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电机驱动系统传导EMI的抑制方法
1引言
现代化电机驱动系统（PWM变频器-感应电机驱动系统）由于采用了变频器对电能进行变换和控制，而使其运行特性由自然特性变为可控的人工特性，性能指标得到极大的提高，并且系统结构紧凑、控制简单，因此这一系统在现代工业中得到了广泛应用。但是由于系统采用了电压源脉宽调制（PWM）控制方式，变频器中的电力电子器件工作在开关状态，du/dt、di/dt较大，开关电压、电流均含有丰富的高次谐波，因此电机驱动系统的电磁干扰（EMI）问题显得尤为突出，并严重地影响了周围系统的正常工作。变频器产生的传导EMI是以电压或电流的共模与差模形式出现的，它分为差模EMI和共模EMI。差模EMI是指由相线与中线所构成回路中的干扰信号；共模EMI则是指由相线或中线与地线所构成回路中的干扰信号。对于变频器，多数情况下产生的传导干扰是以共模EMI为主，并且共模电流流经大地构成回路，大地将形成天线效应，给其他设备带来严重的EMI，这使得共模EMI造成的危害远远大于差模EMI所造成的危害。因此共模EMI在变频器的电磁兼容性设计中显得尤为重要，而这种共模电流即为系统的漏电流。为此各国学者相继围绕着电机系统的干扰源、传播途径和敏感设备这3个方面开展了理论及应用技术的研究工作，并取得了一定的成就。总体上包括两类:一类是通过改善控制策略和优化电路拓扑结构来降低干扰源的干扰强度；另一类是通过滤波器来抑制干扰的传播。
从已有工作来看，目前的抑制措施都在不同程度上增加了系统的成本和复杂性，降低了系统的可靠性，而且大多数工作都集中在研究如何降低和消除共模电压，而忽略从局部进行改善而直接抑制共模EMI电流，降低EMI强度的方法。
为此本文针对以上的不足，提出通过减小电力电子器件与散热器之间的耦合寄生电容，提高漏电流传播途径阻抗的方法，实现减小漏电流，降低系统传导干扰强度。
2寄生电容与漏电流的传播途径
在电机驱动系统，由于PWM调制技术被广泛运用，线路中的电压、电流随功率开关器件动作产生很高的dv/dt、di/dt，电压、电流的谐波成分从几kHz到几百MHz甚至上GHz，这些高频成分通过寄生电容和公共阻抗形成漏电流，产生传导EMI。电机驱动系统漏电流的传播主要通过两条途径：一条是电力电子器件与散热器之间的寄生电容耦合；另一条是电机的绕组和定子机壳之间的分布电容耦合。如果变频器输出电缆很长的话，还要考虑通过电缆和地之间的分布电容的耦合。漏电流的返回路径主要是系统变压器的中性点接地线，如图1所示。

图1中，Clgm为电机的绕组和定子机壳之间的分布电容；Clgc为虑电缆和地之间的分布电容；ClgD和ClgK为电力电子器件的金属管壳与散热器之间的寄生电容；ilg为漏电流。电力电子器件正常工作时，由于器件金属壳表面存在着随时间变化的电荷积累，为此为防止通过散热器发生短路，在电力电子器件和散热器中间填有绝缘层。于是，从物理概念上看，电力电子器件与散热器间存在着类似平行板电容器的寄生电容，如图2所示。虽然此寄生电容非常微小，但对于电力电子器件动作时所产生的几百MHz甚至上GHz的谐波电压与电流来说，此寄生电容的阻抗相对较小，谐波电流可以顺利通过，因此两者之间的寄生电容在高频时不能被忽略不计。也就是说，电力电子器件与散热器之间的寄生电容可以将高频谐波电压、电流耦合至金属散热器的表面，最终在以传导或辐射的形式形成EMI。

对于在电机驱动系统，通过电机的绕组与机壳之间分布电容及电缆与大地之间分布电容耦合的漏电流，可以通过在变频器输出端口安装EMI滤波器降低共模电压及采用屏蔽电缆的方法来抑制，并且实验证明，这一方法是行之有效的，但对于电力电子器件与散热器之间寄生电容这条耦合途径，如果散热器通过机壳接地，那么电力电子器件与散热器间的寄生电容就为漏电流提供了一条低阻抗耦合通路，高频漏电流就会流到散热器上，再经机壳流入公共地，最终流入交流电源的地线，从而产生共模辐射使返回到交流电源地线的漏电流增加，从而加重了传导EMI；相反地，如果散热器不接地，虽然切断了漏电流的通路，减小了漏电流的传导发射，但高频开关电流会耦合到散热器上，使散热器成为一个电压激励的天线，从而增加了辐射EMI，但通常散热器都是与机壳相连接的。因此，散热片与电力电子器件间的电容耦合是电力电子装置产生共模辐射的主要原因之一。
从物理概念上讲，减小散热器的尺寸可以减小电力电子器件与散热器间的寄生电容，从而增大回路的阻抗，降低散热器EMI的发射量，但是，随着散热器尺寸的减小，散热器的散热效率也同时被降低了，这不利于电力电子器件的可靠工作，并且随着电力电子器件功率及开关频率的不断增大，器件的发热量也在不断提高，因此，试图依靠简单地减小散热器的尺寸或接地、不接地以达到降低散热器EMI的发射量是不可行的。而随着电力电