电机驱动系统的奥秘：如何在提高频率的同时抑制噪声（二)

电机驱动系统的“背景与方法概述”第一部分已经陈述完，本部分讨论下路径传导干扰抑制。

01 路径传导干扰抑制

路径传导干扰抑制主要包括为“EMI滤波”和“拓扑优化”。

02 EMI滤波

这是抑制传导干扰的常用方法。考虑到电路复杂性、功率电平和频率限制等因素，EMI滤波器可分为无源EMI滤波器（PEF）和有源EMI滤波器（AEF）。

PEF的基本结构和设计方法已得到广泛应用。PEF通常根据DM和CM所需的衰减、转折频率和最大阻抗失配原理进行设计。

03 无源滤波器

PEF的核心思想是通过阻抗失配原理阻断传播路径中的干扰电流。无源滤波一般使用电感元件来阻挡高频电流，使用电容元件来旁路高频电流。图显示了具有PEF的典型三相电机驱动系统的拓扑结构。图B显示了典型三相系统中传导噪声的频谱。

图A 带无源滤波器的电机驱动系统的三相系统结构

图B 典型三相系统中传导噪声的频谱图

相较于AEF，PEF因其结构简单、元件成本低、可靠性高等优点，在驱动系统中被广泛采用。

方法1：提出一种高度集成的RLC二阶PEF，有效抑制了高频CM扰动和DM扰动。这种二阶PEF的设计基于逆变器的CM和DM回路模型。

方法2：提出了一种基于神经网络的插入损耗拟合和滤波器元件参数提取方法；

方法3：研究了滤波器体积和漏电流对滤波器性能的影响，采用遗传算法找到了EMI滤波器元件参数的最优解。

当滤波要求得到满足后，可以通过优化设计进一步提高PEF的性能。优化设计的目标主要包括减小滤波器的体积或质量，消除杂散参数，抑制谐振，提高效率以及降低谐波失真率。

当前，PEF的研究主要聚焦在电磁干扰建模、电磁干扰仿真分析以及PEF的优化设计等方面。研究内容主要包括：基于宽带隙半导体器件的功率变换器EMI建模，寄生参数引发的高频滤波器性能衰减，解决EMI模型仿真中分析精度和速度的矛盾，以及减少PEF体积或重量等问题。

04 有源滤波器

AEF可以通过使用半导体器件和电子电路来实现对传导干扰的抑制。相较于PEF，AEF具有体积小、集成度高等优点。

根据不同的采样和补偿方法，AEF可以分为四种类型：

分别是电流采样电压补偿；

电流采样电流补偿；

电压采样电流补偿；

电压采样电压补偿。

其基本原理如图C所示。图中：zs是LISN网络的阻抗，zn是干扰源的内阻抗，in是干扰电流。根据控制方法，可以分为模拟控制型和数字控制型。根据被抑制的传导干扰类型，可以分为CM滤波器和DM滤波器。

图C AEF的结构

方法1：提出使用有源CM干扰消除器来抑制CM电压；

方法2：有源器件大多用于信号处理，不适用于高电压、大功率的电机驱动系统。有源器件的增加将增加设计成本。

方法3：在电机驱动系统的输入侧设计了一个AEF，使用一对互补的高频晶体管作为放大链路，以抑制直流侧的CM传导干扰电流。图D显示了提出的CM电流消除的AEF。然而，由于晶闸管的电压电阻和带宽的限制，AEF仅适用于低电压和低功率系统中传导扰动的抑制。

图D Takahashi提出的取消的AEF

AEF的低频性能较好，而PEF的高频性能较好。因此，通过级联两种类型的滤波器以形成混合EMI滤波器（HEF），可以将两者的优点结合起来，从而提高滤波器的整体性能。并且还可以通过增加PEF的截止频率来减小PEF的大小。AEF/HEF建模的难点在于提取电路的高频杂散参数和确定干扰源阻抗。

05 拓扑优化 （1）补偿和平衡扰动

图E 反相绕组升压电路

两组桥式逆变器组成一个双相电机的拓扑结构如图F所示。在传统的三相三臂逆变器电路中，由于调制策略，上下臂上任何时候导通的开关数量都不相等，导致电路运行不对称和共模干扰。

为了在源极完全消除这种不对称性，有必要改变电路的拓扑结构。该方案增加了相同的三相桥臂，但使用第二逆变器的CM电压来抵消原始CM电压。图G显示了六支路逆变器的结构。

与其他方案相比，该方案的制造成本有所增加，但与载波相移调制算法相结合，可以显著降低电机运行过程中的扰动和振动，同时提高容错运行能力。在发生缺相的情况下，电机可以继续稳定运行，这已成为近年来的研究热点。

图F 双三相永磁同步电动机的结构

图G 六桥臂逆变结构

如图H所示，三相四支路逆变器采用增加辅助支路的方法，使三相系统与地电位对称。这种拓扑结构的调制策略确保了在任何时候都有两个上管和两个下管打开。

在传统的三相三腿结构中，只需再增加一个电桥即可实现对称工作状态。转换器输出的CM电压可以通过对称结构消除。三相平衡电压可以在负载不平衡的情况下输出，具有良好的应用前景。

三相四桥臂逆变器主要包括SPWM和SVPWM控制策略。缺点是调制策略降低了系统的电压利用率。因此，需要对这两种方案进行改进，以抑制系统的CM电压。

一般来说，采用三相四支路方案的成本较低。该方案可以在没有CM变压器的情况下工作。控制方案采用软件实现，更加灵活方便。

图H 三相四桥臂功率转换器的方案

同时需要指出的是，上述提出的耦合路径扰动补偿与平衡方法主要解决传导扰动中的CM扰动。因此，对差模扰动采取这些措施很难达到理想的效果。

例如，升压电路中的上述CM消除技术不仅补偿和平衡了由开关器件和散热器之间的等效CM电容形成的干扰路径，而且消除了CM干扰的传播。此外，由于器件高频寄生参数的影响，这种方法通常只在中低频段对CM扰动有很好的抑制效果。

(2) 接地设计方案

第二种主电路优化方案的思想是从电路板的设计开始，这样在产品设计之初就可以减少传导干扰。下面讨论电路迹线对地杂散电容的几种设计方法。

方法1：参考比较了铝散热器和有机聚合物散热器的使用。实验结果表明，后者使直流变换器的CM扰动强度明显小于前者；

方法2：提出使用绝缘金属衬里进行直接散热。虽然功率密度有所提高，但传导扰动比传统散热器更严重；

方法3：比较了单个散热器接地和分布式散热器接地。实验结果表明，分布式散热器接地引起的CM和DM扰动略小于单散热器接地。

06 讨论

对于无源滤波技术来说，它的主要优点是可以确保在高低频段都能抑制干扰。它可靠性高，应用范围广。主要缺点是，当它用于高功率应用时，会带来体积和重量的显著增加。有源滤波技术的主要优点是可以有效地减小滤波器的尺寸和重量。AEF的低频性能良好，但其高频性能较差，可靠性低，通用性有限。

对于拓扑优化，它主要使用对称结构来补偿和平衡扰动的耦合路径。必须综合考虑设计成本和控制效率，才能获得最佳的经济效益。