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功率变换器共模传导电磁干扰分析

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王晨++辛绍杰+宁尚贤

摘要：随着高效、可靠的功率变换器的广泛使用及开关频率的不断提高，变换器内部的电磁环境越来越复杂，出现的电磁干扰（EMI）问题也越来越多。其中，共模电流干扰危害最大。主要分析了共模电磁干扰问题与解决措施，并以典型的单相逆变器为例，通过类比Buck变换电路，在Saber中建立了简单的等效EMI仿真模型。在抑制共模干扰过程中增设旁路稳压电路能有效抑制共模电压，并通过实验仿真认证了LC滤波器的工作有效性和高频寄生参数对滤波性能的影响。

关键词：功率变换器；共模电磁干扰；滤波器；仿真模型

：TM461：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.009

电力电子装置是通过功率变换器的开、关控制电能的转换。然而其开关器件在开关过程中会产生非常高的电流、电压变化率，它们通过电路的寄生电感与寄生电容产生强烈的瞬态噪声。电源变换器的传导电磁干扰常分为差模和共模干扰，其中，共模电流对设备的影响较大。共模电流通常由开关管两端变换的电压经散热器、外壳等一些与地之间的寄生电容回路产生。目前，电磁兼容在国际上受到了普遍关注，比如国际电工委员会（IEC）、欧洲电工标准化技术委员会（CENELEC）、美国联邦通信委员会（FCC）等从事电磁兼容标准化工作的机构。为了提高设备的电磁兼容性，必须要有效分析复杂传导电路，建立简单的实验模型，并根据实验结果选取适当的保护设备和抑制干扰的措施。

1单相逆变器高频等效电路

分析单相逆变器的工作状态，发现其产生的共模电流电路与Buck变换器主电路的共模电路类似，因此，可以通过分析Buck变换器主电路的共模电路研究PWM逆变器的EMI。图1所示为单相逆变器的主电路图。

当开关管高频工作时，桥臂中点电位对参考地产生很大的，

经过寄生电容流进直流侧，从而形成共模电流。我们以左半桥臂为例，分析其在开关管T1断开期间的内部电流流通情况。初始负载电流如I1方向位图所示，且负载为感性。当T1断开时，由于负载电流不能突变，因此I1流向不变，经过D2续流。当T2导通后，由于负载电流的方向不变，负载电流I1仍旧流过D2，开关管T2其实没有导通工作，等到T1再次导通，回到初始状态。由此可见，单相逆变器的工作原理与Buck变换器主电路的开关管T和续流管D相同。图2所示为半桥臂工作等效图，图右半部分为左半桥臂电路图。可以用类似的方法分析右半桥臂。

2Buck变换器主电路共模分析建模

图3所示为Buck变换器主电路共模分析电路，其开关管T断开引发P点电位抬升，从而产生共模电流。共模电流经过寄生电容Cp，再经过散热器到达参考地，然后流过阻抗稳定网络LISN的50Ω电阻和0.25μF电容，此后分成两路电流，即如图3虚线所示的I1和I2。I1经过直流母线正极连接线接到开关T的集电极，而I2流经直流母线负极，通过电解电容再流回开关T的集电极。在高频下，电解电容也有一定的等效串联电阻Re和电感Le，Re一般为0.1Ω左右，Le一般为nH级别，远远小于共模回路

中导线的寄生电感uH级别的Lp，因此有I1=I2。

建立简单的Buck变换器主电路共模等效模型，用电压源V代替开关管T，直流电源Vdc短路，Cp为P点对参考地的寄生电容，Lcm为散热器与参考地连接线的等效电感，Lcba代表LISN到直流电容的等效电感，Rin为LISN到直流电容的等效电阻，Cn代表电解电容后，直流母线正负极对参考地的等效寄生电容。最后得出的等效模型电路图如图4所示。

由于Cp和Cn为pF级，因此可以忽略串联的0.5μF电容。

根据电路方程，估算R约为25Ω，L为

4uH，C约为1500pF，则，因此为欠阻尼情况。

.（4）

式（4）中：ω0为谐振角频率，；δ为衰减系数，；

Z0为特征阻抗，。

最终可以在Saber中建立仿真电路模型，如图5所示。根据所设参数L=4uH，R=4Ω，C=2nF，得出共模电流波形。

在对共模电流进行快速傅里叶变换取样点为4096时，采样频率达到4MHz，其幅值频谱图如图6所示。开始时，低频段电流幅值以20dB/10倍频的速度匀速下降，但在接近1MHz之前，又以40dB/10倍频的速度迅速下降，达到1MHz之后，又迅速上升。由图6可知，在每个1MHz点处都会发生类似的电流幅值变化。

3共模传导EMI的抑制方法

电磁干扰的产生离不开三大要素——干扰源、干扰路径和敏感设备。因此，提高电磁兼容性应当从这三方面入手，即抑制干扰源的信号、优化干扰路径和提高设备的抗干扰能力。

3.1抑制干扰源的信号

共模电流产生的原理是开关管的断开导致中性点对参考地

的电压产生突变，即。依据此原理，就开关管IGBT

而言，运