无刷直流电机EMC优化

I. 引言

近年来随着我国经济水平发展和人民生活水平的提高，消费水平的不断升级，对电子产 品的电磁兼容 EMC 要求越来越高。这就需要技术人员在产品设计初期，既要考虑产品的基 本功能，也要兼顾电磁兼容水平，尤其是电磁干扰发射量。否则在产品开发后期进行整改， 耗费人力物力，而且改善效果也不明显。无刷直流电机作为许多产品的重要组成部分，例如 扫地机，吸尘器，电子门锁，汽车上的雨刮、空调压缩机以及其他各种电动类产品等，电机 电磁辐射问题也关乎产品的电磁辐射能否达标，本文将主要围绕直流无刷电机的噪声来源进 行分析并提出相应的解决对策，最后分享实际案例。

II. 无刷直流电机 PWM 调制原理

无刷直流电机 PWM 脉宽调制调速是通过斩波器将直流电源斩成 PWM 波，从而改变加 在电枢两端的电压平均值，以调节电动机的转速。例如采用 HPWM-LON 调制模式，即两相 导通星型三相六状态工作方式下对应导通的上桥臂功率开关管 Q1、Q3、Q5，开关管受 PWM 信号调制,下桥臂功率开关 Q4、Q5、Q2 恒导通。

III. EMI产生机理

EMI 两种形式: 传导和辐射。辐射 EMI 可采用金属盒屏蔽，传导 EMI 则采用滤波器 阻止。由于传导 EMI 和辐射 EMI 源于同一能量源，能量必须有地方消耗掉，阻断传导 EMI 通常导致辐射 EMI 增加，因此，有效的 EMI 抑制技术依赖于 EMI 机理的彻底理解，以使在 源上减小 EMI，而不是仅仅在产生后去阻断。辐射 EMI 路径难以确定，辐射 EMI 的机理也 就无法完整地分析。相反，传导 EMI 路径很好确定，分析传导 EMI 有助于确定 EMI 源、理 解 EMI 产生的机理，减少这个源头，可有效地减少了传导 EMI 和辐射 EMI。所以，重点是 传导 EMI。

传导 EMI 中的耦合电流是寄生电容中电流之和，由大的 du/dt、大的方波电压幅值引起， 耦合电流有差模分量、共模分量，差模、共模路径各不相同。

(1) 差模 EMI

电机控制器釆用 PWM 调制，虽然产生了较好的正弦波，但也在输出端叠加了髙次谐 波，这些髙次谐波在输出端产生差模干扰。其产生差模干扰的主要原因是功率管的通断使逆 变桥输入电流是一个脉动电流信号，从差模电流传播途径来看，主要在输入测直流母线正负 极以及交流线缆上传播。

(2) 共模 EMI

当 IGBT 管导通与关断的瞬间，会产生很高的 du/dt，通过回路中开关器件、金属引线 散热片、外壳等对地的寄生电容进行不断地充放电，产生共模电流。

共模电流路径由一条直流母线, 相地间的寄生电容 Cc，大地，交流电源，整流器构成， 一部分电流经整流器的寄生电容，直流电容流过。不同设备的共模电流共享大地路径，所 以共模 EMI 水平高，更难抑制。

IV. 整改措施

EMI 抑制就是阻断传导 EMI 流通的路径，或使之在内部循环。应根据不同的干扰源采 取相应的抑制措施。一般原则是：先提供局部通路，后增加高频阻抗。

常见滤波电路：

方案一: 共模电感+电感+电容

共模电感可以针对共模噪声有效滤波，电容针对差模噪声，跟直流电机最近的电感 L1 和 L2 能有效抑制电机换向时产生的电压尖峰；

方案二：BDL+磁珠

BDL：BDL 器件是一个多功能集成器件，具有良好的 EMI 滤波效果。

特点:

器件体积平均减少 73%，满足超薄设计需求，

优化 PCB 面积：＞70%。

直接取代共模电感和 2-3 个滤波电容的传统 LC 滤波电路。

可以同时滤除共模噪声和差模噪声，由于 BDL 的特点，滤波性能优于电容以及共模电 感，滤波频段可以达到 GHz，且具有较高的耐压值。

PE 一般为电机金属外壳，滤波小板上 除了电机引线外，需要有额外的地并与金属外壳连接，而且这两者的导通性的优劣对滤波效 果有较大影响。

V. 实例

客户整改一款用于吸尘器的电机，应用的方案是：BDL+磁珠+电容，加电容的主要目 的是为了让数据整体的余量更多。

整改前数据

垂直方向:

水平方向:

整改后数据

垂直方向:

水平方向:

VI. 总结

电磁兼容是电机传动中不可忽视的问题，随着电力电子装置在传动系统中的广泛应用，这一 问题尤为突出，需对其机理进行深入的研究，并在产品设计、开发过程中采取切实可行的技术措 施，这样，才能逐步消除电磁干扰的影响，具有较高的可靠性。