電力電子裝置電磁兼容研究最新進(jìn)展

馬秀麗

（徐州機(jī)電工程學(xué)校，江蘇 徐州 221000）

0 引言

在電子電力行業(yè)中存在的電磁兼容問題極大地制約著其自身的發(fā)展，因此，需要對(duì)電磁兼容的問題進(jìn)行分析和研究，減少并且逐漸解決制約因素。

1 功率變流器的電磁干擾技術(shù)以及抑制技術(shù)

1.1 功率變流器的電磁干擾建模

EMC 中的EMI（電磁干擾）是指在執(zhí)行應(yīng)有功能的過程中產(chǎn)生不利于其他系統(tǒng)的電磁噪聲，EMI 建模是對(duì)電磁干擾所產(chǎn)生的影響的判斷，可以對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析并且設(shè)計(jì)。

1.2 輻射電磁干擾建模

由于電力電子裝置中電磁干擾的本身研究比較困難復(fù)雜，所以現(xiàn)在對(duì)于功率變流器建模的研究進(jìn)展比較少。在文獻(xiàn)［1］中提出了一種關(guān)于電源干擾的建模模型：首先建立一個(gè)開關(guān)電源模型。再通過電路仿真軟件PSpice 對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬，得到電路的干擾電流和電壓，再依據(jù)得到的干擾電流和干擾電壓計(jì)算出開關(guān)電源的干擾，再計(jì)算出電感器周圍的場的分布情況，依照計(jì)算得來的場的分布情況再對(duì)電路中的儀器位置進(jìn)行安排。對(duì)于功率變流器的EMI 建?，F(xiàn)在還存在很多缺陷，還沒有很好的解決掉電路元件的輻射。但是在實(shí)際情況中，電路元件的輻射影響要大于PCB 布線的輻射影響。

1.3 功率變流器的電磁干擾抑制技術(shù)

通過提出“系統(tǒng)共模平衡”的觀點(diǎn)，去發(fā)展“共模電磁干擾消除技術(shù)”，制作出干擾反向抵消的共模干擾變流器。并且用實(shí)驗(yàn)在電路中證明。在線路中通過加入一個(gè)補(bǔ)償電壓器繞組和一個(gè)電容器，對(duì)實(shí)驗(yàn)線路中原本存在的變流器共模干擾抵消。通過“系統(tǒng)共模平衡”的思想，在電路系統(tǒng)中分別構(gòu)造出兩個(gè)相位相反，電位變化相同的兩個(gè)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)來抑制共模干擾的發(fā)生。應(yīng)用人工建造系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)節(jié)點(diǎn)共模EMI 抑制技術(shù)在電路中構(gòu)建出穩(wěn)態(tài)節(jié)點(diǎn)，用來抑制電磁干擾的產(chǎn)生，將實(shí)驗(yàn)線路中的儲(chǔ)能電感放在電源負(fù)極與金屬氧化物半導(dǎo)體（MOSFET）的中間，這樣就可以有效的避免開關(guān)元件與散熱器之間的寄生電容對(duì)共模干擾的影響，這樣就可以極大的減少共模干擾。

2 電機(jī)傳動(dòng)器的電磁干擾建模及抑制技術(shù)

2.1 電機(jī)傳動(dòng)器的電磁干擾建模

對(duì)于電機(jī)傳動(dòng)器的研究方式和上述對(duì)于功率變流器有著異曲同工之處。對(duì)于電機(jī)傳動(dòng)器中的電磁干擾噪聲源和噪聲的傳播路徑進(jìn)行了建模分析，分析中指出電機(jī)傳動(dòng)器在傳動(dòng)的過程中產(chǎn)生電磁干擾噪聲的主要來源和路徑。其主要包括有：高功率和開關(guān)元件的使用，這些高速元件產(chǎn)生了極大的電磁干擾噪聲。其中，對(duì)于噪聲源進(jìn)行了主要的建模和分析，并且對(duì)其分類，主要有：頻域建模和時(shí)域建模。頻域建模主要是將開關(guān)元件變換時(shí)產(chǎn)生的電磁波波形將時(shí)域轉(zhuǎn)化為頻域，再進(jìn)過一系列的運(yùn)算，就可以得到電機(jī)傳動(dòng)器系統(tǒng)的電磁干擾噪聲頻譜分布圖。而時(shí)域建模主要是從系統(tǒng)中產(chǎn)生的電磁干擾噪聲的來源出發(fā)，這樣就可以很快的知曉電磁干擾噪聲的來源。兩種建模方法各自有著各自的優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)電機(jī)傳動(dòng)器系統(tǒng)中電磁干擾噪聲源分析時(shí)，合理使用這兩種建模方法對(duì)其分析和研究。在電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，電磁干擾的主要途徑有電機(jī)傳動(dòng)器的電機(jī)，電線，以及裝置之間的連接器和器件之間的電容，對(duì)于電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中電磁干擾的傳播途徑的分析可以使用測(cè)量法和軟件模擬仿真法進(jìn)行分析。這樣就能夠從源頭有效的減少電磁干擾的影響[2]。

2.2 電機(jī)傳動(dòng)器的電磁干擾抑制技術(shù)

電機(jī)傳感器在進(jìn)行使用的時(shí)候總會(huì)產(chǎn)生一些不同程度的電磁干擾，這種狀況的出現(xiàn)就會(huì)對(duì)傳感器的使用造成困擾，電磁干擾又分為兩種，共模干擾和差模干擾，是電機(jī)在使用過程中產(chǎn)生的兩種主要的干擾，電機(jī)傳感器主要是用于處理一些具有高電壓和高電流的事物，電流和磁場又是相互依存的，所以會(huì)在電流附近產(chǎn)生電磁干擾，本文中出現(xiàn)的EMI 問題主要就是共模干擾，共模干擾的解決辦法，包括以下幾點(diǎn)[3]。

（1）無源濾波技術(shù)。無源濾波技術(shù)是一種新式的方法，受到了很多專家學(xué)者的推崇，這是因?yàn)椴捎眠@種技術(shù)可以有效地削弱或者消除電動(dòng)傳感器上的電磁干擾，這樣就能保證電動(dòng)傳感器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在這個(gè)技術(shù)還沒出現(xiàn)之前，為了消除電磁干擾，一般都是采用EMI 濾波技術(shù)，實(shí)行這項(xiàng)技術(shù)的核心設(shè)備就是EMI濾波器，這個(gè)濾波器有兩個(gè)接線柱，可以雙向接通，用于處理高壓電。在電流輸入端，電壓和電流都是很大的，這樣就會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾，所以該濾波器的主要作用就是降低輸入端的電壓和電流，然后以一個(gè)低一點(diǎn)的恒壓再輸出來，這樣也能有效的降低電磁干擾，但是采取這種方法需要考慮的因素太多，比如說在進(jìn)行該項(xiàng)操作的時(shí)候還要先對(duì)EMI 濾波器的體積和重量進(jìn)行考慮，這樣就會(huì)不僅提高技術(shù)難度，而且實(shí)施過程就會(huì)變得更加復(fù)雜，會(huì)消耗更多的人力物力。無源濾波技術(shù)，可以有效地解決這些問題，這種技術(shù)不僅實(shí)施起來更加簡便，而且還綜合了EMI 濾波技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)用性和綜合性都要比EMI 濾波技術(shù)強(qiáng)的多，這種新式方法可以多多采用到現(xiàn)實(shí)施工中去[4]。

（2）有源濾波技術(shù)。相比無源濾波器來說，有源濾波器的體積要小得多，所以該濾波器受到的電磁干擾也要小得多，但是其消除濾波的效果并不差，且從主管角度來看，它和無源濾波器各具優(yōu)勢(shì)，效果都不錯(cuò)。有源濾波器的主要作用原理就是能將多個(gè)電容所檢測(cè)的逆變器輸出端共模電壓通過反向電壓VC 補(bǔ)償?shù)侥孀兤鬏敵鲭娎|中，然后就能達(dá)到消除共模電壓的目的。為了達(dá)到最好的效果，可以將無源濾波器和有源濾波器結(jié)合起來使用，取長補(bǔ)短，這樣才能達(dá)到最好的消除干擾的效果[5]。

3 濾波器的寄生效應(yīng)

寄生效應(yīng)對(duì)濾波器的作用效果有很大的影響，所以要重視對(duì)濾波器寄生效應(yīng)的研究[6]。濾波器的寄生效應(yīng)就是指繞組寄生電容與繞組電感以及電容器的引線電感與電容器之間的自諧振對(duì)濾波器性能所產(chǎn)生的影響，這是濾波器中，很常見的一種問題，采用合適的方法消除濾波器的寄生效應(yīng)可以提高濾波器的效率，達(dá)到更好的效果[7]。

3.1 EMI 濾波器寄生效應(yīng)建模

對(duì)于寄生參數(shù)的效應(yīng)的分析和預(yù)測(cè)EMI 濾波器的特征，通過測(cè)量的方法提出了一種模型，并且對(duì)其進(jìn)行分析。通過對(duì)于共模電感的測(cè)定與分析，提出共模電感的模型。并且用實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)其進(jìn)行研究解釋介紹怎么樣確定共模電感值，共模扼流圈的漏電感[8]。繞組之間的電容以及電阻。對(duì)于這些數(shù)據(jù)的研究都有利于對(duì)于改善和創(chuàng)新整個(gè)濾波器。在研究過程中進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于濾波器中幾種感性和容性耦合現(xiàn)象進(jìn)行的深入的研究。結(jié)果表明，有兩種組合方式之間對(duì)于提高濾波器的高頻性能有著很大的作用，分別為濾波電容器和走線環(huán)路間的感性耦合以及電感和地平面之間的耦合，在對(duì)于提高濾波器的高頻性能研究中，兩個(gè)電感之間的耦合也對(duì)其性能有著很大的影響。其中，采用了參數(shù)法對(duì)于EMI 濾波器參數(shù)進(jìn)行提取分析。提出了一些能夠有效提高濾波器高頻性能的有效方法[9]。

3.2 EMI 濾波器寄生參數(shù)的抵消技術(shù)

對(duì)于提高濾波器的高頻性能。減小濾波器由于電容器引起的電感影響，無疑是一個(gè)解決辦法。通過研究提出了對(duì)于解決濾波器電容支路所引起的電感抵消其產(chǎn)生的電感效應(yīng)的方法。在實(shí)驗(yàn)中通過消除濾波器中的電容器引線的電感效應(yīng)，從而減少濾波器的電磁干擾。根據(jù)電路網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)體系，將濾波器制造為X形，這樣就可以有效的抵消掉電容器的ESL 和ESR，從而提高濾波器的高頻性能。對(duì)于差模電感器EPC 的抵消技術(shù)，需要額外的對(duì)兩個(gè)繞組之間的電容進(jìn)行考慮，而共模電感器的EPC 抵消技術(shù)，也存在在不足之處，由于很難保證單獨(dú)的一個(gè)繞組內(nèi)部的半繞組之間的耦合系數(shù)接近1。如果其耦合磁系數(shù)不高，達(dá)不到1，那么它的EPC 抵消的作用就不會(huì)很高。而將一個(gè)線圈中的集成電容器消除另外的電容器產(chǎn)生的磁場耦合，這樣就可以有效的抵消電容器之間的電感[10]。

4 結(jié)論

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)電力電子裝置中電磁兼容的研究愈發(fā)重要，從其發(fā)展歷程來看，EMC的研究問題是一個(gè)綜合性問題，涉及了多方面的知識(shí)和理論，雖然說，現(xiàn)在電磁兼容的研究取得了一些進(jìn)步與成果，但是這一領(lǐng)域還有著很多的未知難題，需要我們進(jìn)一步對(duì)EMC 理論技術(shù)進(jìn)行不斷地完善和研究，也需要對(duì)其研究方式進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，以滿足時(shí)代的發(fā)展與需求。