電機驅動系統的奧秘：如何在提高頻率的同時抑制噪聲（二)
電機驅動系統的“背景與方法概述”第一部分已經陳述完，本部分討論下路徑傳導干擾抑制。
01 路徑傳導干擾抑制
路徑傳導干擾抑制主要包括為“EMI濾波”和“拓撲優化”。
02 EMI濾波
這是抑制傳導干擾的常用方法。考慮到電路復雜性、功率電平和頻率限制等因素，EMI濾波器可分為無源EMI濾波器（PEF）和有源EMI濾波器（AEF）。
PEF的基本結構和設計方法已得到廣泛應用。PEF通常根據DM和CM所需的衰減、轉折頻率和最大阻抗失配原理進行設計。
03 無源濾波器
PEF的核心思想是通過阻抗失配原理阻斷傳播路徑中的干擾電流。無源濾波一般使用電感元件來阻擋高頻電流，使用電容元件來旁路高頻電流。圖顯示了具有PEF的典型三相電機驅動系統的拓撲結構。圖B顯示了典型三相系統中傳導噪聲的頻譜。
圖A 帶無源濾波器的電機驅動系統的三相系統結構
圖B 典型三相系統中傳導噪聲的頻譜圖
相較于AEF，PEF因其結構簡單、元件成本低、可靠性高等優點，在驅動系統中被廣泛采用。
方法1：提出一種高度集成的RLC二階PEF，有效抑制了高頻CM擾動和DM擾動。這種二階PEF的設計基于逆變器的CM和DM回路模型。
方法2：提出了一種基于神經網絡的插入損耗擬合和濾波器元件參數提取方法；
方法3：研究了濾波器體積和漏電流對濾波器性能的影響，采用遺傳算法找到了EMI濾波器元件參數的最優解。
當濾波要求得到滿足后，可以通過優化設計進一步提高PEF的性能。優化設計的目標主要包括減小濾波器的體積或質量，消除雜散參數，抑制諧振，提高效率以及降低諧波失真率。
當前，PEF的研究主要聚焦在電磁干擾建模、電磁干擾仿真分析以及PEF的優化設計等方面。研究內容主要包括：基于寬帶隙半導體器件的功率變換器EMI建模，寄生參數引發的高頻濾波器性能衰減，解決EMI模型仿真中分析精度和速度的矛盾，以及減少PEF體積或重量等問題。
04 有源濾波器
AEF可以通過使用半導體器件和電子電路來實現對傳導干擾的抑制。相較于PEF，AEF具有體積小、集成度高等優點。
根據不同的采樣和補償方法，AEF可以分為四種類型：
分別是電流采樣電壓補償；
電流采樣電流補償；
電壓采樣電流補償；
電壓采樣電壓補償。
其基本原理如圖C所示。圖中：zs是LISN網絡的阻抗，zn是干擾源的內阻抗，in是干擾電流。根據控制方法，可以分為模擬控制型和數字控制型。根據被抑制的傳導干擾類型，可以分為CM濾波器和DM濾波器。
圖C AEF的結構
方法1：提出使用有源CM干擾消除器來抑制CM電壓；
方法2：有源器件大多用于信號處理，不適用于高電壓、大功率的電機驅動系統。有源器件的增加將增加設計成本。
方法3：在電機驅動系統的輸入側設計了一個AEF，使用一對互補的高頻晶體管作為放大鏈路，以抑制直流側的CM傳導干擾電流。圖D顯示了提出的CM電流消除的AEF。然而，由于晶閘管的電壓電阻和帶寬的限制，AEF僅適用于低電壓和低功率系統中傳導擾動的抑制。
圖D Takahashi提出的取消的AEF
AEF的低頻性能較好，而PEF的高頻性能較好。因此，通過級聯兩種類型的濾波器以形成混合EMI濾波器（HEF），可以將兩者的優點結合起來，從而提高濾波器的整體性能。并且還可以通過增加PEF的截止頻率來減小PEF的大小。AEF/HEF建模的難點在于提取電路的高頻雜散參數和確定干擾源阻抗。
05 拓撲優化 （1）補償和平衡擾動
圖E 反相繞組升壓電路
兩組橋式逆變器組成一個雙相電機的拓撲結構如圖F所示。在傳統的三相三臂逆變器電路中，由于調制策略，上下臂上任何時候導通的開關數量都不相等，導致電路運行不對稱和共模干擾。
為了在源極完全消除這種不對稱性，有必要改變電路的拓撲結構。該方案增加了相同的三相橋臂，但使用第二逆變器的CM電壓來抵消原始CM電壓。圖G顯示了六支路逆變器的結構。
與其他方案相比，該方案的制造成本有所增加，但與載波相移調制算法相結合，可以顯著降低電機運行過程中的擾動和振動，同時提高容錯運行能力。在發生缺相的情況下，電機可以繼續穩定運行，這已成為近年來的研究熱點。
圖F 雙三相永磁同步電動機的結構
圖G 六橋臂逆變結構
如圖H所示，三相四支路逆變器采用增加輔助支路的方法，使三相系統與地電位對稱。這種拓撲結構的調制策略確保了在任何時候都有兩個上管和兩個下管打開。
在傳統的三相三腿結構中，只需再增加一個電橋即可實現對稱工作狀態。轉換器輸出的CM電壓可以通過對稱結構消除。三相平衡電壓可以在負載不平衡的情況下輸出，具有良好的應用前景。
三相四橋臂逆變器主要包括SPWM和SVPWM控制策略。缺點是調制策略降低了系統的電壓利用率。因此，需要對這兩種方案進行改進，以抑制系統的CM電壓。
一般來說，采用三相四支路方案的成本較低。該方案可以在沒有CM變壓器的情況下工作。控制方案采用軟件實現，更加靈活方便。
圖H 三相四橋臂功率轉換器的方案
同時需要指出的是，上述提出的耦合路徑擾動補償與平衡方法主要解決傳導擾動中的CM擾動。因此，對差模擾動采取這些措施很難達到理想的效果。
例如，升壓電路中的上述CM消除技術不僅補償和平衡了由開關器件和散熱器之間的等效CM電容形成的干擾路徑，而且消除了CM干擾的傳播。此外，由于器件高頻寄生參數的影響，這種方法通常只在中低頻段對CM擾動有很好的抑制效果。
(2) 接地設計方案
第二種主電路優化方案的思想是從電路板的設計開始，這樣在產品設計之初就可以減少傳導干擾。下面討論電路跡線對地雜散電容的幾種設計方法。
方法1：參考比較了鋁散熱器和有機聚合物散熱器的使用。實驗結果表明，后者使直流變換器的CM擾動強度明顯小于前者；
方法2：提出使用絕緣金屬襯里進行直接散熱。雖然功率密度有所提高，但傳導擾動比傳統散熱器更嚴重；
方法3：比較了單個散熱器接地和分布式散熱器接地。實驗結果表明，分布式散熱器接地引起的CM和DM擾動略小于單散熱器接地。
06 討論
對于無源濾波技術來說，它的主要優點是可以確保在高低頻段都能抑制干擾。它可靠性高，應用范圍廣。主要缺點是，當它用于高功率應用時，會帶來體積和重量的顯著增加。有源濾波技術的主要優點是可以有效地減小濾波器的尺寸和重量。AEF的低頻性能良好，但其高頻性能較差，可靠性低，通用性有限。
對于拓撲優化，它主要使用對稱結構來補償和平衡擾動的耦合路徑。必須綜合考慮設計成本和控制效率，才能獲得最佳的經濟效益。
