IGBT模块的EMC设计

－第10章－IGBT模块的电磁兼容性设计10-1目录页码１电机驱动系统的电磁兼容性概述･･････････････････････････10-1２电机驱动系统的EMI设计･･････････････････････････10-4３IGBT模块应用的EMI应对措施･･････････････････････････10-11本章中对IGBT模块的特性评价方法和电压、电流的测量方法进行说明。１电机驱动系统的电磁兼容性概述近年来，对于使用IGBT模块的变频器、UPS等电力电子设备来说，满足欧州CE标识及日本VCCI（信息技术设备自发控制理事会）标准的EMC措施，已经变得不可或缺。EMC（ElectricMagneticCompatibility,电磁兼容）可分为EMI（ElectricMagneticInterference,电磁干扰）和EMS（ElectricMagneticSusceptibility,电磁抗干扰）。EMI是电子装置对周围设备所产生的负面影响，亦称为干扰。共有两种形式的EMI，一种是传导干扰，主要影响电源线；另一种是辐射干扰，以电磁波的形式发射出来。EMS即电子装置对周围环境中电磁波、静电释放、雷电冲击波等的抗干扰性，也称为电磁抗干扰性。如图10-1所示，由于IGBT模块在500ns的时间内快速开通及关断数百伏/安的电压和电流，很容易产生传导干扰及辐射干扰。对IGBT模块的应用进行设计时，降低这些干扰尤为重要。本章中，考虑到IGBT模块的应用（EMI特性）对于系统其它装置的影响，针对该影响及其应对措施进行相关介绍。图10-1EMC的分类传导干扰辐射干扰电磁波瞬间停电･电压跌落静电释放（ESD）电气快速瞬变/突发雷电冲击波EMIEMSEMC第10章IGBT模块的电磁兼容性设计10-21.1EMI特性IGBT模块广泛应用于空调、冰箱等家用电器、汽车及牵引系统等工业领域。这里主要介绍一下关于电机调速通用变频器的规格要求。（1）传导干扰IEC61800-3标准对电机驱动系统PDS（PowerDriveSystem）的传导发射限值（准峰值）Qp的规定如图10-2所示。该标准中的限值分为三类：C1类、C2类和C3类。C1类限值适用于商业环境中的设备，C2和C3类则适用于工业环境中的设备，而且工业变频器必须满足C3类限值。IEC61800-3、ConductedEmissions(周波数：0.15～30MHz（伝導ノイズ）)0204060801001200.1110100周波数[MHz]レベル[dBuV/m]CategoryC1CategoryC2CategoryC3C1:商業地域C2,C3:工業地域500kHz79100668673565MHz907060图10-2IEC61800-3标准的传导干扰限值频率传导干扰商业环境工业环境频率水平第10章IGBT模块的电磁兼容性设计10-3（2）辐射干扰各种类别的辐射干扰标准限值如图10-3所示。具体分类如图10-4所示。IEC61800-3、RadiatedEmissions(周波数：30M～1GHz（放射ノイズ）,3m法)01020304050607080101001000周波数[MHz]レベル[dBuV/m]CategoryC1CategoryC2CategoryC3C1:商業地域C2,C3:工業地域230MHz506040705747图10-3IEC61800-3标准的辐射干扰限值INVINVINV需要家A需要家B需要家C高圧低圧FirstEnvironmentSecondEnvironmentUnrestrictedDistributionRestrictedDistribution(低圧系統に中間変圧器を通して接続)(FirstEnv.以外)(汎用)(EMC対策できる使用者向け)カテゴリＣ１カテゴリＣ２カテゴリＣ３图10-4IEC61800-3的分类高压线低压线C1类C3类(通用)(面向可实施EMC对策的使用人员)(通过变压器与高压系统相连)消费者A有限制配电（通用）消费者B无限值配电（适用于能应对EMC的用户）消费者C第一环境第二环境（除第一环境以外）C2类C1类频率辐射干扰商业环境工业环境水平频率第10章IGBT模块的电磁兼容性设计10-4２变频器的EMI设计2.1共模噪声及差模噪声传导干扰的传播途径主要分为2类，即共模传播和差模传播。差模噪声源于IGBT关断所产生的高频电压及高频电流，通过主电路传播，并在交流输入及输出端表现为噪声。差模噪声的传播途径如图10-5所示。图10-5差模噪声的传播途径另一方面，共模噪声则源于主电路与地面之间及变压器内寄生电容的充电及放电所产生的对地电势波动，该噪声电流通过接地线传播。共模噪声的传播途径如图10-6所示。图10-6共模噪声的传播途径在实际装置中，其各相（如R/S/T相）的线路内均存在不对称阻抗，因此差模噪声可通过接地线转化为共模噪声（如图10-7），而另一方面，共模噪声也可变为差模噪声。因此，在实际的噪声频谱中，很难对通过差模途径和共模途径进行传播的噪声进行区分。一般情况下，应尽力防止相间线路产生阻抗不对称。图10-7差模噪声与共模噪声的转化Ｍモータインバータ本体負荷Ｍモータインバータ本体負荷ノルマルモードノイズコモンモードへ変換されたノイズ電位差配線等のインピーダンスA相B相浮遊容量アースライン电压差接地线差模噪声转化为共模噪声逆变器电机负载逆变器电机负载浮动电容线路阻抗等负载第10章IGBT模块的电磁兼容性设计10-52.2变频器中的EMI噪声应对措施变频器的常用噪声应对措施如图10-8所示。可通过安装商用噪声滤波器和电抗器等部件对变频器中的噪声（主要为谐波电流及传导干扰）进行控制。这些部件的效果如下：①共模电抗器共模电抗器安装于输入/输出线路中，对高达几MHz噪声的抑制效果较好。②雷电冲击波保护装置（避雷器）安装该装置后，可保护变频器免受通过输入电源线传入的共模及差模雷电冲击波。③输入滤波器该滤波器由L（电感）、C（电容）和R（电阻）三部分组成可抑制噪声流入至输入电源线。具有各种不同噪声衰减特性的产品在市场上均有销售，应根据规格和应用目的进行选择。由于安装方法不当可能会影响到噪声衰减效果，故应按照产品的说明手册进行配线及安装。④输出滤波器输出滤波器用于控制电机上的浪涌电压及输出线所产生的噪声。图10-8PDS噪声抑制措施上述滤波器安装于变频器的外部，对100kHz至几MHz噪声的控制效果极佳，但对更高频率的噪声（10MHz及更高频率的传导干扰或者30MHz及更高频率的辐射干扰）几乎没有抑制效果，或效果较差。这是因为滤波器的频率特性有限。为了对各种频率的噪声辐射进行抑制，需要安装各种优化的滤波器，以抑制各种频率的噪声。10MHz～50MHz附近产生的噪音，原因之一是变频器内IGBT模块的寄生电感和电容在开关状态发生谐振引起的。以下将对IGBT周围产生噪音的原因和对策进行说明。モータインバータ本体ＭＭ①零相リアクトル③入力フィルタ④出力フィルタ①零相リアクトル②アレスタ共模电抗器避雷器输入滤波器输出滤波器共模电抗器PDS电机第10章IGBT模块的电磁兼容性设计10-62.3模块特性产生辐射的发生机理图10-9为常用电机驱动系统的方框图。图中的交流电源通过整流二极管变换为直流电源，然后通过逆变器部分的IGBT模块高频变换回交流电源，因而可实现电机的变速驱动。IGBT模块及整流二极管安装于同一散热器上。该散热器有时作为变频器的一部分，通常接地以确保安全。图10-9变频器系统实例在该系统中，IGBT模块的金属底板安装在散热器上，通过一块高导热性的绝缘基板将电路（如IGBT芯片）与散热器进行绝缘。（该模块内部的详细结构，请参考第１章。）此外，缓冲电容与逆变器中的IGBT模块直接相连，可抑制浪涌电压。但是，频率达到MHz级时，电路中未标出的寄生电感及寄生电容可能会产生较大的辐射干扰及传导干扰。图10-10为几百kHz至几十MHz的高频领域的变频器系统示意图。在高频情况下，IGBT模块内的寄生电容及电感会产生较大的影响。在IGBT模块附近的线路上，可能存在几十至几百nH的寄生电感,绝缘基板上存在数百pF的寄生电容。而且，IGBT自身的PN结也存在结电容。图10-10考虑寄生电感、电容时的等效电路冷却フィン冷却フィンモータインバータコンバータ絶縁基板インバータ本体負荷ＭＭスナバ变频器散热器负载电机整流器绝缘基板散热器缓冲电容逆变器第10章IGBT模块的电磁兼容性设计10-7例如，假设线路的寄生电感为200nH，基板的寄生电容为500pF，寄生电感和电容构成一个环路，则环路的谐振频率fo计算公式如下，图10-11寄生电感和寄生电容间的谐振现象若IGBT开通/关断时回路中有16MHz的谐振电流，则会产生传导干扰及辐射干扰噪声。上图中频率为16MHz的共模噪声电流通过IGBT模块的绝缘基板流至接地线，然后传播至输入电源线，并表现为传导干扰的峰值。若谐振频率达30MHz或更高，则会表现为辐射干扰。电路各部件的寄生电容和电感如表10-1所示。表10-1主电路部件的寄生电感和电容电路部分寄生电容寄生电感备注IGBT模块P极与N极间－20～40nHIGBT芯片100～200pF－取决于模块电压等级缓冲电容20～40nH绝缘基板500～1,000pF－电解电容100pF－内部电极与金属带之间铁芯电抗器50～200pF－频率为数MHz或更高时，电抗器特性会转化为电容特性压敏电阻100～200pF－耐压越高，寄生电容越低电机13,000pF－以3相15kW感应电动机为例４芯屏蔽线几百pF几百nH～几µH每米直流母排－几百nH每10㎝约为100nH在实际的系统中，这些部件的连接非常复杂，可能会形成LC谐振。由于IGBT的开关，在LC电路中会产生谐振电流，产生传导干扰和辐射干扰的峰值。iL(200nH)C(500pF)16MHz16MHz500pF200nH21LC21≒ππfo第10章IGBT模块的电磁兼容性设计10-8容易产生传导干扰和辐射干扰峰值的谐振环路如表10-2和图10-12所示。表10-2变频器的谐振频率和谐振环路频率传导干扰/辐射干扰共模/差模传播途径①1～4MHz传导干扰共模电机电容～线路电感②5～8MHz传导干扰共模DCB基板电容及线路电感③10～20MHz传导干扰共模DCB基板电容及线路电感④30～40MHz辐射干扰差模母线电容～缓冲电容图10-12表10-2中的谐振环路示例线路长度（电感）及寄生电容随系统配置不同而变化，但是可通过对系统中内部寄生L及C值的粗略计算，可以对谐振频率进行大致的推算。①②③④第10章IGBT模块的电磁兼容性设计10-92.4IGBT模块特性所影响的频帯如前所述，通用变频器等电机驱动系统传导噪声的频率为150kHz～30MHz。变频器噪声的传导干扰测量值如图10-13所示。从该图中可以看出，传导干扰在频率为150kHz时达到最高值，且随着频率的升高，噪声的衰减幅度变大。在传导干扰的频谱中，PWM矩形开关波形的噪声源出现在开关频率（几kHz～20kHz范围内）的高次谐波上，所以几乎不会对IGBT模块自身的开关特性产生影响。这是因为IGBT模块开关过程中电压上升和下降时间约为50～200ns，相当于2～6MHz的频率。在小于该频率的频带内，传导干扰的频谱与IGBT模块的电压上升和下降时间无关。图10-13通用变频器的传导干扰图10-14IGBT的电压波形及频谱ｆＶ-20dB/dec-40dB/decｔＴｔｒtr2π１＝fTfπ２＝1２Tｽｲｯﾁﾝｸﾞ周期(ｷｬﾘｱ周波数)立上り時間(dV/dt)ﾃﾞﾊﾞｲｽの違いやRG値の違いtr=50nsとすると、f2=6MHzT=100us(10kHz)とすると、f2=6kHz4060801001200.1110100周波数[MHz]ConductedEmission[dBuV]IEC61800-3（CategoryC3）频率开关周期(开关频率)上升