電機驅動系統的奧秘：如何在提高頻率的同時抑制噪聲（一）
01 背景
在電子世界的邊界上，電力電子技術正在展現出它的強大力量。想象一下，我們正在提升開關頻率，讓驅動器變得更小，但這個革新的步伐帶來了新的挑戰--高電流（di/dt）梯度和高電壓（dV/dt）梯度引發高差模（DM）噪聲和共模（CM）噪聲。這種噪聲不僅可能損害設備本身的性能，還可能對周邊設備產生負面影響。
本文中揭秘了如何通過兩大策略：降低路徑干擾和降低噪聲源，來抑制這種傳導干擾噪聲。本文分析了各種抑制技術的優缺點及應用前景，并提供了在實際應用中使用這些技術時需要考慮的關鍵原則。
無論你是工程師、設計師還是設備使用者，如果你想要透徹理解如何有效抑制傳導干擾噪聲，這篇文章都將為你提供寶貴的視角和實用的建議。讓我們一起揭開電力電子技術的神秘面紗，探索驅動器微型化和噪聲控制的新領域，為下一代電力電子設備鋪平創新之路。
02 輻射超標
在交流電機驅動系統中，半導體器件和空間矢量脈沖寬度調制(SVPWM)技術的應用無疑大大改善了電機的動態性能，為我們的日常生活和工業生產帶來了前所未有的便利。然而，這些技術的引入也帶來了電磁干擾(EMI)問題。
通過設備端口，傳導擾動可能滲透至系統中的相鄰設備。因此，對于高頻電力電子變換器來說，對電磁干擾（EMI）的抑制和實現電磁兼容性（EMC）是必不可少的。
驅動系統中每個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，會產生尖峰，進而導致高頻振蕩。
例如，在常見的IGBT中，如果開關頻率設為16kHz，電路中的寄生電感為20nH，就可能產生高達40V的干擾電壓，從而使電路產生強烈的電磁干擾（EMI）。這樣的傳導噪聲會通過電機中的各種耦合電容和雜散電感沿線路傳播，對設備本身以及周圍的其他設備產生嚴重的電磁干擾，威脅系統的可靠性。因此，為了確保整個系統的正常運行，采取措施抑制電力電子設備傳導干擾的產生和傳播顯得至關重要。
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
在工業應用領域，有效應對傳導干擾的策略是在驅動系統中加入EMI濾波器來抑制傳導路徑的干擾。
（1）EMI濾波器設計挑戰
噪聲源阻抗和負載阻抗值的精確獲取；
（2）EMI濾波器設計優勢
阻抗的精確獲取后，EMI濾波器可在通帶和截止頻率下，滿足插入損耗的設計要求，且效果明顯；
（3）EMI濾波器設計特點
主要從系統二端口電路出發，關注系統外部特性，而非內部干擾機理。
3.2 電路的拓撲優化
抑制傳導干擾的另一種策略是優化主電路的拓撲結構。這種方法旨在吸收和補償高頻噪聲分量，或通過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）行業采用的方法：
采用共模（CM）消除方法；
使用三相四橋臂結構；
采用雙相永磁同步電機（PMSM）結構。
（2）其他方面：
優化有源器件、改良PCB散熱器接地方式；
磁性元件進行優化設計。
3.3 調制策略優化
在主電路拓撲結構保持不變的前提下，我們可以通過調整調制策略來抑制源頭的傳導干擾，這是一種在源頭進行干擾抑制的方法。
（1）擴頻方法
最初的目標是讓開關頻率的諧波能量在較寬的頻率范圍內平均分布，以此降低干擾的峰值，進而降低電磁干擾（EMI）頻譜的峰值水平。
行業采用的方法有：
隨機脈寬調制（PWM）擴頻方法；
周期性的脈寬調制（PWM）擴頻方法。
（2）諧波消除法
諧波消除法的調制策略則是從源頭上消除高頻諧波干擾。
行業采用的方法有：
選擇性諧波消除脈寬調制（SHEPWM）方法；
電流諧波最小化脈寬調制（CHMPWM）方法。
3.4 開關過程優化
另一種抑制干擾源噪聲的方法是優化開關過程，如有源柵極驅動和軟開關轉換法。
（1）有源柵極驅動
有源柵極驅動通過對開關波形的精細控制來改善電壓和電流的瞬態特性。
（2）軟開關過程方法
軟開關過程方法通過一種特殊的控制策略，可以有效地避免瞬態開關電壓和電流的重疊。
