电机拖动系统控制器传导发射EMC设计*

邵 威

（武汉数字工程研究所 武汉 430074）

1 引言

电机拖动系统控制器是电机拖动系统中的重要设备，尤其是在军事应用领域，要求控制器不仅具有很高的抗干扰能力，同时还要对其它设备产生的干扰尽可能少。电磁兼容是电子仪器设备或系统在电磁环境中符合要求运行并不对环境中其它设备或系统产生无法忍受的电磁干扰的能力［1］，它是衡量电子产品质量的一个重要指标［2］。本文采用GJB151B-2013标准来考察电机拖动系统控制器的电磁兼容特性，并针对模块在CE102项目（10kHz～10MHz电源线传导发射）测试中两次测试都出现超标现象的问题进行全面分析，并提出合理的整改方案。

2 问题描述

CE102是用来测量EUT输入电源线上的传导发射的［3］，GJB151B-2013中规定了 CE102项目电源线传导发射干扰的基准限值，如图1所示，本文电机拖动系统控制器采用DC-DC电源模块供电，供电电压DC24V，所以按照标准要求采用基准曲线，没有放宽极限。

在电机拖动系统控制器第一次进行CE102项目测试的时候，测试结果中多处出现超标现象，具体测试曲线如图2所示，图中是正线测试曲线，可以看出主要超标段在0.365MHz～10MHz，而且在进行负线测试的时候，测试曲线与正线基本一致。

图1 CE102基准限值曲线

图2 第一次整改前CE102测试曲线

一般来说根据开关电源产生差模干扰、共模干扰的特点，可以将测试曲线频率段划分为三个部分［4］：

1）0.15MHz～0.5MHz差模干扰为主；

2）0.5MHz～5MHz差模干扰、共模干扰共存；

3）5MHz～10MHz共模干扰为主。

根据CE102测试现场整改经验，超标可以通过采用滤波电路、增加差模X电容、共模Y电容和磁环等方式来解决，但是具体器件参数无法确定，一般X电容通常为1uF和0.68uF，Y电容通常为330nF、220nF和33nF等。由于现场条件有限，第一次CE102整改使用了一般性能滤波电路前置在电源入口处，并增加几个X电容和Y电容，最后将电源进线和出现分别绕线套在EMI磁环内，经过几次调整后整改后的测试曲线如图3所示，测试效果得到很大的改善，但是依旧在0.365MHz这个频点有超标现象。

3 分析计算

3.1 干扰源分析

电机拖动系统控制器的电源部分电路图如图4所示，DC-DC电源模块为开关电源，模块手册中说明开关频率典型值为360kHz，与第一次CE102测试和整改后超标频率相近。可以判断干扰源主要是DC-DC电源模块，开关电源产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源［5］。

图3 第一次整改CE102测试曲线图

图4 电机拖动系统控制器电源电路图

3.2 干扰抑制措施

干扰源、耦合路径和敏感设备是电磁干扰的三要素［6］，如图5一般DC-DC电源模块采用RC吸收电路能有效抑制干扰源头，但是DC-DC电源模块封装完整，无法对内部电路进行优化，本文采用切断耦合路径的方式来减少电源模块对其它敏感电子设备的干扰。

图5 DC-DC电源模块干扰源抑制措施

采用可靠的滤波电路是切断干扰耦合路径的有效方式，如图6典型的滤波电路分为一般性能EMI滤波电路和差模增强型EMI滤波电路［7］。在第一次整改过程中用到的滤波电路为一般性能EMI滤波电路，这个电路中L与2个Cy组成共模滤波电路对共模干扰起到很好的抑制作用，由于L的两端线圈的绕制不可能绝对相同，两端的线圈电感的差值就形成了一个漏电感，这个漏电感与2个Cx为差模滤波电容主要消除差模干扰信号。从第一次整改结果来看一般性能EMI滤波电路在对共模干扰部分的抑制可以满足测试的需求，而对电源模块产生365kHz差模干扰部分抑制作用还达不到要求，图6中列出了两种常用EMI滤波电路的插损图，对比可以看出差模增强型EMI滤波电路在365kHz频点的插损高于一般性能EMI滤波电路，所以需要采用差模增强型EMI滤波电路的设计方案。

图6 典型EMI滤波电路

3.3 滤波电路参数计算

设计差模增强型EMI滤波电路需要确定的参数包括差模电容Cx、共模电容Cy、共模电感L和差模电感Ld，其中差模电容Cx和共模电容Cy对滤波电路的安全问题都有非常重要的作用，因此在设计制作时，一定要把Cx和Cy的选用放在至关重要的位置［8］。

滤波电路对干扰噪声的抑制额能力用插入损耗IL（Insertion Loss）来衡量［9］，它定义了滤波电路接入前后噪声源在负载上产生功率的前后功率之比。在标准测试条件下，一般军用电源滤波电路的设计应满足10kHz～30MHz范围内插入损耗30dB～60dB，而实际过程中插入损耗值还应该加上6dB的安全量。结合第一次EMC测试的曲线，设计差模增强型EMI滤波电路抑制差模和共模干扰需要达到的衰减量如表1所示。

表1 差模增强型EMI滤波电路插损需求表

滤波电路接入前后电机拖动系统控制器的等效电路如图8所示，由等效电路可以得到插入损耗IL的表达式为

图7 EMI滤波电路插入前后等效电路

差模增强型滤波电路的差模等效电路和共模等效电路如图8所示，其中共模电感LCM≈L，差模电感 LDM≈Ld，共模电容Cy，差模电容 Cx。

图8 EMI滤波电路等效电路

根据等效电路得出式（2）共模等效电路参数矩阵和式（3）差模等效电路参数矩阵。

结合式（4）可求得EMI滤波电路插入损耗IL的表达式：

把共模等效电路和差模等效电路的参数矩阵分别带入式（4）得到式（5）共模等效电路的插入损耗和式（6）差模等效电路的插入损耗。

EMI滤波电路一般源阻抗和负载阻抗都处于不匹配状态，需要根据其源、负载阻抗匹配情况选择合适滤波器结构与失配网络对噪声进行有效抑［10］，为了利于参数计算，这里先不考虑负载不匹配状态，使用标准源阻抗和负载阻抗，即RS=RL=50Ω。直流EMI滤波电路中的电容耐压较低，电容值越大滤波效果也越明显，但是电容的取值关系到人身安全问题［11］，需要选择合适的电容值。常用的共模电容为330nF、220nF和33nF，常用的差模电容为1uF和0.68uF，本文中选取33nF和1uF作为共模电容和差模电容的数值，其它的常用参数值作为测试整改备用值。

理论上共模电感LCM值越大EMI滤波效果越好，但共模电感过高会导致截止频率变低，使分布电容也同时变大，高频电流经过分布电容使滤波电路的高频噪声抑制效果变差，而且增大共模电感会造成电感绕线匝数增加，电感制作困难，成本变高，通常共模电感值在2mH～50mH之间；差模电感的发热量一般比较大，因此为控制滤波电路的温度在一定范围内，差模电感LDM值也不宜过大。结合式（5）、式（6）和表1可以求出表2中的共模电感LCM值和差模电感LDM值，其中12.6mH和38uH分别最大，为了有较好的滤波效果，共模电感选取数值相近的15mH，并同时选择10mH和20mH作为备用；差模电感同样选取数值相近的39uH，用12uH和47uH作为备用。

表2 共模电感值

4 试验验证

根据计算好的滤波电路参数值制成滤波电路，其中共模电容Cy=33nF，差模电容Cx=1uF，共模电感LCM=15mH，差模电感LDM=39uH。经过再次的实验和现场参数微调，CE102测试最终曲线如图9所示。

图9 CE102最终测试曲线图

最终测试曲线图中的关键测试频点标定如表3所示，从图表结果可以看出整改方案是可行的，滤波电路关键参数的理论计算值是符合实际需求的。

表3 CE102测试关键频点标定表

5 结语

电机拖动系统控制器的电磁兼容特性是系统可靠运行的关键因素，因此稳定合适的滤波电路也成为系统必不可少的一部分。然而滤波电路的设计涵盖了电气、电子、结构、材料和工艺等多个领域，EMC是一门严重依赖测试的学科［12］，EMC整改对工程人员的经验要求很高，完全依靠反复的测试整改将造成时间和费用的严重超支，因此必然要借助计算机应用技术来辅助设计，再通过仿真和实验验证的方式来提高解决EMC测试问题的效率。