1.2 電力電子變換器的傳導EMI

隨著電力電子技術的發展，電力電子變換器已廣泛應用于一般工業、電力系統、電氣化交通、信息技術產業、航空航天、家用電器等領域，并已逐漸在可再生能源發電、柔性交/直流輸電、電動汽車、節能環保等方面發揮極其重要的作用[6]。電力電子變換器的功率器件在開關過程中會產生很高的電壓和電流變化率，通過導電介質和近場耦合等方式在輸入電源線中產生電磁噪聲。這些電磁噪聲不僅污染電網，還影響同一電網中其他設備的正常工作，由此引起傳導EMI問題[7-9]。

傳導EMI在耦合路徑中主要以電流形式傳遞電磁噪聲。按照耦合路徑的特點，傳導EMI可分為共模（Common Mode，CM）傳導干擾和差模（Differential Mode，DM）傳導干擾。圖1.5以交流輸入為例，給出了共模和差模電流的傳遞路徑，其中，共模傳導干擾電流i_CM是輸入電源線的同向干擾分量，經安全地（Protective Earth，PE）形成回路；差模傳導干擾電流i_DM是輸入電源線上的反向干擾分量，經輸入電源形成回路。

一般來說，電力電子變換器的差模傳導干擾主要由變換器輸入電流中的開關分量引起，共模傳導干擾則是由電路中電位高頻跳變的節點通過對安全地的寄生電容產生[10-15]。對于非隔離型變換器，以圖1.6a所示的Boost變換器為例，開關管Q_b的漏極電位隨著Q_b的開關工作而高頻跳變，并通過寄生電容C_p產生流入安全地PE的位移電流，形成共模傳導干擾。寄生電容C_p由開關管到散熱器之間的寄生電容以及開關管漏極所在的PCB走線到安全地的雜散電容構成。在相同主電路參數和控制方式的條件下，寄生電容C_p越大，變換器的共模傳導干擾越惡劣。

在大功率場合，出于安全考慮，會將散熱器與安全地相連，此時開關管漏極到散熱器之間的寄生電容是電力電子變換器共模傳導干擾的主要傳遞路徑[16]。該寄生電容的大小與絕緣層的厚度、介電常數以及開關管和散熱器的相對面積有關，一般為幾十pF左右，如圖1.6b所示。

在采用塑料外殼的小功率電源中，散熱器通常與原邊功率地相連，流過開關管到散熱器之間寄生電容的位移電流僅在電路內部傳遞，不會形成共模傳導干擾。此時，開關管漏極所在節點的PCB走線到安全地的雜散電容是共模傳導干擾的主要路徑。不過，該雜散電容相對較小，因此共模干擾較小。

圖1.7給出了隔離型變換器的共模傳導干擾主要路徑。以交流輸入為例，隔離型變換器由輸入整流橋、原邊電路、變壓器和副邊整流濾波電路組成。原邊電路和副邊整流濾波電路的零電位參考點分別為原邊功率地（Primary Ground，PG）和副邊輸出地（Secondary Ground，SG）。C_p、C_s分別為原邊電路、副邊整流濾波電路中電位高頻變化的節點到安全地PE的寄生電容，C_ps為變壓器原副邊繞組間的分布電容。對于三線制交流輸入，出于安全考慮，變換器的副邊輸出地SG通常與安全地PE相連。

在圖1.7中，以虛線畫出了輸入整流橋中一對二極管導通時的共模傳導干擾路徑，包括原邊電路中電位高頻變化的節點到安全地的寄生電容C_p，以及變壓器原副邊繞組間的分布電容C_ps。圖中，以點畫線畫出了從變壓器分布電容到安全地的割集。根據全電流連續定律，流過變壓器分布電容的總位移電流等于從安全地返回的共模干擾電流i_Cps。記流入電網的共模干擾電流為2i_CM，流過寄生電容C_p的電流為i_Cp，對節點J來說，有

從式（1.1）可以看出，隔離型變換器共模傳導干擾的傳遞路徑包括原邊電路到安全地的寄生電容，以及變壓器原副邊繞組間的分布電容（簡稱為變壓器的分布電容）[17]。

共模和差模傳導干擾產生的原因不同，其抑制方法也有區別。因此，將傳導EMI分離為共模和差模傳導干擾有利于診斷傳導EMI頻譜，選取傳導EMI抑制方法，設計EMI濾波器中共模和差模濾波元件。本書第2章的2.2節將介紹共模和差模傳導干擾的分離方法及相應的EMI濾波器設計流程，其余章節將分別介紹AC-DC整流器的傳導電磁干擾以及DC-DC變換器和DC-AC逆變器的共模傳導干擾。由于AC-AC變頻器應用較少，本書不討論其傳導電磁干擾。