PWM逆变器-感应电机驱动系统中接地电流EMI问题的分析

1、PWM逆变器一感应电机驱动系统中，当IGBT开关高速动作时会产生接地电流通过寄生电路流入接地网。这种尖脉冲电流有着很宽的频带和不小的峰值，它可通过接地网络给系统中的其它设备带来严重的EMI问题。更严重的是三相桥的两个桥臂可能几乎同时动作，这时干扰脉冲的峰值可以是单桥臂动作时的2倍左右。为了更好的抑制EMI，有文章研究了这种噪声的产生和传播机理，但大多数的分析是基于利用寄生电路的集中参数电路，所研究的频率范围不超过几MHz.一些改进的方法能够在高达数十MHz的频率得到比较满意的EMI预测，但是都包括复杂的以经验为主测量的参数和SABER中的器件模型，需要冗长的计算时间。从EMI故障诊断W的角度来

2、看，只研究干扰的频谱不足以解决全部问题，单个干扰脉冲的强度和宽度等因素都影响干扰的效果，而这些是频谱图不能清楚反映出的，所以在电磁兼容问题中还需要具体研究干扰的时域波形。多数文章集中于讨论装置对电网侧的EMI发射，很少提及接地电流通过接地面对其他装置的EMI问题。而且随着开关元件的动作，主电路的拓扑结构是变化的，这对EMI问题的影响有多大也很少有人研究。本文采用了一种便捷的系统函数法，通过几次简单的测试就可比较全面地分析PWM调速系统中接地电流的EMI特性。主要的传播通道。部分接地电流经过C，2从电机侧流出并由Csl返回逆变器，其余的则流入电网侧。电机侧的接地电流可以用一个如所示的电流探头测量

3、。逆变器感应电机系统EMI测试示意。2IGBT的开通/关断波形与接地电流的联系IGBT的开关特性（这里只关注dv/dO由许多因素决定，如直流母线电压、负载电流、门极驱动阻抗、结温、以及电路的寄生阻抗等。本文详细研究了IGBT开关动作时电压上升/下降速率（ldv/dd）和负载电流之间的联系。所示逆变器一个桥臂上的器件电压和负载电流/的波形如所示，。为了测量方便，逆变器通过一根很短的粗铜线连接到接地面。图中曲线3所示电压波形是一个逆变器桥臂的输出，这是由上管开关动作产生的，曲线1所示电流波形是电机侧的接地电流，曲线2所示电流波形是流回逆变器侧的接地电流。很明显，接地电流在IGBT开关动作时产生，I

4、dv/dfl越大，接地电流也越大；绝大部分接地电流从电机侧流出并从逆变器侧返回，其余部分则流入电网侧，接地电流能通过接地网络耦合对其他装置产生严重干扰。图中纵坐标电压为250V/：洛：电流为2A/格：横坐标时间为500ns/格。IGBT上管开通/关断动作所弓丨起的接地电流Fig.4Groundingcurrentdueto多，由接地电流所引起的EMI问题主要由IGBT的开通动作决定，因而可以主要考虑IGBT开通时的EMI问题。为了更清楚地认识这一点，两个同样工作条件下由IGBT开通（红线）和关断（蓝线）引起的接地电流波形以及幅频谱被重新绘制在）中，可以看出IGBT开通时所引起的接地电流EMI问

5、题要严重得多。（b）接地电流频谱图S接地电流EMI 2.3EMI传播通道特性描述中EMI问题的方法，对系统的等效噪声源以及它的耦合路径分开来研究，IGBT的电压、电流被看作是噪声源，传播通道被看作是一个线性网络。本文中，逆变器每个桥臂的电压被看作是噪声源，传播通道被等效为一个两端口网络，接地电流是输出响应。G（幼是二端口网络系统函数。它的各个分量和频率关。通过测试某一工况下的和/s波形数据并使用傅立叶变换就能够得到G（fi）。用相似的方法可以得到接地电流在其它工况的各个频率分量，再通过傅立叶反变换就可以得到它的时域波形。4拓扑结构变化对传播通道特性的影响随着开关元件的动作，三相逆变器主电路的拓

6、扑结构是变化的，当某一相桥臂的上管或下管开关动作时，因为另外两相桥臂开关管导通和截止，有着3种不同的拓扑结构：2个桥臂上管或者2个桥臂下管或者一个桥臂上管和另一个桥臂下管为导通状态。再考虑这一相桥臂是上管或者下管的开关动作，一共是6种不同的拓扑结构。以其中一相为例，通过测试与计算，得出一相桥臂上管动作时从一相开关动作引起的电压到接地电流心的传播通道系统函数的幅频特性如所示，下管动作时的传递函数与其相同。由图可见，这几个函数是基本一致的，这说明这种主电路拓扑结构的改变对本文中所研究的EMI传播通道特性的影响可以忽略不计。两上管通两下管通-，上下管各传播通道的幅频谱特性2.5多个噪声源共同作用的影

7、响误动作不仅取决于干扰脉冲的幅度，也取决于它的宽度。但通过频谱仪测试的干扰强度不能完全反映这些时域信息，这样往往掩盖了实际的干扰水平。在1台三相逆变器中，3个桥臂的输出电压可以看作是3个噪声源，根据三相逆变器的控制策略，IGBT按照一定的规律开通与关断，在它们的开关动作时激励接地电流的产生。在某些时候2个不同桥臂的开关动作在时间上会很接近，这时的接地电流就是2个桥臂开关共同作用的结果。虽然用频谱仪测得的频谱未见得有太大的差别，但是从时域上来看，产生的干扰电流峰值却可能显著变大，极端的情况是2个开关几乎同时动作，干扰的强度可以接近单桥臂动作的2倍，这时更容易出现电路的误动作等EMI问题。实际测试

8、的结果如所示，图中曲线1曲线3分别是逆变器3个桥臂输出电压，曲线4是电机侧接地电流。两个桥臂开关同时动作时，由于叠加，接地电流峰值变大，振荡时间变长，如（b）中接地电流的峰值几乎是（a）中峰值的2倍。（b）两个桥臂开关同时动作图中曲线1、2、3纵坐标电压为250V/格；曲线4纵坐标电流为2.0A/格；横坐标时间为5叫格两个噪声源作用下的接地电流3研究实例在电磁屏蔽室设置了一套5.5kW的驱动系统，输入端的三相LISN、逆变器和一台异步电动机都固定在一块5mm厚的铝板上，逆变器到电机之间是3条200cm长的连接电缆。通过对各个桥臂IGBT动作时的桥臂电压和接地电流的测试及利用式（1）计算，可以得

9、到三相传播通道的系统函数的幅频特性如所示，其特性类似于带通，因为三相电路（包括逆变器和感应电动机）是对称的，三个函数基本一致。三相传播通道的幅频谱特性在知道了接地电流EMI传播通道的特性后，可以很容易地预测不同工作电压电流条件下的接地电流大小。通过式（1）可以求出接地电流的各个频率分量，然后通过傅立叶反变换就可以得到它的时域波形。输入交流电压为460V负载电流为3A时的接地电流幅频特性如，时域波形如0所示，测量值和预测值吻合得很好。IGBT开通时的接地电流频谱4结论地电流可以通过接地网络的阻抗对外形成千扰。接地电流呈振荡尖脉冲形状，它的出现时刻与IGBT开关管电压跳变的时间对应，电压跳变越快，

10、接地电流峰值越高。就同一个IGBT而言，开通时Idv/dfl基本与负载电流无关，且比关断时Idv/drl要大得多，而且关断时电压跳变时间随负载电流的增加而减少。接地电流的最大幅值主要由IGBT的开通决三相PWM逆变器工作时，其主电路的拓扑结构是变化的，但是这种变化对本文中讨论的EMI传播通道的特性基本没有影响。描述各相传播通道的系统函数的幅频特性类似于带通，而且其取值基本一致。当两个桥臂的开关同时动作时，各桥臂对外干扰脉冲可能叠加，幅度可能接近单个桥臂开关动作时干扰脉冲的2倍。采用线性的系统函数方法描述三相逆变器主电路各开关元件到接地面之间耦合路径特性，实践表明这种方法是有效的，在分析和预测PWM