电机驱动系统的奥秘：如何在提高频率的同时抑制噪声（一）

1. 背景

在电子世界的边界上，电力电子技术正在展现出它的强大力量。想象一下，我们正在提升开关频率，让驱动器变得更小，但这个革新的步伐带来了新的挑战--高电流（di/dt）梯度和高电压（dV/dt）梯度引发高差模（DM）噪声和共模（CM）噪声。这种噪声不仅可能损害设备本身的性能，还可能对周边设备产生负面影响。

本文中揭秘了如何通过两大策略：降低路径干扰和降低噪声源，来抑制这种传导干扰噪声。本文分析了各种抑制技术的优缺点及应用前景，并提供了在实际应用中使用这些技术时需要考虑的关键原则。

无论你是工程师、设计师还是设备使用者，如果你想要透彻理解如何有效抑制传导干扰噪声，这篇文章都将为你提供宝贵的视角和实用的建议。让我们一起揭开电力电子技术的神秘面纱，探索驱动器微型化和噪声控制的新领域，为下一代电力电子设备铺平创新之路。

2. 电机驱动系统干扰

在交流电机驱动系统中，半导体器件和空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)技术的应用无疑大大改善了电机的动态性能，为我们的日常生活和工业生产带来了前所未有的便利。然而，这些技术的引入也带来了电磁干扰(EMI)问题。

通过设备端口，传导扰动可能渗透至系统中的相邻设备。因此，对于高频电力电子变换器来说，对电磁干扰（EMI）的抑制和实现电磁兼容性（EMC）是必不可少的。

驱动系统中每个子部件都有寄生电感和寄生电容。这些寄生因素在脉冲电流和脉冲电压的影响下，会产生尖峰，进而导致高频振荡。

例如，在常见的IGBT中，如果开关频率设为16kHz，电路中的寄生电感为20nH，就可能产生高达40V的干扰电压，从而使电路产生强烈的电磁干扰（EMI）。这样的传导噪声会通过电机中的各种耦合电容和杂散电感沿线路传播，对设备本身以及周围的其他设备产生严重的电磁干扰，威胁系统的可靠性。因此，为了确保整个系统的正常运行，采取措施抑制电力电子设备传导干扰的产生和传播显得至关重要。

本文研究了路径噪声抑制方法和干扰源抑制方法，EMC三要素如图所示。

EMC三要素示意图

3. 抑制方法概述

3.1 EMI滤波器

在工业应用领域，有效应对传导干扰的策略是在驱动系统中加入EMI滤波器来抑制传导路径的干扰。

（1）EMI滤波器设计挑战

（2）EMI滤波器设计优势

（3）EMI滤波器设计特点

3.2 电路的拓扑优化

抑制传导干扰的另一种策略是优化主电路的拓扑结构。这种方法旨在吸收和补偿高频噪声分量，或通过平衡噪声耦合路径的阻抗以减少非理想的电压/电流尖峰，从而阻止传出端口。

• 采用共模（CM）消除方法；

• 使用三相四桥臂结构；

• 采用双相永磁同步电机（PMSM）结构。

（2）其他方面

• 优化有源器件、改良PCB散热器接地方式；
• 磁性元件进行优化设计；

在主电路拓扑结构保持不变的前提下，我们可以通过调整调制策略来抑制源头的传导干扰，这是一种在源头进行干扰抑制的方法。

（1）扩频方法

最初的目标是让开关频率的谐波能量在较宽的频率范围内平均分布，以此降低干扰的峰值，进而降低电磁干扰（EMI）频谱的峰值水平。

• 行业采用的方法有：

• 随机脉宽调制（PWM）扩频方法；

• 周期性的脉宽调制（PWM）扩频方法；

谐波消除法的调制策略则是从源头上消除高频谐波干扰。

• 行业采用的方法有：

• 选择性谐波消除脉宽调制（SHEPWM）方法；

• 电流谐波最小化脉宽调制（CHMPWM）方法；

另一种抑制干扰源噪声的方法是优化开关过程，如有源栅极驱动和软开关转换法。

（1）有源栅极驱动

有源栅极驱动通过对开关波形的精细控制来改善电压和电流的瞬态特性。

（2）软开关过程方法

软开关过程方法通过一种特殊的控制策略，可以有效地避免瞬态开关电压和电流的重叠。

4. 文章结构

本文总结和分析了电机驱动系统传导扰动的抑制方法，并阐述其基本原理、现状和特点。

• 第一部分：背景与方法概述；

• 第二部分：讨论EMI滤波和拓扑优化技术；

• 第三部分：讨论了开关控制方案的改进和开关过程的优化。

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