鄭琦琦，杜明星，魏克新

（天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁干擾抑制方法研究

鄭琦琦，杜明星，魏克新

（天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中大功率開關(guān)器件在關(guān)斷過程產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾問題，對(duì)其抑制方法的研究成為熱點(diǎn)。分析ΙGBT控制原理及電壓波形，利用Saber軟件建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型，在傳導(dǎo)干擾測(cè)試頻率范圍內(nèi)，考慮無(wú)源器件的寄生參數(shù)，仿真?zhèn)鹘y(tǒng)門極控制、動(dòng)態(tài)電壓上升控制以及有源門極控制的直流側(cè)和交流側(cè)共模/差模干擾，通過對(duì)比得到有源門極控制下對(duì)系統(tǒng)干擾的抑制效果更好，有效降低系統(tǒng)的共模/差模干擾?；谟性撮T極控制方法，在改變?chǔ)〨BT開關(guān)頻率的情況下分析干擾波形，對(duì)電力電子裝置傳導(dǎo)電磁干擾的抑制分析具有重要意義。

絕緣柵雙極型晶體管；電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；電磁干擾；有源門極控制技術(shù)；抑制方法

在電力電子技術(shù)研究領(lǐng)域，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）問題已成為討論的熱點(diǎn)問題［1］。大功率開關(guān)器件的高速通斷導(dǎo)致以ΙGBT為核心的電路中電磁干擾（electromagnetic interference，EMΙ）的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響汽車裝置中電力電子設(shè)備的電磁兼容性［2］。因此，研究電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的EMΙ抑制方法具有重要的意義［3］。

從相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)看，目前對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMΙ的抑制措施主要集中在系統(tǒng)屏蔽、電路濾波、接地、光電隔離等方面上，對(duì)于ΙGBT的不同控制方法對(duì)系統(tǒng)EMΙ的影響分析較少，且主要集中在理論分析上。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中混合干擾分離為共模干擾（CM）和差模干擾（DM），且干擾較強(qiáng)。所以，對(duì)ΙGBT采取不同的控制方法，仿真分析其對(duì)系統(tǒng)直流側(cè)和交流側(cè)EMΙ抑制效果尤為重要。

國(guó)標(biāo)GB 9254—2008［4］規(guī)定了工業(yè)環(huán)境中受試設(shè)備EUT的傳導(dǎo)干擾測(cè)試限值，本文依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，分析在傳統(tǒng)門極控制（conventional gate control，CGC）、動(dòng)態(tài)電壓上升控制（dynamic voltage rise control，DVRC）以及有源門極控制（active gate control，AGC）不同方式下CM/DM的抑制效果。

1 工作原理

1.1 傳統(tǒng)門極控制

所謂傳統(tǒng)門極控制方法，即控制信號(hào)通過門極電阻Rg直接驅(qū)動(dòng)ΙGBT，圖1所示為傳統(tǒng)門極控制的結(jié)構(gòu)圖，其中Cgc和Cge為寄生電容?；讦〨BT開關(guān)瞬間分析［5］，開關(guān)動(dòng)作過程中存在2個(gè)主要問題：一是在ΙGBT導(dǎo)通期間，由于續(xù)流二極管的快速通斷引起的電流過沖；二是在ΙGBT關(guān)斷期間，由于其快速關(guān)斷和寄生電感引起的電壓尖峰。門極電阻能夠控制回路里的振蕩，調(diào)節(jié)開通速度，然而要解決上述兩點(diǎn)問題就會(huì)出現(xiàn)更長(zhǎng)的開關(guān)延時(shí)、高噪聲干擾以及開關(guān)損耗等現(xiàn)象，引發(fā)電路中的EMΙ問題［6］。

圖1 CGC結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of CGC

Rg主要是控制門極輸出的峰值電流，增大門極電阻，通過降低電壓變化率減小電磁干擾，同時(shí)限制了負(fù)載電流的變化、增大了電壓超調(diào)量，其阻值由下式確定：

根據(jù)ΙGBT的驅(qū)動(dòng)電壓ΔU和峰值電流Ipeak來(lái)選取門極電阻Rg的數(shù)值，由于不同品牌的ΙGBT有各自的特定要求，可以在Rg的計(jì)算數(shù)值附近調(diào)試。ΙGBT的開關(guān)過程需要消耗電源功率，最小峰值電流如下式：

式中：RG為ΙGBT內(nèi)部電阻。

驅(qū)動(dòng)電源的平均功率如下式：

式中：f為開關(guān)頻率。

1.2 動(dòng)態(tài)電壓上升控制

DVRC改進(jìn)了有源鉗位控制［7］，圖2所示為其電路結(jié)構(gòu)圖。采用小電容感應(yīng)ΙGBT的關(guān)斷速度，由T2，T3組成的高速高增益放大器對(duì)門極充電，解決了傳統(tǒng)門極控制中的延時(shí)問題，僅在ΙGBT關(guān)斷過程中起作用，而對(duì)于ΙGBT產(chǎn)生的尖峰電壓?jiǎn)栴}尚未解決。

圖2 DVRC結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of DVRC

1.3 有源門極控制

文獻(xiàn)［8］提出了一種新型有源門極驅(qū)動(dòng)電路，即二階有源門極控制（two-stage active gate control，TAGC），如圖3所示。圖3中包括由瞬態(tài)抑制二極管串Z2、電阻R2和電容C2組成的電壓上升率反饋環(huán)節(jié)；T2，T3組成的門極驅(qū)動(dòng)功率放大器以及Z1、電阻R1和二極管D3組成的有源電壓鉗位電路。電路將關(guān)斷過程分為3個(gè)部分，利用2個(gè)電容和瞬態(tài)電壓抑制器（transient voltage suppressors，TVS）在不同的關(guān)斷瞬間獲得不同的反饋增益，進(jìn)而起到抑制關(guān)斷電壓和控制其上升斜率的作用。

圖3 AGC結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of AGC

1.4 標(biāo)準(zhǔn)限值

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB9254—2008［4］規(guī)定，工業(yè)環(huán)境中的EUT為B級(jí)，表1所示為傳導(dǎo)干擾限值。

表1 B類待測(cè)設(shè)備電源端子傳導(dǎo)騷擾限值Tab.1 Conduction disturbance limit value of B class to test equipment power supply terminal

2 Fourier分析電壓波形

基于ΙGBT門極控制方法下，分析理想情況開關(guān)波形的時(shí)域參數(shù)對(duì)頻譜的影響。圖4所示為理想情況下ΙGBT的開關(guān)波形，為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)UCE，IC為近似的梯形波［9］，忽略電壓尖峰和電流拖尾現(xiàn)象。

圖4 IGBT開關(guān)波形Fig.4 IGBT switching waveforms

等腰梯形干擾電壓的FFT展開式為

頻譜包絡(luò)線由線性梯度0 dB/dec，-20 dB/dec及-40 dB/dec的漸近線組成，如圖5所示。

圖5 梯形波頻譜包絡(luò)線Fig.5 Spectrum envelope of trapezoidal waveforms

3 仿真測(cè)試

利用Saber仿真軟件，考慮支撐電容和放電電阻寄生參數(shù)的影響，搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，仿真原理圖如圖6所示。其中，直流電源Udc= 300 V，支撐電容C=4 700 μF，放電電阻R=1 kΩ。在SVPWM控制策略下對(duì)電路中的6個(gè)ΙGBT分別采取CGC，DVRC以及AGC的控制，對(duì)比產(chǎn)生的電磁干擾頻域波形。

圖6 saber仿真原理圖Fig.6 Saber simulation Schematic

3.1 直流側(cè)干擾

根據(jù)下式，運(yùn)用波形計(jì)算器計(jì)算得到CM/DM電磁干擾波形：

圖7 直流側(cè)干擾仿真波形Fig.7 DC side interference simulation waveforms

式中：UR1,UR2分別為L(zhǎng)ΙSN測(cè)得的直流側(cè)干擾電壓值。如圖7所示，L1，N1為ΙGBT的CGC下的干擾波形；L2，N2為ΙGBT的DVRC控制下的干擾波形；L3，N3為AGC控制下的干擾圖。仿真可知，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的直流側(cè)電磁干擾強(qiáng)度較大，混合干擾在40～120 dBμV之間，L1，N1線干擾幅值相近，但兩者相位不同，且都超過了國(guó)標(biāo)規(guī)定的限值。分離后的波形CM1在60～100 dBμV之間，DM1在50～60 dBμV之間，表明系統(tǒng)中的電磁干擾以共模干擾為主。采用DVRC控制方法后，共模干擾CM2中低頻部分（10MHz以下）有所降低，差模干擾DM2的幅值整體下降了10～20 dBμV。采用AGC的控制方法后，共模干擾CM3的幅值在中低頻下降了30～40 dBμV，高頻部分有所上升；差模干擾DM3整體大幅下降了20～40 dBμV，因此AGC方法可以有效抑制系統(tǒng)共模和差模干擾。

3.2 交流側(cè)干擾

如圖8所示，U1，V1為ΙGBT的CGC控制下的干擾波形；U2，V2為ΙGBT的DVRC控制下的干擾波形；U3，V3為AGC控制下的干擾波形。由仿真圖可知，采取AGC的控制方法對(duì)電磁干擾的抑制效果較好。

圖8 交流側(cè)干擾仿真波形Fig.8 AC side interference simulation waveforms

仿真可知，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的交流側(cè)電磁干擾強(qiáng)度較大，混合干擾在40～120 dBμV之間，都超過了國(guó)標(biāo)規(guī)定的限值，分離后的波形CM1在60～110 dBμV之間，DM1在60～120 dBμV之間，表明系統(tǒng)中交流側(cè)的共模/差模干擾均很大。采用DVRC控制方法后，CM2和DM2的幅值整體下降了10～20 dBμV。采用AGC的控制方法后，CM3和DM3的幅值在中低頻（10 MHz以下）均下降了20～40 dBμV，而高頻部分有所上升；因此AGC方法可以抑制系統(tǒng)交流側(cè)共模和差模干擾。

仿真結(jié)果表明，后2種控制方法可以降低系統(tǒng)的共模/差模干擾，在高頻部分的抑制效果差別較小，而對(duì)中低頻干擾的抑制，采取有源門極控制方法的抑制效果更好。

3.3 頻率影響

ΙGBT的開關(guān)損耗和EMΙ的產(chǎn)生兩者之間的權(quán)衡一直是研究的熱點(diǎn)問題［10］，開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越小，產(chǎn)生的電壓波形也越好。然而，快速的開關(guān)頻率會(huì)在電力電子裝置中產(chǎn)生EMΙ，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過改變SVPWM的頻率控制ΙGBT的通斷，仿真不同頻率下對(duì)電磁干擾影響的波形。

如圖9所示，L1，N2；L2，N2；L3，N3分別為10 kHz，20 kHz和50 kHz下的干擾波形。結(jié)果表明，在低頻段（1 MHz以下）干擾差異較小，而高頻段（1 MHz以上）的干擾隨頻率逐漸變化，但影響不大。

圖9 不同頻率干擾波形Fig.9 Interference waveforms under different frequency

4 結(jié)論

本文建立了基于仿真軟件Saber的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型，分析ΙGBT控制原理，利用Fourier方法分析電壓波形，分別采取傳統(tǒng)門極、動(dòng)態(tài)電壓上升以及有源門極控制方式，仿真得到共模/差模干擾波形，進(jìn)而對(duì)有源門極控制進(jìn)行分析，證明了ΙGBT有源門極控制對(duì)系統(tǒng)電磁干擾具有良好的抑制作用，在工程實(shí)踐設(shè)計(jì)應(yīng)用中具有重要意義。

［1］錢照明，陳恒林.電力電子裝置電磁兼容研究最新進(jìn)展［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（7）：1-11.

［2］Meng J，Ma W，Pan Q，et al.Multiple Slope Switching Wave?form Approximation to Improve Conducted EMI Spectral Analysis of Power Converters［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2006，48（4）：742-751.

［3］姜保軍.PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)共模EMI抑制技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.電氣傳動(dòng)，2008，38（8）：3-9.

［4］GB 9254—2008信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電騷擾限值和測(cè)量方法［S］.電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù).

［5］Dulau L，Pontarollo S，Boimond A，et al.A New Gate Driver In?tegrated Circuit for IGBT Devices with Advanced Protections［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2006，21（1）：38-44.

［6］Bryant A T，Wang Y，F(xiàn)inney S J，et al.Numerical Optimiza?tion of an Active Voltage Controller for High-power IGBT Con?verters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（2）：374-383.

［7］Chen L，Peng F Z.Closed-loop Gate Drive for High Power IG?BTs［C］∕∕Applied Power Electronics Conference and Exposi?tion，2009.APEC 2009.Twenty-fourth Annual IEEE.IEEE， 2009：1331-1337.

［8］Yang X，Palmer P R.Shaping Pulse Transitions by Active Voltage Control for Reduced EMI Generation［C］∕∕IEEE.En?ergy Conversion Congress and Exposition（ECCE），2013：1682-1687.

［9］Costa F，Magnon D.Graphical Analysis of the Spectra of EMI Sources in Power Electronics［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2005，20（6）：1491-1498.

［10］Oswald N，Stark B H，Holliday D，et al.Analysis of Shaped Pulse Transitions in Power Electronic Switching Waveforms for Reduced EMI Generation［J］.IEEE Transactions on Indus?try Applications，2011，47（5）：2154-2165.

Research on Electromagnetic Interference Suppression Method of Motor Drive System

ZHENG Qiqi，DU Mingxing，WEI Kexin
（Tianjin Key Laboratory of Control Theory&Applications in Complicated System，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

High power insulated gate bipolar transistor of the electric vehicle motor control system generated serious problem of electromagnetic interference during switching process，electromagnetic interference suppression on IGBT has become hot.the IGBT control theory and voltage waveforms were analyzed，Saber software was uesd to establish motor drive system，parasitic parameters of passive devices were considered.The conventional gate control, dynamic voltage rise control and active gate control common-mode∕differential-mode were simulated under DC side and AC side in the conducted interference test frequency range，by contrast，interference suppression of system was better under the active gate control，and reduced the common-mode∕differential-mode interference of the system effectively.Based on the active gate control method，the interference waveform is analyzed in the case of changing the switching frequency of the IGBT，it is also a great significance for suppressing and analyzing the transmission electromagnetic interference on power electronic device.

insulated gate bipolar transistor；motor drive system；electromagnetic interference；active gate control；inhibition method

U469.72

A

10.19457∕j.1001-2095.20170701

2016-05-24

修改稿日期：2016-08-17

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃（14JCYBJC18400）

鄭琦琦（1992-），女，在讀碩士研究生，Email：1582507575@qq.com