简介：共模噪声问题详解

“共模”的概念是相对“差模”而言的，表示在一致的传导方向上的电气变量。共模电压表示的是传导方向上同时存在的同向电压，共模电流表示的是传导方向上同时存在的同向电流。在电磁干扰领域，共模噪声代表的是沿着一致的传导方向传导的电磁干扰噪声，通常以高频共模电流的方式表现。

在理想的线性电路中，共模噪声的问题是不存在的。因为理想的线性电路中，各相电压平衡，从而使同一传导方向下电压为零。比如三相平衡电路中，交流三相电压源时刻保持总和为零，因此共模电压也为零。同时，理想电路中也不存在共模电流可以流通的回路。因此，共模噪声的问题是实际应用中非理想的因素造成的，即共模电压（噪声源）和杂散电容（传导路径）。

由于电力电子变换器的应用，高频的共模噪声源——共模电压随之产生。与传统的线性交流电压源不同，电力电子变换器通过脉宽调制形成的各相脉冲电压序列，虽然在一个基波周期内总和的平均值为零，但是在每个开关周期内却存在高频的共模电压序列。因此，脉宽调制方法决定了共模电压源的存在。但是和之前各章讨论有所不同的是，必须是各相PWM共同作用才决定共模噪声源。噪声源的特性不同以及对于非理想传导回路的依赖，决定了共模EMI问题的特殊性。

图7-1所示是交流供电下变频器驱动电机的差模和共模EMI示意图。通过逆变器相间电压差在电机相间传导的EMI是差模EMI，也包括前端整流器相间的传导EMI；而通过三相逆变器输出端电压的共模分量（共模电压）产生的沿着三相同方向传导的EMI，通过电机绕组对地杂散电容传导入地，再通过交流母线接地端O₁传导回变频器，即共模EMI电流。交流供电下的变频器共模电压比较复杂，实际上是前端整流器的共模电压与逆变器共模电压共同作用产生的。

图7-2所示是直流供电下变频器驱动电机的差模和共模EMI示意图。与图7-1所示的交流供电系统不同，直流供电不需要前端整流器，因此共模电压的生成更直观。图7-2中，直流母线中点O₁接地，与电机绕组中点O₂通过杂散电容C_s接地一起构成了共模回路。假设直流母线电压V_dc保持恒定，逆变器的输出端a、b、c相对于直流母线中点O₁的电压都是由PWM决定的在正负母线电压之间切换的脉冲电压序列。共模电压表达式如式（7-1）所示。共模回路包括电机的绕组阻抗和对地杂散电容，也包括逆变器通过散热器以及传输线对地杂散电容等。

图7-1 交流供电下变频器驱动电机的差模和共模EMI

图7-2 直流供电下变频器驱动电机的差模和共模EMI

图7-1和图7-2只是电机外部共模电流的流通路径，但是电机内部共模电流的传导路径非常复杂。一方面，电机定子的三相不平衡电压所引起的磁场不对称，会在电机轴上感应出电压，那么电机轴和机座（接地）之间就存在电压差，即轴电压。轴电压将通过轴、轴承和定子机座形成轴电流回路，即图7-3中的蓝色回路。另一方面，系统接地和系统对地杂散参数也是传导路径的两个重要因素。因为这两个因素，大地被引入共模传导回路中，使共模电流得以传播。系统接地是因为安全需要，强制将电气设备的某一部分与地连接从而控制电气设备对地电动势，接地点一般是中性点；而对地杂散参数指的是系统中物理元件与地之间的耦合途径，一般是对地杂散电容。如图7-3中的红色回路所示，以最主要的寄生参数C_s1为例，C_s1表示电机定子绕组与定子铁心因为小间距和大接触面积而形成的等效电容，通过电机机壳与地实现了连接。对于低频共模电压，表现出很大的阻抗因而能够阻断。不幸的是，由于逆变器的高频开关带来的共模电压存在丰富的高频分量，尤其是应用新型宽禁带电力电子器件后开关速度和开关频率的进一步增加，使能传导入地的共模电流进一步增加，从而使共模传导EMI成为一个不能忽视的问题。(www.xing528.com)

共模噪声对电力电子和传动系统带来的危害主要包括：在差模EMI的基础上进一步增加了系统的电磁干扰；持续的共模电流流过电机绝缘，对电机绝缘造成长期损害；产生电机的轴承电流，损害电机轴承等。图7-4所示是由于共模电流持续流过电机定子绕组和机壳之间的绝缘，对电机绝缘造成的损害。这些问题使共模噪声和共模电流的抑制成为一个必须考虑的问题^[1]。

图7-3 共模电流在交流电机内部流通的示意图（见文后彩插）

C_s1—绕组和定子铁心之间的杂散电容 C_s2—绕组和电机机座之间的杂散电容

图7-4 由于共模电流损坏电机绝缘的照片（来自网络）（见文后彩插）

抑制电力电子变换器和电机传动系统的共模噪声和共模电流的主要方法是在共模回路中加入以共模扼流线圈为代表的共模滤波器，增大共模阻抗以抑制共模电流和共模噪声^[2]。共模扼流线圈本质是一个大感值的共模电感，其体积和重量取决于其磁心的共模磁通饱和情况，也就是共模电压的伏秒积分值。伏秒积分值越大，表示磁心越容易饱和，因此需要增加磁心体积^[3]。在工业应用中，共模扼流线圈的体积、重量在整个电力电子变换器中所占的比例非常大，尤其是对EMI要求很高的场合。以美国联合技术公司为波音客机开发的100kV·A起动发电一体化电机控制器（CMSC）为例，其共模抑制器的重量在电力电子变换器中占到超过20%的比例。因此怎样减小以共模扼流线圈为代表的共模滤波器的重量和体积成为工程中一个很重要的问题。

共模滤波器的方法本质上是从路径上来解决共模电流和共模噪声的问题。另一个思路则是从共模噪声的源：电力电子变换器的开关函数上解决。由于PWM方式决定了共模噪声源的幅值和频率特性，通过PWM方式的改进，可以从源头抑制共模电流和共模噪声，进一步减小对共模滤波器的要求。由于共模电压是由所有相的开关共同得到的，因此PWM的改进也是针对所有相共同实现的。这种改进方法利用脉冲分布的自由度，目标是为了抑制共模噪声，同样属于先进PWM的范畴。

由于共模噪声的本质是共模电流，不仅与共模噪声源有关，还与传导路径的阻抗有关，在设计先进PWM的同时还需要兼顾传导路径。另外，随着电力电子变换器拓扑结构的变化，可利用的自由度也增加了，改进共模电压的空间也进一步增加了，这样可以进一步设计先进PWM来实现共模噪声的抑制。本章的主要内容就围绕这些工作展开。