PWM电机驱动系统传导共模EMI抑制技术的研究现状

EI。ECTRTCDRTVE2008V01．38No．8 电气传动 2008年第38卷第8期 PWM电机驱动系统传导共模EMI抑制 技术的研究现状 姜保军 (重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆400074) 摘要：现代工业领域中广泛采用的PwM电机驱动系统，因功率变换器调制策略的原因，将不可避免地形 成传导共模EMI，并且其危害程度要远大于差模EMI的危害程度，是EMI问的研究热点。详细分析了 PwM电机驱动系统传导共模EMl抑制技术的研究现状，并在此基础上给出了典型存在的不足，及抑制 技术的发展趋势。 关键词：传导共模EMI；PWM功率变换器；EMI发射强度；EMI传播途径；EMI滤波器 中图分类号：TM921 文献标识码：A ResearchStatusofC帆ductedComm蚰ModeEMIR骼traintMethodin PWMMotorDriVeSystem JIANGBao-jun (CoZzPg已D，EZPffrD，，卯c^口，lfc口Z口，ldA∞to，，106iZPE挖gi，lBPri行g， 吼D咒gqingJi口o￡D咒g‰i僻埘砂，吼D行g咖g400074，吼i眦) Abstmct：PWMmotordrivesystemiswidelyappliedtoindustrialdomai儿However，owingtopowercon— verteradoptspulsewidthmodulation，whichinevitablycausesconductedcommonmodeEMI．Hamfuldegree ofcommonmodeEMIismuchgreaterthanthatofdifferentialmodeEMI，socommonmodeinterferenceisthe researchfocusofEMI．ThestudystatusarlddevelopmenttrendofconductedcommonmodeEMIsuppression technologyofPWMmotordrivesystemwasanalyzedandthedeficiencyoftypicalsuppressionmethodwas presented． Keyw”凼：conductedcommonmodeEMI；PWMpowerconverter；EMIemissionintensity；EMItrans— missionroute：EMIfilt盯 1 引言 现代电机驱动系统已由原来简单的工频电源 直接驱动控制发展成为采用脉宽调制技术(pulse widthmodulation，PwM)的功率变换器驱动控 制，即PwM电机驱动系统。虽然该系统性能得 到了大幅度的提高，但是由于PWM脉宽调制策 略的原因将不可避免的使系统产生共模EMI。 传导共模EMI作为PwM电机驱动系统电 磁干扰的一种，由于其传播途径包含具有单极性 天线作用的系统PE线及大地，会增大系统的辐 射EMI强度，同时还会以电流的形式注入其它系 统而影响其正常运行，所以传导共模EMI对周边 其它系统和设备所造成的危害要远大于传导差模 EMI所造成的危害。而且研究表明，PWM电机 驱动系统所具有的(差模)滤波电感和滤波电容都 对高频传导差模EMI具有良好的抑制作用，但高 频共模EMI却可以直接通过散热器、感应电机等 对地寄生电容的耦合形成传播途径，所以对 PWM电机驱动系统而言，传导共模EMI是系统 传导EMI的主要成分，是主要抑制对象n~5]。 目前学术界普遍认为电磁噪声能量是伴随着 功率半导体器件开关过程产生的，并且这些能量 会借助系统中的各种元器件及媒质，通过电磁场 以电压、电流的形式耦合到敏感设备(电路)形成 电磁干扰(EMI)[6~8]。因此，抑制系统EMI发射 方法可以归纳为基于减小干扰源发射强度的 EMI抑制技术和基于切断传导传播途径的EMI 作者简介：姜保军(1965一)，男，博士，讲师，Email：jian9031@163．com 3 万方数据 电气传动 2008年第38卷 第8期 姜保军：PWM电机驱动系统传导共模EMI抑制技术的研究现状 抑制技术。 2 减小干扰源发射强度的抑制技术 目前，通过消除或减小PWM功率变换器干 扰源的发射强度，达到抑制系统传导共模EMI发 射强度的方法可以归纳为以下几种。 2．1基于控制策略的抑制方法 由于两电平PWM调制策略将不可避免的使 功率变换器输出含有共模电压，为此一些学者基 于改进逆变器控制方式或策略，提出了一些可以 消除或减小共模电压的新调制策略。如Yen—Shi Lai所提出的空间矢量调制技术(space—vector PWM，SVPwM)，该方法是利用矢量状态的不同 组合会对功率变换器输出共模电压产生影响的特 点，采用两个相反方向矢量“回扫”的方法取代零 矢量的作用，以此降低系统共模电压，实现抑制传 导EMI的目的[9’10|。该方法会增加功率变换器 输出电压的谐波。 A．M．DeBroe等学者提出了整流侧与逆变 侧开关同步变化的空间矢量调制方法[1川，它能够 避免产生与直流母线电压大小相同的共模电压脉 冲，但其它共模电压脉冲仍然存在，所以该方法并 没有真正地消除共模电压，只是起着限制电机侧 共模电流的作用。 韩国学者Hyeoun—DongLee对全控型三相 整流／逆变器的空间矢量调制方式进行了改动，它 是依据非零矢量位置的移动会减小系统输出共模 电压脉冲数量和作用时间这一原理，实现了共模 电压的减小[12|，同样该方法并没有真正地消除共 模电压。另外该学者还提出了通过检测整流器滤 波电容钳位中点电位的过零点极性，并选用两个 不同零矢量的方法。该方法虽然可以将功率变换 器输出的共模电压降低到传统SVPWM方式的 三分之二【l3|，但需要增加检测直流母线电压中点 电位变化的硬件电路。 M．Zigliotto等学者提出了以随机开关频率 调制(randompulsewidthmodulation，RPwM) 方式实现电磁干扰能量在频域范围内分布平均化 的抑制技术口4|。从时域角度看，该方法只是改变 了干扰出现的时间，并没有减小电磁干扰发射强 度的峰值，还是不能从根本上消除电磁干扰。 2．2基于控制电压、电流变化率的抑制方法 由于PWM电机驱动系统产生传导EMI主 要原因是功率半导体器件高频开关动作所引起的 4 如／d￡和出／出过大，并且它们的大小还直接影响 着系统EMI的发射强度，而且对于常用的开关器 件，其开关瞬间d“／d￡和di／出的大小受门极驱 动脉冲波形和门极杂散电容的影响[15~1引，因此， 如果单纯从减小系统EMI发射强度的角度考虑， 通过选择适当的电路拓扑结构和控制策略是可以 减小d“／出和di／出，实现降低系统EMI发射强 度的。为此，日本学者S．Takizawa，S．Igarashi 和意大利学者A．Consoli基于此观点，通过附加 驱动电流源的方法，实现了对门极驱动电流波形 的可控，达到了优化EMC的目的[19~23|。他们所 提出方法的共同点是在IGBT发射极串入一个用 于检测di／出的电感器，这使得该方法既不适用 于模块化的IGBT，也不适用于三相逆变桥。 VinodJohn等学者根据IGBT的开关特性及 其所具有的弥勒效应提出了一种三级驱动的思 想[2引，并且出了相应的电路。该方法虽然既 能应用于分立器件，也能应用于IGBT模块，而且 还适用于软开关和硬开关技术，但该驱动电路设 计过于复杂，还需要做集成化研究；另外一种减小 也／出和出／出的方法就是增加缓冲吸收电路。 该方法虽然在一定程度上减小了如／出和di／出， 理论上可以降低系统EMI发射强度，但事实上它 只是消除了器件开关时的振荡现象(毛刺现象)， 抑制EMI的效果不是很明显。 P．Caldeira等学者依据软开关变换器可以减 小功率开关管通断时d“／出和di／出的观点，提 出了采用零电压转换(ZVT)的软开关变换器应 该比硬开关变换器EMI性能好的推测[2引。为此 CPES研究中心对分别采用零电压转换与硬开关 电路的两个单相400WPFC升压变换器实验模型 进行了传导EMI对比实验。实验结果表明，采用 软开关变换器与硬开关变换器间的EMI差异很 小，甚至于，如果ZVT的谐振电路设计不当，还 会使零电压转换器所产生的EMI强度更高[26‘。 这由于在软开关电路中，仍然存在着辅助开关元 件这一重要的干扰源。 总的来说，近些年随着门极驱动技术方面的 迅速发展，利用门极驱动电路的优化已经达到了 可以灵活控制d“／d￡的目的，但是每一种方法都 存在着不是增大开关损耗，就是不适于三相逆变 桥的缺陷。再有就是减小如／出往往会限制功率 器件的开关频率，这有悖于电力电子器件的发展 趋势。因此基于控制d“／dz和di／出的抑制技术 万方数据 姜保军：PwM电机驱动系统传导共模EMl抑制技术的研究现状 电气传动 2008年第38卷 第8期 在实际应用中受到了一定的限制，尚需要做进一 步研究。 2．3基于改变系统结构的抑制方法 由于功率变换器所产生的传导共模EMI要 远大于其它设备所产生的传导共模EMI，而且功 率变换器所产生的共模电压还是PWM电机系统 产生轴电压、轴电流的主要原因之一。因此，为了 从原理上消除PwM电机驱动系统共模电压，一 些学者提出了通过改变传统电路拓扑结构，实现 抑制PwM电机系统共模EMI的方法。如以 A．L．Julian为代表的学者根据“电路平衡”原理 所提出的用于消除三相功率变换器输出共模电压 的三相4桥臂[27~29。，实验电路如图1所示。 该方法基本思想是采用一个外加“辅助相”使三相 系统电路的对地电位对称，并通过调整开关顺序， 使4桥臂输出相电压之和尽可能为零，以此实现 共模电压完全为零的目的。与传统三桥臂功率变 换器相比，它的共模EMI可以减小约50％，但不 足之处是增加了变换器的成本和体积，并且当采 用SPWM控制策略时，为了避免零状态的出现， 其调制比仅能达到o．66，这不但影响了直流母线 电压的利用率，同时还会使线电压发生畸变。当 采用空间矢量控制策略时，虽然调制比没有上述 限制，但是却产生了严重的开关损耗和谐波失真。 第4桥臂 生． 2。 膨 ‰． 2 JE “l 一略一略l一略|。—譬必 I 蚝 j也Jk cf牟牟牟牟i 巳 图1三相4桥臂功翠变抉器 Fig．13一phasefour．a咖powerconverter M．D．Manjrekar和A．Rao等学者则提出了 一种通过添加辅助零状态开关，以消除因零开关 状态而产生共模电压的方案[30’3¨，电路结构如图 2所示。这种辅助零状态合成器方法虽然在经济 方面很有吸引力，并且还可以消除感应电机侧共 模电压，但是两电平功率变换器不对称开关动作 所产生的共模电压仍然存在，并且该辅助电路所 能提供用于控制开关合成零状态的自由度少，再 则，为了避免因功率变换器上桥臂和辅助零状态 合成器开关同时导通而出现短路现象，需要对辅 助零状态合成器的调制策略进行精心设计，这增 加了设计难度。 图2辅助零状态合成器结构图 Fig．2Au妇liaryzerostatesynthesizer(AZSS) 与传统的功率变换相比，尽管三相4桥臂和 辅助零状态合成器这两种方法都能够消除或降低 系统输出的共模电压，但它们所采用的调制策略 都会使系统电压利用率下降。为此，Haoran Zhang等学者提出了一种用于消除电机共模电压 和轴电流的双桥功率变换器[32~3引，拓扑结构如图 3所示。它是通过控制双桥功率变换器产生 的三相双绕组感应电动机平衡激励，并通过平衡 激励(磁系统)实现抵消共模电压，达到消除轴电 压、轴电流及充分减小漏电流、EMI发射强度的 目的。与传统变换器相比，双桥功率变换器方法 需要增加一个功率变换器及相应的驱动设备，这 使得变换器的体积和成本都成倍增加，并且该方 法的最大不足之处是它只能应用于结构特殊的三 相双绕组感应电机，从而限制了该方法的应用。 图3双功率变换器驱动电路 F．g．3 Drivercircuitwithdual．bridgeinverter 为了消除PWM电机驱动系统共模EMI电 流，A．Consoli等学者则基于共模电压补偿技术， 提出了一种应用于由两个或多个功率变换器组成 的多驱动系统公共直流母线共模电流消除方 法[3引，拓扑结构如图4所示。该方法是在两个功 率变换器做适当连接的基础上，通过控制两个变 换器状态序列而使共模电压同步变化的新PWM 调制策略。由于是通过两个RLC滤波器的连接， 所以可以将其视为6线系统。依据这种电路上的 平衡对称，在两个驱动系统中可以获得一个理论 上的零共模电压。但该方案只能应用于由两个或 5 万方数据 电气传动 2008年第38卷第8期 姜保军：PwM电机驱动系统传导共模EMI抑制技术的研究现状 多个功率变换器组成的多驱动系统中，所以该方 法也不能被广泛应用。 输 入 三相逆变器1 端 三相逆变器2 图4公共直流母线多电动机驱动共模电压系统 Fig．4Multi—motordrivesystemwithcommonDCbus 3切断传播途径的抑制技术 尽管单纯从EMC角度出发，降低干扰源对 外发射电磁干扰强度是能够减小系统EMI的，但 会受到开关损耗增大、抑制幅度有限、控制策略繁 杂及电压利用率降低等不利因素的限制。为此各 国学者相继提出了一些用于阻断EMI传播途径 的EMI滤波器结构，并且实验表明经过正确设计 的滤波器是能够使系统EMI发射强度减小到 EMC标准限值以下，是电气设备和系统实现电磁 兼容的重要手段，因此，EMI滤波仍然是EMI抑 制技术的研究热点。同谐波滤波器一样，EMI滤 波器也可以被划分为无源EMI滤波器和有源 EMI滤波器两种。 3．1 基于无源EMI滤波技术的抑制方法 无源EMI滤波通常是由电阻、电感、电容等 元器件组成，目前最为常见的是电源EMI滤波 器，其结构如图5所示。由于它只能抑制EMI噪 声，而对PWM电机驱动系统的其它负面效应无 抑制作用，为此各国学者针对PWM电机驱动系 统又相继提出了一些兼顾其它功能的无源EMI 滤波器结构。如AV．Jouanne等学者所提出的共 模变压器方案[36|，结构如图6所示。该方案是从 消除电动机侧共模EMI电流的角度进行设计的， 它是在共模扼流圈的基础上，再在同一磁芯上缠绕 一个终端连接阻尼电阻的第4绕组，以此抑制共模 EMI电流的振荡，达到消除电机端共模电压带来的 其它负面效应。这种方法虽然对电机侧共模EMI 电流的抑制效果较好，但只能降低共模电压的如／ 出，而对共模电压的抑制效果并不明显。 6 么二 么 z二 么二 Cx=立曲R cx： 一J-一了。 =辛q一 图5典型三相EMI电源滤波器 Fig．5Typicalthree—phaseEMIpowersupplyfilter 输 出 端 k J【j【 一略一咯一咯 且 亡刁 感应电自 √k l I}v．．二正；，：．】 料f： 1 = H二芝剐 一上上 一降一降一降盏 Fb抒f尹1 ‘』 k 图6共模变压器方案 Fig．6common—modetransformerprogram D．A．Rendusara等学者提出了改进型二阶 RLC低通功率变换器输出滤波器结构[37’38]，结构 如图7所示。它与原型滤波器相比，其重要区别 就是通过导线把以星型形式连接的阻容电路中性 点与变换器直流母线钳位中点接在一起。该滤波 器的优点在于可以同时减小电机侧的传导差模 EMI电流和传导共模EMI电流，并且如果参数 设计合理，还可以使R，，Lf和C，的值很小，而将 其安装在功率变换器机壳内。它可以使电机端的 过电压、对地共模EMI电流以及轴电压显著减 小，并且该滤波器的尺寸、损耗以及成本都较低。 但其缺点是如果系统的工作状态发生变化，则需 要调节滤波器的无源元件参数，以此确保能够有 效地消除电机侧随载波频率变化的共模电压，因 此在实际工程应用中难于实现。 罐 图7改进型二阶无源低通滤渡器 Fig．7Improvedsecond—orderlowpasspassivefilter 3．2基于有源EMI滤波技术的抑制方法 有源滤波技术则是将检测环节检测到EMI 电流或电压反向回馈给系统，以此抵消系统所产 生的EMI电流或电压，达到消除EMl的目的。 与无源EMI滤波技术相比较，有源滤波技术是利 万方数据 姜保军：PwM电机驱动系统传导共模EMI抑制技术的研究现状 电气传动 2008年第38卷 第8期 用有源电路来消除EMI噪声能量。它克服了无 源EMI滤波补偿值固定，难以对谐波进行动态补 偿的缺点，因此有源EMI滤波技术不但滤波效果 较好，而且还具有结构紧凑、体积较小、易于集成 化和模块化的优点，因此适应当前电力电子设备 的发展趋势，备受研究者和使用者的关注，已成为 一个新的研究热点。 目前应用于PWM电机驱动系统中的有源滤 波器主要是用于消除传导EMI中的共模分量。 如IsaoTakahashi针对减小电机侧共模电流问题 所提出的典型有源EMI滤波器结构【3引。该方法 是先对电网侧输入／输出的共模电流进行采样，而 后再借助于射极跟随器反向抽取逆变器输出的共 模电流。它由共模电流互感器和互补高频晶体管 组成，拓扑结构如图8所示。由于需要将晶体管 直接接到系统直流母线上，所以该滤波器不能应 用于高电压系统。再有该方案只能抑制PWM电 机驱动系统的共模EMI电流，而对功率变换器输 出端的共模EMI电压没有任何抑制作用，因此功 率变换器所引起的其它负面效应仍然存在。 图8有源EMI滤波器 Fig．8ActiveEMIfilter 日本学者Satoslli09asawara则从消除PWM 功率变换器产生的共模电压角度提出了一种有源 共模噪声消除器(ACC)方案‘40~4引，系统结构如图 9所示。该噪声消除器连接在功率变换器的输出 端，它由共模电压检测电路、互补推挽电路和共模 有源共模噪声消除器ACC M ＼ 州醋=●—— ％嘲犁v． 图9有源共模噪声消除器结构 Fig．9Stnlctureofactivedfcuitforcanceling common—modevoltage 变压器这3部分组成。该噪声消除器可以通过滤 除加载在感应电机端的共模电压，实现减小轴电 压、轴电流和共模电流，达到抑制感应系统电机侧 传导共模EMI发射强度的目的，但由于共模电压 检测的星接电容器是与电机绕组呈并联关系，所 以该滤波器存在高低频特性难以兼顾的问题。 在此之后，SatoshiOgasawara等学者又在兀 型无源EMI滤波器和有源共模噪声消除器相结 合的基础上，提出了改进型有源EMI滤波器结 构[44。，拓扑结构如图10所示。该滤波器能够在 消除感应电机端共模电压的同时抑制PwM功率 变换器的谐波。但Satoshiogasawara所提出的 这两种方法都采用了射极跟随器直接连到系统直 流母线上这一方案，因而存在着互补晶体管额定 电压必须大于直流母线电压的要求，因此，同Isao Takahashi所提出的有源滤波器一样，这两种滤 波器不能应用于高电压系统中。 图10改进型的有源滤波器 Fig．10Improvedcommon-mode、roltageactivefilter Y．Q．Xiang提出了一种用于降低感应电机 轴电流的有源共模电压补偿器(ACCom)c45～4引， 电路拓扑结构如图11所示。由于用于消除感应 图11有源共模电压补偿器的结构 Fig．11Activecom肿n-modevoltagecompensator 7 万方数据 电气传动 2008年第38卷第8期 姜保军：PWM电机驱动系统传导共模EMl抑制技术的研究现状 电机端共模电压的反向补偿电压是通过一个多电 767- 平功率变换器产生的，所以该有源共模电压补偿 [8]uR·c0“dum8E18。2”“89嘣kE“i38‘。n8‘“1“8“。‘i。“ 器可以应用于高电压系统。但是由于其电路过于 [J]．IEEET二。。。。ti。。。。。P。。。?Ele：。。ics，1998，13 复杂，并且4个串联电容的电压平衡问题又难于 (4)：768—776． 解决，再则，该补偿器的成本和体积都相对较大， [9]LaiYs·InVestigationsintotheEffectsofPwMTechnique 所以限制了该补偿器的实际应用。 ?“Co”””：。18，Y01协g。如。1“”。mr’。。“2r011ed 1ndunio“ MotorDnVesLcJ∥lEEEEngineeringSbciety’NewYork’ 4 结论 usA，2005，1：35—40· [10]LaiY&common—modeVoltageReductionTechniquefor 虽然目前各国对PwM电机驱动系统传导共 widespeedRangecontrolofInductionMotorDriVesFed 模EMI问题十分重视，并且也都相继开展了理论 芸：X=：。篙兰：：=：羔l亨么：竺兰翼塞嚣 和抑制技术等方面的研究，但从现有的文献看，抑 2003，1：424—431．。 。 ～ 制方法虽然提出了很多种，但大多都停留在实验 [11]BroeAMD，JulianAL．Neut。。1．t0一gro。。dv01tageMini- 室研究与探讨阶段，还不能实现工程应用和产品 mizationinaPwM—Rectifier／InVerterConfiguration[c]∥ 化，研究水平还滞后于实际工程对电磁环境及当 [。：]：∑苫i0；之g：：：兰：：羔凳：：。。。。。；。。i。 今电力电子器件集成化发展的要求，并且这些方 B00stR。。tifie，／I。，。rte，sy。t。。bysIlifti。gA。ti，。v。lt。g。 法都存在着一定的局限性，如果使用不当，不但不 vectorinaContmlPeriod[J]．IEEETrannctionsonPow一 能起到抑制干扰的作用，反而有可能会使干扰加 erElectronics，2000，6(15)：1094—1101· 重。总之，EMI的抑制还没有形成一套较为完整 口33急：：兰三曼。盒竺：0三二：：三兰：： 的解决方案，一些经验性方法的严谨性还有待于 v。lt。g。i。I。，。n。，fedAcM。t∞Dri，。。[c]∥Co。f。。。。 补充和科学的解释。 Proceedings—IEEEAppliedPowerElect啪icsConferenc8 andExposition，NewCarolina，USA，2000，2：918—923． 参考文献 [14]ZigliottoM，TrzynadlowskiAM．E“色ctiveRandomspace VectorModulationforEMIReductioninLow—costPWM [1]LiR，G。kaniS，ClareJ·Conduc‘edElec‘‘。magne‘icEmis— Inverters[C]∥IEEEc。nferencePublicationProceedings“ sioninInductionMotorDri、reSy5t。m5Pan1：TimeDo— the7thInternationalConferenceonPowerElectronic8and mainAnalysisandIden‘i“ca‘ionofDomin8n‘Modes[J]·variableSpeedDrives，Boston。USA，2006：163—167． 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