电机驱动系统的电磁干扰抑制方法研究

郑琦琦，杜明星，魏克新

（天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

电机驱动系统的电磁干扰抑制方法研究

郑琦琦，杜明星，魏克新

（天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

电机驱动系统中大功率开关器件在关断过程产生严重的电磁干扰问题，对其抑制方法的研究成为热点。分析ΙGBT控制原理及电压波形，利用Saber软件建立电机驱动系统模型，在传导干扰测试频率范围内，考虑无源器件的寄生参数，仿真传统门极控制、动态电压上升控制以及有源门极控制的直流侧和交流侧共模/差模干扰，通过对比得到有源门极控制下对系统干扰的抑制效果更好，有效降低系统的共模/差模干扰。基于有源门极控制方法，在改变ΙGBT开关频率的情况下分析干扰波形，对电力电子装置传导电磁干扰的抑制分析具有重要意义。

绝缘栅双极型晶体管；电机驱动系统；电磁干扰；有源门极控制技术；抑制方法

在电力电子技术研究领域，电动汽车驱动系统的电磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）问题已成为讨论的热点问题［1］。大功率开关器件的高速通断导致以ΙGBT为核心的电路中电磁干扰（electromagnetic interference，EMΙ）的产生，严重影响汽车装置中电力电子设备的电磁兼容性［2］。因此，研究电机驱动系统的EMΙ抑制方法具有重要的意义［3］。

从相关文献来看，目前对电机驱动系统EMΙ的抑制措施主要集中在系统屏蔽、电路滤波、接地、光电隔离等方面上，对于ΙGBT的不同控制方法对系统EMΙ的影响分析较少，且主要集中在理论分析上。电机驱动系统中混合干扰分离为共模干扰（CM）和差模干扰（DM），且干扰较强。所以，对ΙGBT采取不同的控制方法，仿真分析其对系统直流侧和交流侧EMΙ抑制效果尤为重要。

国标GB 9254—2008［4］规定了工业环境中受试设备EUT的传导干扰测试限值，本文依据该标准，搭建电机驱动系统仿真模型，分析在传统门极控制（conventional gate control，CGC）、动态电压上升控制（dynamic voltage rise control，DVRC）以及有源门极控制（active gate control，AGC）不同方式下CM/DM的抑制效果。

1 工作原理

1.1 传统门极控制

所谓传统门极控制方法，即控制信号通过门极电阻Rg直接驱动ΙGBT，图1所示为传统门极控制的结构图，其中Cgc和Cge为寄生电容。基于ΙGBT开关瞬间分析［5］，开关动作过程中存在2个主要问题：一是在ΙGBT导通期间，由于续流二极管的快速通断引起的电流过冲；二是在ΙGBT关断期间，由于其快速关断和寄生电感引起的电压尖峰。门极电阻能够控制回路里的振荡，调节开通速度，然而要解决上述两点问题就会出现更长的开关延时、高噪声干扰以及开关损耗等现象，引发电路中的EMΙ问题［6］。

图1 CGC结构图Fig.1 Structure diagram of CGC

Rg主要是控制门极输出的峰值电流，增大门极电阻，通过降低电压变化率减小电磁干扰，同时限制了负载电流的变化、增大了电压超调量，其阻值由下式确定：

根据ΙGBT的驱动电压ΔU和峰值电流Ipeak来选取门极电阻Rg的数值，由于不同品牌的ΙGBT有各自的特定要求，可以在Rg的计算数值附近调试。ΙGBT的开关过程需要消耗电源功率，最小峰值电流如下式：

式中：RG为ΙGBT内部电阻。

驱动电源的平均功率如下式：

式中：f为开关频率。

1.2 动态电压上升控制

DVRC改进了有源钳位控制［7］，图2所示为其电路结构图。采用小电容感应ΙGBT的关断速度，由T2，T3组成的高速高增益放大器对门极充电，解决了传统门极控制中的延时问题，仅在ΙGBT关断过程中起作用，而对于ΙGBT产生的尖峰电压问题尚未解决。

图2 DVRC结构图Fig.2 Structure diagram of DVRC

1.3 有源门极控制

文献［8］提出了一种新型有源门极驱动电路，即二阶有源门极控制（two-stage active gate control，TAGC），如图3所示。图3中包括由瞬态抑制二极管串Z2、电阻R2和电容C2组成的电压上升率反馈环节；T2，T3组成的门极驱动功率放大器以及Z1、电阻R1和二极管D3组成的有源电压钳位电路。电路将关断过程分为3个部分，利用2个电容和瞬态电压抑制器（transient voltage suppressors，TVS）在不同的关断瞬间获得不同的反馈增益，进而起到抑制关断电压和控制其上升斜率的作用。

图3 AGC结构图Fig.3 Structure diagram of AGC

1.4 标准限值

根据国标GB9254—2008［4］规定，工业环境中的EUT为B级，表1所示为传导干扰限值。

表1 B类待测设备电源端子传导骚扰限值Tab.1 Conduction disturbance limit value of B class to test equipment power supply terminal

2 Fourier分析电压波形

基于ΙGBT门极控制方法下，分析理想情况开关波形的时域参数对频谱的影响。图4所示为理想情况下ΙGBT的开关波形，为了简化分析，假设UCE，IC为近似的梯形波［9］，忽略电压尖峰和电流拖尾现象。

图4 IGBT开关波形Fig.4 IGBT switching waveforms

等腰梯形干扰电压的FFT展开式为

频谱包络线由线性梯度0 dB/dec，-20 dB/dec及-40 dB/dec的渐近线组成，如图5所示。

图5 梯形波频谱包络线Fig.5 Spectrum envelope of trapezoidal waveforms

3 仿真测试

利用Saber仿真软件，考虑支撑电容和放电电阻寄生参数的影响，搭建电机驱动系统仿真模型，仿真原理图如图6所示。其中，直流电源Udc= 300 V，支撑电容C=4 700 μF，放电电阻R=1 kΩ。在SVPWM控制策略下对电路中的6个ΙGBT分别采取CGC，DVRC以及AGC的控制，对比产生的电磁干扰频域波形。

图6 saber仿真原理图Fig.6 Saber simulation Schematic

3.1 直流侧干扰

根据下式，运用波形计算器计算得到CM/DM电磁干扰波形：

图7 直流侧干扰仿真波形Fig.7 DC side interference simulation waveforms

式中：UR1,UR2分别为LΙSN测得的直流侧干扰电压值。如图7所示，L1，N1为ΙGBT的CGC下的干扰波形；L2，N2为ΙGBT的DVRC控制下的干扰波形；L3，N3为AGC控制下的干扰图。仿真可知，电机驱动系统的直流侧电磁干扰强度较大，混合干扰在40～120 dBμV之间，L1，N1线干扰幅值相近，但两者相位不同，且都超过了国标规定的限值。分离后的波形CM1在60～100 dBμV之间，DM1在50～60 dBμV之间，表明系统中的电磁干扰以共模干扰为主。采用DVRC控制方法后，共模干扰CM2中低频部分（10MHz以下）有所降低，差模干扰DM2的幅值整体下降了10～20 dBμV。采用AGC的控制方法后，共模干扰CM3的幅值在中低频下降了30～40 dBμV，高频部分有所上升；差模干扰DM3整体大幅下降了20～40 dBμV，因此AGC方法可以有效抑制系统共模和差模干扰。

3.2 交流侧干扰

如图8所示，U1，V1为ΙGBT的CGC控制下的干扰波形；U2，V2为ΙGBT的DVRC控制下的干扰波形；U3，V3为AGC控制下的干扰波形。由仿真图可知，采取AGC的控制方法对电磁干扰的抑制效果较好。

图8 交流侧干扰仿真波形Fig.8 AC side interference simulation waveforms

仿真可知，电机驱动系统的交流侧电磁干扰强度较大，混合干扰在40～120 dBμV之间，都超过了国标规定的限值，分离后的波形CM1在60～110 dBμV之间，DM1在60～120 dBμV之间，表明系统中交流侧的共模/差模干扰均很大。采用DVRC控制方法后，CM2和DM2的幅值整体下降了10～20 dBμV。采用AGC的控制方法后，CM3和DM3的幅值在中低频（10 MHz以下）均下降了20～40 dBμV，而高频部分有所上升；因此AGC方法可以抑制系统交流侧共模和差模干扰。

仿真结果表明，后2种控制方法可以降低系统的共模/差模干扰，在高频部分的抑制效果差别较小，而对中低频干扰的抑制，采取有源门极控制方法的抑制效果更好。

3.3 频率影响

ΙGBT的开关损耗和EMΙ的产生两者之间的权衡一直是研究的热点问题［10］，开关频率越高，开关损耗越小，产生的电压波形也越好。然而，快速的开关频率会在电力电子装置中产生EMΙ，影响系统的正常运行。基于电机驱动系统，通过改变SVPWM的频率控制ΙGBT的通断，仿真不同频率下对电磁干扰影响的波形。

如图9所示，L1，N2；L2，N2；L3，N3分别为10 kHz，20 kHz和50 kHz下的干扰波形。结果表明，在低频段（1 MHz以下）干扰差异较小，而高频段（1 MHz以上）的干扰随频率逐渐变化，但影响不大。

图9 不同频率干扰波形Fig.9 Interference waveforms under different frequency

4 结论

本文建立了基于仿真软件Saber的电机驱动系统模型，分析ΙGBT控制原理，利用Fourier方法分析电压波形，分别采取传统门极、动态电压上升以及有源门极控制方式，仿真得到共模/差模干扰波形，进而对有源门极控制进行分析，证明了ΙGBT有源门极控制对系统电磁干扰具有良好的抑制作用，在工程实践设计应用中具有重要意义。

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［3］姜保军.PWM电机驱动系统传导共模EMI抑制技术的研究现状［J］.电气传动，2008，38（8）：3-9.

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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

天津市应用基础与前沿技术研究计划（14JCYBJC18400）

郑琦琦（1992-），女，在读硕士研究生，Email：1582507575@qq.com