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（一）
01 背景
在電子世界的邊界上，電力電子技術(shù)正在展現(xiàn)出它的強(qiáng)大力量。想象一下，我們正在提升開(kāi)關(guān)頻率，讓驅(qū)動(dòng)器變得更小，但這個(gè)革新的步伐帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)--高電流（di/dt）梯度和高電壓（dV/dt）梯度引發(fā)高差模（DM）噪聲和共模（CM）噪聲。這種噪聲不僅可能損害設(shè)備本身的性能，還可能對(duì)周邊設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響。
本文中揭秘了如何通過(guò)兩大策略：降低路徑干擾和降低噪聲源，來(lái)抑制這種傳導(dǎo)干擾噪聲。本文分析了各種抑制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用前景，并提供了在實(shí)際應(yīng)用中使用這些技術(shù)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵原則。
無(wú)論你是工程師、設(shè)計(jì)師還是設(shè)備使用者，如果你想要透徹理解如何有效抑制傳導(dǎo)干擾噪聲，這篇文章都將為你提供寶貴的視角和實(shí)用的建議。讓我們一起揭開(kāi)電力電子技術(shù)的神秘面紗，探索驅(qū)動(dòng)器微型化和噪聲控制的新領(lǐng)域，為下一代電力電子設(shè)備鋪平創(chuàng)新之路。
02 輻射超標(biāo)
在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，半導(dǎo)體器件和空間矢量脈沖寬度調(diào)制(SVPWM)技術(shù)的應(yīng)用無(wú)疑大大改善了電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，為我們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了前所未有的便利。然而，這些技術(shù)的引入也帶來(lái)了電磁干擾(EMI)問(wèn)題。
通過(guò)設(shè)備端口，傳導(dǎo)擾動(dòng)可能滲透至系統(tǒng)中的相鄰設(shè)備。因此，對(duì)于高頻電力電子變換器來(lái)說(shuō)，對(duì)電磁干擾（EMI）的抑制和實(shí)現(xiàn)電磁兼容性（EMC）是必不可少的。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中每個(gè)子部件都有寄生電感和寄生電容。這些寄生因素在脈沖電流和脈沖電壓的影響下，會(huì)產(chǎn)生尖峰，進(jìn)而導(dǎo)致高頻振蕩。
例如，在常見(jiàn)的IGBT中，如果開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為16kHz，電路中的寄生電感為20nH，就可能產(chǎn)生高達(dá)40V的干擾電壓，從而使電路產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾（EMI）。這樣的傳導(dǎo)噪聲會(huì)通過(guò)電機(jī)中的各種耦合電容和雜散電感沿線路傳播，對(duì)設(shè)備本身以及周圍的其他設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，威脅系統(tǒng)的可靠性。因此，為了確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，采取措施抑制電力電子設(shè)備傳導(dǎo)干擾的產(chǎn)生和傳播顯得至關(guān)重要。
本文研究了路徑噪聲抑制方法和干擾源抑制方法，EMC三要素如圖所示。
03 抑制方法概述
3.1 EMI濾波器
在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，有效應(yīng)對(duì)傳導(dǎo)干擾的策略是在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中加入EMI濾波器來(lái)抑制傳導(dǎo)路徑的干擾。
（1）EMI濾波器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
噪聲源阻抗和負(fù)載阻抗值的精確獲取；
（2）EMI濾波器設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)
阻抗的精確獲取后，EMI濾波器可在通帶和截止頻率下，滿足插入損耗的設(shè)計(jì)要求，且效果明顯；
（3）EMI濾波器設(shè)計(jì)特點(diǎn)
主要從系統(tǒng)二端口電路出發(fā)，關(guān)注系統(tǒng)外部特性，而非內(nèi)部干擾機(jī)理。
3.2 電路的拓?fù)鋬?yōu)化
抑制傳導(dǎo)干擾的另一種策略是優(yōu)化主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種方法旨在吸收和補(bǔ)償高頻噪聲分量，或通過(guò)平衡噪聲耦合路徑的阻抗以減少非理想的電壓/電流尖峰，從而阻止傳出端口。
（1）行業(yè)采用的方法：
采用共模（CM）消除方法；
使用三相四橋臂結(jié)構(gòu)；
采用雙相永磁同步電機(jī)（PMSM）結(jié)構(gòu)。
（2）其他方面：
優(yōu)化有源器件、改良PCB散熱器接地方式；
磁性元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3.3 調(diào)制策略優(yōu)化
在主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持不變的前提下，我們可以通過(guò)調(diào)整調(diào)制策略來(lái)抑制源頭的傳導(dǎo)干擾，這是一種在源頭進(jìn)行干擾抑制的方法。
（1）擴(kuò)頻方法
最初的目標(biāo)是讓開(kāi)關(guān)頻率的諧波能量在較寬的頻率范圍內(nèi)平均分布，以此降低干擾的峰值，進(jìn)而降低電磁干擾（EMI）頻譜的峰值水平。
行業(yè)采用的方法有：
隨機(jī)脈寬調(diào)制（PWM）擴(kuò)頻方法；
周期性的脈寬調(diào)制（PWM）擴(kuò)頻方法。
（2）諧波消除法
諧波消除法的調(diào)制策略則是從源頭上消除高頻諧波干擾。
行業(yè)采用的方法有：
選擇性諧波消除脈寬調(diào)制（SHEPWM）方法；
電流諧波最小化脈寬調(diào)制（CHMPWM）方法。
3.4 開(kāi)關(guān)過(guò)程優(yōu)化
另一種抑制干擾源噪聲的方法是優(yōu)化開(kāi)關(guān)過(guò)程，如有源柵極驅(qū)動(dòng)和軟開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換法。
（1）有源柵極驅(qū)動(dòng)
有源柵極驅(qū)動(dòng)通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)波形的精細(xì)控制來(lái)改善電壓和電流的瞬態(tài)特性。
（2）軟開(kāi)關(guān)過(guò)程方法
軟開(kāi)關(guān)過(guò)程方法通過(guò)一種特殊的控制策略，可以有效地避免瞬態(tài)開(kāi)關(guān)電壓和電流的重疊。
