電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的奧秘：如何在提高頻率的同時(shí)抑制噪聲（二)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的“背景與方法概述”第一部分已經(jīng)陳述完，本部分討論下路徑傳導(dǎo)干擾抑制。
01 路徑傳導(dǎo)干擾抑制
路徑傳導(dǎo)干擾抑制主要包括為“EMI濾波”和“拓?fù)鋬?yōu)化”。
02 EMI濾波
這是抑制傳導(dǎo)干擾的常用方法。考慮到電路復(fù)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(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法已得到廣泛應(yīng)用。PEF通常根據(jù)DM和CM所需的衰減、轉(zhuǎn)折頻率和最大阻抗失配原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖B顯示了典型三相系統(tǒng)中傳導(dǎo)噪聲的頻譜。
圖A 帶無源濾波器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的三相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖B 典型三相系統(tǒng)中傳導(dǎo)噪聲的頻譜圖
相較于AEF，PEF因其結(jié)構(gòu)簡單、元件成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(dòng)和DM擾動(dòng)。這種二階PEF的設(shè)計(jì)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)的插入損耗擬合和濾波器元件參數(shù)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(shù)的最優(yōu)解。
當(dāng)濾波要求得到滿足后，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高PEF的性能。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要包括減小濾波器的體積或質(zhì)量，消除雜散參數(shù)，抑制諧振，提高效率以及降低諧波失真率。
當(dāng)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(yōu)化設(shè)計(jì)等方面。研究內(nèi)容主要包括：基于寬帶隙半導(dǎo)體器件的功率變換器EMI建模，寄生參數(shù)引發(fā)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(dǎo)體器件和電子電路來實(shí)現(xiàn)對傳導(dǎo)干擾的抑制。相較于PEF，AEF具有體積小、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)不同的采樣和補(bǔ)償方法，AEF可以分為四種類型：
分別是電流采樣電壓補(bǔ)償；
電流采樣電流補(bǔ)償；
電壓采樣電流補(bǔ)償；
電壓采樣電壓補(bǔ)償。
其基本原理如圖C所示。圖中：zs是LISN網(wǎng)絡(luò)的阻抗，zn是干擾源的內(nèi)阻抗，in是干擾電流。根據(jù)控制方法，可以分為模擬控制型和數(shù)字控制型。根據(jù)被抑制的傳導(dǎo)干擾類型，可以分為CM濾波器和DM濾波器。
圖C AEF的結(jié)構(gòu)
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(hào)處理，不適用于高電壓、大功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。有源器件的增加將增加設(shè)計(jì)成本。
方法3：在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入側(cè)設(shè)計(jì)了一個(gè)AEF，使用一對互補(bǔ)的高頻晶體管作為放大鏈路，以抑制直流側(cè)的CM傳導(dǎo)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(tǒng)中傳導(dǎo)擾動(dòng)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(lián)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(yōu)點(diǎn)結(jié)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(diǎn)在于提取電路的高頻雜散參數(shù)和確定干擾源阻抗。
05 拓?fù)鋬?yōu)化 （1）補(bǔ)償和平衡擾動(dòng)
圖E 反相繞組升壓電路
兩組橋式逆變器組成一個(gè)雙相電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖F所示。在傳統(tǒng)的三相三臂逆變器電路中，由于調(diào)制策略，上下臂上任何時(shí)候?qū)ǖ拈_關(guān)數(shù)量都不相等，導(dǎo)致電路運(yùn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。
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(diào)制算法相結(jié)合，可以顯著降低電機(jī)運(yùn)行過程中的擾動(dòng)和振動(dòng)，同時(shí)提高容錯(cuò)運(yùn)行能力。在發(fā)生缺相的情況下，電機(jī)可以繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，這已成為近年來的研究熱點(diǎn)。
圖F 雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)
圖G 六橋臂逆變結(jié)構(gòu)
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(tǒng)與地電位對稱。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)制策略確保了在任何時(shí)候都有兩個(gè)上管和兩個(gè)下管打開。
在傳統(tǒng)的三相三腿結(jié)構(gòu)中，只需再增加一個(gè)電橋即可實(shí)現(xiàn)對稱工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)換器輸出的CM電壓可以通過對稱結(jié)構(gòu)消除。三相平衡電壓可以在負(fù)載不平衡的情況下輸出，具有良好的應(yīng)用前景。
三相四橋臂逆變器主要包括SPWM和SVPWM控制策略。缺點(diǎn)是調(diào)制策略降低了系統(tǒng)的電壓利用率。因此，需要對這兩種方案進(jìn)行改進(jìn)，以抑制系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)，更加靈活方便。
圖H 三相四橋臂功率轉(zhuǎn)換器的方案
同時(shí)需要指出的是，上述提出的耦合路徑擾動(dòng)補(bǔ)償與平衡方法主要解決傳導(dǎo)擾動(dòng)中的CM擾動(dòng)。因此，對差模擾動(dòng)采取這些措施很難達(dá)到理想的效果。
例如，升壓電路中的上述CM消除技術(shù)不僅補(bǔ)償和平衡了由開關(guān)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(shù)的影響，這種方法通常只在中低頻段對CM擾動(dòng)有很好的抑制效果。
(2) 接地設(shè)計(jì)方案
第二種主電路優(yōu)化方案的思想是從電路板的設(shè)計(jì)開始，這樣在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就可以減少傳導(dǎo)干擾。下面討論電路跡線對地雜散電容的幾種設(shè)計(jì)方法。
方法1：參考比較了鋁散熱器和有機(jī)聚合物散熱器的使用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，后者使直流變換器的CM擾動(dòng)強(qiáng)度明顯小于前者；
方法2：提出使用絕緣金屬襯里進(jìn)行直接散熱。雖然功率密度有所提高，但傳導(dǎo)擾動(dòng)比傳統(tǒng)散熱器更嚴(yán)重；
方法3：比較了單個(gè)散熱器接地和分布式散熱器接地。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分布式散熱器接地引起的CM和DM擾動(dòng)略小于單散熱器接地。
06 討論
對于無源濾波技術(shù)來說，它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以確保在高低頻段都能抑制干擾。它可靠性高，應(yīng)用范圍廣。主要缺點(diǎn)是，當(dāng)它用于高功率應(yīng)用時(shí)，會(huì)帶來體積和重量的顯著增加。有源濾波技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)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?fù)鋬?yōu)化，它主要使用對稱結(jié)構(gòu)來補(bǔ)償和平衡擾動(dòng)的耦合路徑。必須綜合考慮設(shè)計(jì)成本和控制效率，才能獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。
