PWM技术以减少电磁干扰

在数学上，阶跃函数的频带理论上可以无限宽。由于电力电子器件的开关对电压和电流的影响都是类似阶跃函数，给系统带来了宽频带的电压、电流响应。其中，响应的高频分量以电磁干扰（EMI）的方式传导出去，更高频的分量以电磁波的形式辐射出去，就是电磁干扰的成因。传统的电气电子回路中，电磁干扰源主要都是低功率的电子元器件。由于电力电子开关具有比普通电子元器件大得多的电压和电流变化，电力电子电路的电磁干扰问题更为严重，进而引起工程技术人员对电磁兼容（EMC）的关注和相关标准的制定。一般而言，传导EMI得到抑制的话，辐射EMI会同步得到抑制。本书主要针对的是传导EMI。根据不同的标准，传导EMI的频率范围也会不同，最低频率一般不低于10kHz，最高频率不高于30MHz。

以电压型变换器为例，图3-6所示为电压型变换器的电磁干扰示意图。传导EMI根据传导路径的不同可以分为差模EMI和共模EMI两大类。差模EMI在变换器的相与相之间传导，在直流正负母线中方向相反；共模EMI通过交流母线同向传导到负载，通过传输线和负载对地的杂散电容传导入地，在直流正负母线中方向相同。

图3-6 电压型变换器的电磁干扰示意图

根据图3-6可以得到电磁干扰电流产生的等效电路，如图3-7所示。图3-7a是交流侧电磁干扰电流的等效电路。每个桥臂中点对直流母线中点O₁可以等效为开关电压源，通过三相电感和三相反电动势传导到交流侧中点O₂。O₂和O₁之间是等效的对地阻抗。根据每相高频电压源（V_aO1、V_bO1、V_cO1）和每相阻抗，可以得到每相的EMI电流，即差模EMI值。而三相开关电压源之和通过三相共模阻抗和对地阻抗决定了共模电流的值。图3-7b是直流侧电磁干扰电流的等效电路。直流电流等于三相交流电流与开关函数（S_a，S_b，S_c）相乘之后相加得到的。

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图3-7 电磁干扰电流的示意图

a）交流侧 b）直流侧

从图3-6所示的交流侧和直流侧EMI电流的原理可以看出，电磁干扰噪声源直接由开关函数决定。一般来说，噪声源从频域上分为两大部分：一部分是由电流和电压阶跃斜率决定的高频部分，时间尺度一般在微秒以下；另一部分是由脉冲序列组合决定的，时间尺度一般在微秒以上。前者受电力电子器件特性和门极驱动影响，后者则由脉宽调制策略决定。尤其是对于常规的固定开关频率PWM，噪声源的频谱集中在开关频率的整数倍上，决定了EMI在MHz以下以开关频率的谐波为主^[2]。

与差模EMI相比，共模EMI性质较为特殊。因为共模EMI与以杂散参数为代表的系统非理想特性紧密相关，共模噪声源是由所有相的开关动作共同决定的。图3-7a中，共模电压等效于V_aO1、V_bO1、V_cO1三者之和。在一个开关周期内可以有四种不同的值。共模电压源与脉宽调制策略紧密相关。在电机驱动系统中，共模电流不但增加了系统的EMI，而且对电机的绝缘和轴承造成了持续的损害，降低了系统的可靠性。抑制共模电流是一个非常实际的问题。