PWM_电机驱动系统传导干扰机理分析.doc

pwm 电机驱动系统传导干扰机理分析1引言由于pwm技术应用于电机驱动系统中，功率变换器采用mosfet、igbt、可关断晶闸管等开关器件。为了得到更好的电机系统控制性能指标，开关器件的工作频率就越来越高，在开关和关断的瞬间产生很大的电压和电流变化率，这就是强电磁干扰（emi）产生的原因，远远超出了现在电磁兼容标准规定的允许值。产生的电磁干扰主要是以传导的形式进行传播的，机理分析是数学模型建立的基础，因此机理分析对于pwm电机驱动系统传导干扰的研究具有重要意义。国内外有很多文献在这方面做了一定的研究，文献1针对igbt的高du/dt给电力电子装 置带来的严重共模电磁干扰问题,深入分析了buck电路的共模干扰。文献2以电路理论为基 础，建立了单端正激式变换器中，由功率mosfet的漏极与接地散热器之间寄生电容所形成 的输入端共模干扰分析模型。这里就不一一介绍了，本文的机理分析将电机驱动系统作为一个整体来研究，这在文献中很少发现。2传导干扰机理分析下面分三个部分来分析，首先介绍所研究的实际系统的主电路，然后分析共模传导干扰 的机理，最后分析差模干扰的机理。2.1 pwm 驱动电机系统主电路要研究的系统主电路原理图如图1 所示，现简单说明其工作原理。三相交流电压经三相不可控整流桥整流产生直流电压ud，经电容c 滤波后仍有微小的脉动，一般可近似认为其值不变。实际上ud 上具有高频成分，由此产生了二极管上压降的波动。而二极管与散热片之间具有高频寄生电容，形成了共模电流流通的回路。后续章节会对其机理详细分析。直流电压经逆变器逆变后形成等效正弦波驱动感应电动机，逆变器采用正弦波脉宽调制（spwm）技术。逆变器期望输出的波形为正弦波，以期望的正弦波作为调 制波，以频率比调制波高得多的等腰三角波作为载波，当载波和调制波相交时，它们的交点作为逆变器开关器件通断的时刻，得到在调制波半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不 等宽的矩形波。按照波形面积等效的原则，每一个矩形波的面积与对应位置的正弦波面积相等，因此这个序列的矩形波与期望波等效。这种调制方法称为正弦波脉宽调制（sinusoidal pulse width modulation,简称spwm）3。这种序列的矩形波称为spwm 波。三相桥式pwm 逆变器输出波形如图2 所示。2.2 共模干扰分析为了能清晰的分析和理解共模干扰传播路径和干扰形成的过程，有必要对主电路进行 简化。但简化要遵守以下原则：（1）不能因为简化而改变实际的干扰传播路径；（2）简化后 的主电路不会产生新的干扰源和耦合路径；（3）正确反映实际的干扰情况。其中cp 是igbt 开关管t1 的发射极和t4 的集电极与地的寄生电容。cg1、cg2、cg3、 cgp 是电机绕组与定子机壳的寄生电容。根据开关管t1 和t4 导通和关断的不同，共模传播路径也有所不同。因此分为四个过程 来分析，分别是：t1 从关断到开通、t1 从开通到关断、t4 从关断到开通、t4 从开通到关断。 按照理想模型t1 开通和t4 关断是同时的，但在实际中为了防止上下桥臂发生直通，需要一个死区时间，在死区时间内上下桥臂都不导通，工作电流靠续流二极管续流。这四个过程的 共模电流的产生与正常工作电流有很大关系，因为工作电流的不同导致u 处电压的不同，u 处电压的变化导致共模电流的产生。现将四个过程中不同条件下u 处电压变化值列于下表。 规定工作电流即电机的u 相电流流向电机为正由二极管dt4 续流，相反为负由二极管dt1 续流。（1）、t1 从关断到开通图4 是t1 从关断到开通的瞬间共模电流所经过的路径。d1 和d3 正向偏置，整流桥导 通，在开关t1 开通的瞬间，va=vu=0。u 点的电位被瞬间下拉到0 电位。共模干扰电流分 别经过r1、c1、d1、t1、cp、cg1、cg2、cg3、cgp 和r2、c2、d3、c4、c3、t1、cp、cg1、 cg2、cg3、cgp 对寄生电容cp、cg1、cg2、cg3、cgp 进行充电构成回路。u 点的电位逐渐上升到ud/2。t1 开通的瞬间也可能是d2、d4 正向偏置，但是经过r1、c1、r2、c2 的路线是不变的，所以不影响检测到的共模电压频谱。（2）、t1 从开通到关断正常工作时t1 从开通到关断时，由于电机绕组电感的存在，需要续流通道，因此此时反向二极管dt1 和dt4 必有一个正向偏置。当二极管dt1 正向偏置时u 处的电压不发生变 化没有共模电流产生，当二极管dt4 正向偏置时u 处的电压突变到-ud/2，此时会有寄生电容放电电流的产生。所以只分析dt4 正向偏置的情况。共模电流经过的路径图见图5 所示。开关管t1 关断的瞬间，流经t1 的电流突降到0，流向电机电缆中的电流不能断续，因此二极管dt4 正向偏置进行续流。vb=vu=-ud/2，u 处的电压瞬间下拉到b 处的电压值（忽 略二极管管压降）。寄生电容cp、cg1、cg2、cg3、cgp 的放电电流分别流经r1、c1、d1、c3、 c4、dt4、cp、cg1、cg2、cg3、cgp 和r2、c2、d3、dt4、cp、cg1、cg2、cg3、cgp 构成回路。（3）、t4 从关断到开通这个过程与第二个过程的结果关系很大，就是与前一个过程的续流电流的方向有关。 如果是由二极管dt4 续的流，当t4 开通的瞬间u 处的电压没有发生变化，因此没有共模电 流的产生。如果是由二极管dt1 续的流，当t4 开通的瞬间，vb=vu=-ud/2，u 处的电压被 下来到-ud/2，寄生电容进行放电，产生的共模电流路径与图5 相似，不同之处是不流过dt4 而是流过开关管t4。（4）、t4 从开通到关断t4 关断后，如果工作电流为正，则u 处的电压不发生跳变，没有共模电流的产生。 如果关断后工作电流为负，u 处的电压由-ud/2 跳变为+ud/2，共模电流经过r1、c1、d1、 dt1、cp、cg1、cg2、cg3、cgp 和r2、c2、d3、c4、c3、dt1、cp、cg1、cg2、cg3、cgp 对寄生电容cp、cg1、cg2、cg3、cgp 进行充电。如图4 所示，不同之处在于不经过开关管t1 而 经过反向二极管dt1。2.3 差模干扰分析由于正常工作的电流就是差模，所以首先要分清楚正常工作的电流和差模干扰电流。 由于电机电感的存在，每相电流是连续的，因此差模干扰电流不流经电机而流经逆变器上下桥臂的开关管或续流二极管。电路简化的原则仍然遵循共模干扰主电路简化的原则。由于六 个开关管不可能有两个管同时动作，而且它们在开关动作时产生的差模干扰的波形是相同的，对于lisn 上测量的频谱的作用是相同的。因此只分析一个桥臂的工作情况就足够了。本文分析了t1 和t4 工作时产生的差模路径。以后章节将基于本节分析的差模路径进行建模。简化差模干扰主动路图见图6 所示。从图2 中不难看出，根据工作电流的不同和上下开关的通断，可以分为四种情况来分析。分别为：情况1：工作电流为+，下关上通，t4 关t1 通情况2：工作电流为+，上关下通，t1 关t4 通情况3：工作电流为-，下关上通，t4 关t1 通情况4：工作电流为-，上关下通，t1 关t4 通每种情况又分为两个过程，因为上下桥臂为了防止直通不能同时动作，有一段死区时 间。死区时间正好就是干扰产生的时间。对于情况1 和情况2 而言，工作电流都为正，t4 的通断的差模干扰路径是相同的。同样的t1 的通断的路径也是一样的。情况3 和情况4 类 似。因此只分析情况1 和情况3。（1）、工作电流为正t4 由通到关t4 没有关断之前工作电流为正，关断之后由dt4 续流。在t4 关断的过程中，流过t4 的工作电流逐渐减少，而流过dt4 的工作电流逐渐增大。显然差模电流在t4 和dt4 组成的 回路里循环，直到t4 完全关断为止。路径见图7 所示。（2）、工作电流为正t1 由关到通t1 没有开通之前，工作电流由dt4 来续流，开通之后工作电流流过t1。因此在t1 开通 的过程中，流过t1 的电流逐渐增大而流过dt4 的电流逐渐减小。显然差模干扰电流的流向 与正常工作的电流是相反的。其实对于开关管而言，差模干扰电流是必须的，没有差模干扰电流的存在就实现不了工作电流路径的转换。但对于其它环节差模干扰电流可能是有害的，所以为了不干扰其他环节的正常工作，可以为差模干扰电流提供专门的通道而不经过其他环 节。下图是差模干扰电流的流经路径。由图8 可知，差模干扰电流有两个路径，一个是t1、dt4、c4、c3、t1，另一个是t1、 dt4、d3、c2、r2、r1、c1、d1、t1。第一条路径并不经过lisn，只有第二条路径才会经 过。这两条路径的阻抗随频率的不同而不同，因此一些频率信号可能不会经过lisn 这一路。 所以lisn 测出的差模电压频谱图并不完全。（3）、工作电流为负t4 由通到关在t4 没打开之前，工作电流由t4 流回负端。在t4 打开以后，工作电流流经dt1。因 此在t4 关断的过程中，经过t4 的电流逐渐减少而流经dt1 的电流逐渐增大。减少的量和增 加的量相等。其路径图见图9 所示。此时差模干扰电流有两个路径，一个是t4、dt1、c3、c4、t4，另一个是t4、dt1、 d1、c1、r1、r2、c2、d3、t4。第一条路径同样不经过lisn，只有第二条路径才会经过。（4）、工作电流为负t1 由关到通t1 没导通之前由于工作电流为负流经dt1，t1 导通之后工作电流流经t1。因此这种情况之 下差模干扰电流在t1 和dt1 组成的回路中流通。类似于图7。3仿真分析为了验证分析的可靠性，遵循分析问题的一般规律，先后采用了三种方法进行数学模型 的建立。分别为：时域模拟实际电路法、时域简化电路法和频域法。时域模拟实际电路法就是完全模仿实际系统的正常工作，每个环节遵照实际情况进行建模，干扰源和干扰通道暗含 于正常工作电路中。时域简化电路法从实际电路中抽取出干扰源和干扰通道。频域法直接给出干扰源和干扰通道的频域表达式，求出传递函数，进而得出干扰的频域表达式。此处给出 了共模干扰和差模干扰三种数学模型的仿真结果。如图10-15 所示。图1