單的電路如圖4所示。例如，圖4(a)表示負載電壓Vload=Vdc的情況。當開關(guān)狀態(tài)變化時如負載電壓為0時，負載電流僅通過圖4(c)所示的回路2。當T1關(guān)斷時，D2完全導通(負載電流因為感性負載而不發(fā)生變化)。因為D2處于導通狀態(tài)，因此在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，回路1將滿足以下表達式

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不同時間的電流回路 (a) IT1=Iload，(b) 轉(zhuǎn)換時間，(c) IT1=0，(d) 通過T1的電流因而，由上式可知，當T1關(guān)斷時，回路1的旁路電感將導致較大電壓通過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EMI的抑制

對于普通的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

CM濾波器的電感對DM電流一說近似于短路，而且，CM濾波器的漏感對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。因為變換器橋臂是諧波源。直流輸出電流必須抑制以符合EMC標準。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，對諧波電流來說是短路的。Ik為變換橋的等效諧波電流源。I1為通過差模濾波器的DM電流。從等效電路可得如下表達式

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