變頻器中電路的EMC方案設(shè)計(jì)

1 主回路吸收電路與di/dt抑制電路
整流電路在輸入側(cè)要接抗雷擊過電壓或操作過電壓吸收電路，這種吸收電路由星形連接的高頻、高壓電容器（如470p/2Kv）和壓敏電阻(如20k/1Kv)組成，具體電路見圖1中R1、R2、R3 和C1、C2、C3。逆變器部分在高頻開關(guān)狀態(tài)時，產(chǎn)生電壓尖脈沖，如果不加以處理將損壞IGBT模塊、干擾驅(qū)動電路。采用吸收電路可以抑制電壓尖脈沖，當(dāng)前變頻器中常用的吸收電路有三種形式，如圖2 所示，根據(jù)所用開關(guān)器件和功率等級來選擇使用。

圖2? IGBT常用吸收電路

2 控制及驅(qū)動電路的電路板EMC設(shè)計(jì)
? 現(xiàn)代通用變頻器的控制電路均已微處理器為核心的數(shù)字電路。性能完善、功能豐富、集成度高、運(yùn)算速度高、體積緊湊。帶來的問題是控制電路板設(shè)計(jì)的小體積、高密度、高速信號布線，解決干擾問題成為設(shè)計(jì)中的棘手問題，下面給出變頻器用電路板EMC設(shè)計(jì)實(shí)踐中的若干措施。
1)印制板（PCB）上存在的電磁干擾及產(chǎn)生原因
電磁干擾可分為兩類：內(nèi)部干擾和外部干擾。PCB上的電磁兼容問題有: 公共阻抗的耦合、線間串?dāng)_、高頻載流導(dǎo)線的電磁輻射、印刷線路板對高頻輻射的感應(yīng)及波形在長線傳輸中的畸變等。導(dǎo)致變頻器電氣電路電磁干擾產(chǎn)生原因主要有以下幾個方面：
● 封裝措施的不當(dāng)使用（金屬與塑料封裝）；
● 完成質(zhì)量不高，電纜與接頭的接地不良；
● 時鐘和周期信號走線設(shè)定不當(dāng)；
● PCB分層排列及信號布線層的設(shè)置不當(dāng)；
● 共模與差模濾波設(shè)計(jì)不當(dāng)；
● 接地環(huán)路處置不當(dāng)；
● 旁路和去耦不足；
2)布局與布線
在小功率的變頻器中，主要采用PCB板完成電路元件和器件的支撐以及電器連接。PCB設(shè)計(jì)的好壞對系統(tǒng)抗干擾能力影響很大。其中布局作為布線前的準(zhǔn)備工作，是一個重要的環(huán)節(jié)，結(jié)果的好壞將直接影響布線效果。
布局時考慮如下條件: PCB尺寸大小（過大、過小均存在缺點(diǎn)）、特殊元件位置、電路功能單元安排；在確定特殊元件的位置時應(yīng)遵循以下原則：盡可能縮短高頻元器件之間的連線；加大存在較高電位差的元件或?qū)Ь€之間的距離；重量大、發(fā)熱多的元器件盡量不要安裝在PCB上；電位器、可調(diào)線圈、微動開關(guān)放在方便調(diào)節(jié)的地方；預(yù)留足夠的固定孔位。下圖3提供了兩種布局方案供參考。

?a)縮短高頻走線布局圖??? b)數(shù)字與模擬電路分開線布局圖
圖3 兩種參考布局圖
在整個PCB中，布線過程限定最高、技巧最細(xì)、工作量最大，布線不當(dāng)會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。以變頻器控制電路為例，布線中應(yīng)遵循如下基本原則：電路板盡量采用四層板；印制導(dǎo)線的布設(shè)應(yīng)盡可能短，拐彎成圓角；印制導(dǎo)線寬度最小不宜小于0.2mm,間距一般可取0.3mm,公共地線應(yīng)盡可能的粗；布線順序應(yīng)遵循先布高頻線（如PWM 信號線）、干擾線（如晶振走線）, 后布普通線；數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)盡可能隔離，并且數(shù)字地與模擬地要分離；多層線路板的電源和地線是由不蝕刻的銅箔板形成,這種大的接地平面形成了極低的電源阻抗。因此多層板的優(yōu)點(diǎn)在于對公共耦合阻抗不太敏感，且提供了屏蔽。下圖4給出四層板布線示意圖。

圖 4 四層板布線實(shí)例

3)旁路和去耦
旁路和去耦可防止能量從一個電路傳到另一個電路，近而提高配電系統(tǒng)的質(zhì)量。通過合理布置去耦電容可以為器件提供局部化的DC電源，減少跨板浪涌電流以及進(jìn)入到電路板的高頻能量。通過增加旁路電容產(chǎn)生AC通路來消除無意義能量進(jìn)入敏感部分，另外還可以提供帶寬受限濾波。

?? 圖5? 去耦電容模型及安裝圖

上圖5 a)給出了去耦電容的實(shí)際等效電路，b)給出了正確安裝方法（右圖）和錯誤安裝方法（左圖）的對照。可以得知，去耦電容引線盡可能短才能減小寄生參數(shù)、達(dá)到很好的去耦效果。
4)PCB接地
接地是使不希望的噪聲干擾極小化并對電路進(jìn)行劃分的一個重要方法。適當(dāng)應(yīng)用PCB的接地方法及電纜屏蔽將避免許多噪聲問題。設(shè)計(jì)變頻器時，在設(shè)計(jì)期間考慮接地是最經(jīng)濟(jì)的，不僅從PCB，而且能從系統(tǒng)的角度防止輻射和進(jìn)行敏感度防護(hù)，具體考慮如下幾方面：
●對PCB系統(tǒng)分區(qū)時，使高帶寬的噪聲電路與低頻電路分開；
●設(shè)計(jì)PCB時，使干擾電流不通過公共的接地回路影響其它電路；
●仔細(xì)選擇接地點(diǎn)以使環(huán)路電流、接地阻抗及電路的轉(zhuǎn)移阻抗最??；
●把非常敏感（低噪聲容限）的電路連接到穩(wěn)定的接地參考源上；
變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，按照安全地、數(shù)字信號地、模擬信號地來考慮。安全地采用黃綠相間標(biāo)識的銅線或銅排將變頻器內(nèi)的導(dǎo)電部分連接到接地端子，主要防止故障情況下系統(tǒng)帶電威脅人體安全。信號地是一個低阻抗的路徑，信號電流經(jīng)此路徑返回其源。對于變頻器系統(tǒng)中所應(yīng)用的高速數(shù)字信號電路，優(yōu)先采用多點(diǎn)接地（即多個低阻抗路徑并聯(lián)），目的在于建立一個統(tǒng)一電位共模參考系統(tǒng)。

圖6? 單點(diǎn)接地對照圖

C點(diǎn)電位：
V=I3R3+(I2+I3)R2+(I1+I2+I3)R1
可見串聯(lián)接地容易引起干擾。對于模擬電路，具有工作與低頻狀態(tài)、靈敏度高的特點(diǎn)，采用單點(diǎn)接地（即接地路線與單獨(dú)一個參考點(diǎn)相連，圖6給出了正確與錯誤單點(diǎn)接地方式對照）可防止來自其它噪聲元件（如數(shù)字邏輯器件、電源、繼電器、電動機(jī)）的大接地電流爭用敏感的模擬地線。同時系統(tǒng)采用光耦將數(shù)字地與模擬地隔離，抑制地點(diǎn)平擺動帶來的影響；采用鐵氧體墊片來防止寄生電容形成接地環(huán)路。在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)注意采用多點(diǎn)接地時的諧振問題，在每個電源與接地之間的地連接中應(yīng)使用高質(zhì)量的去耦電容。
5)抗串?dāng)_
串?dāng)_是指走線、導(dǎo)線、電纜束、元件及任意其它易受電磁場干擾的電子元件之間的不希望有的電磁耦合，是由網(wǎng)絡(luò)中的電壓和電流產(chǎn)生的。對于控制板上的數(shù)據(jù)線、地址線、控制線、和I/O都會受到串?dāng)_的影響，大多數(shù)問題來自時鐘和周期信號。通過增加走線間距離（必須是單一走線寬度的三倍），可使走線間的耦合最小，這一原則主要針對產(chǎn)生影響的高干擾信號。

.3 電源電路設(shè)計(jì)中抗干擾措施
當(dāng)前變頻器電源大多采用開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)，具有體積小、工作電壓范圍寬、功率密度大、損耗小、帶載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但是采用高頻開關(guān)管、二極管、變壓器等帶來的大di/dt干擾問題值得慎重考慮。變頻器系統(tǒng)開關(guān)電源輸入側(cè)取電的方法目前有兩種：一種是直接從直流母線上取；另一種是采用獨(dú)立的220v整流電源提供，兩種方法各有其優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用范圍。

? 圖7? 直接從直流母線取電開關(guān)電源抗干擾設(shè)計(jì)示意圖

第一種方法的抗干擾設(shè)計(jì)考慮如圖7所示，圖中的高頻電容C1用來吸收高頻脈沖，二極管D2用來抑制線路寄生電感與電容C1振蕩。

圖8? 220V獨(dú)立供電開關(guān)電源抗干擾設(shè)計(jì)示

第二種方法的抗干擾設(shè)計(jì)考慮如圖8所示，圖中在交流輸入通道上設(shè)計(jì)線路濾波器對系統(tǒng)抗干擾具有很好的作用。其中CX為差模濾波電容（又稱X電容）跨接在輸入端之間，對差模電流起旁路作用,容值一般為0.1—1uF. LY為共模電感，用來抑制共模干擾電流。CY為共模電容（又稱Y電容），跨接在線路與機(jī)殼之間，對共模電流起旁路作用，但電容值不能過大，否則會超過安全標(biāo)準(zhǔn)中對漏電流的限制要求，一般在10000PF以下。