變頻器電路的EMC方案設(shè)計(jì)

變頻技術(shù)的應(yīng)用非常廣，例如變頻空調(diào)、變頻熱泵、變頻地暖、變頻傳送帶等利用變頻器技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。雖然變頻技術(shù)的應(yīng)用非常廣，優(yōu)點(diǎn)也非常多，但是，對(duì)于變頻技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)還比較薄弱，特別是EMC電磁兼容、產(chǎn)品的可靠性，設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，都很難設(shè)計(jì)到國(guó)際先進(jìn)水平，特別是大功率以及超大功率變頻器。曾工長(zhǎng)期致力于電磁兼容技術(shù)，可以為大家提供專業(yè)的工業(yè)品電磁兼容技術(shù)支持，疑難雜癥解惑，問(wèn)題解決，可以為您提供一站式的檢測(cè)、整改、認(rèn)證，服務(wù)。

1、主回路吸收電路與di/dt & dIGBTv/dt抑制電路

整流電路在輸入側(cè)要接抗雷擊過(guò)電壓或操作過(guò)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(jiàn)圖1中R1、R2、R3 和C1、C2、C3。逆變器部分在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，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(dòng)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，如下圖所示，根據(jù)所用開(kāi)關(guān)器件和功率等級(jí)來(lái)選擇使用。

2、控制及驅(qū)動(dòng)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(lái)的問(wèn)題是控制電路板設(shè)計(jì)的小體積、高密度、高速信號(hào)布線，解決干擾問(wèn)題成為設(shè)計(jì)中的棘手問(wèn)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(wèn)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(duì)高頻輻射的感應(yīng)及波形在長(zhǎng)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(gè)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(shí)鐘和周期信號(hào)走線設(shè)定不當(dāng);

● PCB分層排列及信號(hào)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(duì)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(gè)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(shí)考慮如下條件: PCB尺寸大小(過(guò)大、過(guò)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(shí)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(dòng)開(kāi)關(guān)放在方便調(diào)節(jié)的地方;預(yù)留足夠的固定孔位。下圖提供了兩種布局方案供參考。

兩種參考布局圖

在整個(gè)PCB中，布線過(guò)程限定最高、技巧最細(xì)、工作量最大，布線不當(dāng)會(huì)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(hào)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(duì)公共耦合阻抗不太敏感，且提供了屏蔽。下圖給出四層板布線示意圖。

3)旁路和去耦

旁路和去耦可防止能量從一個(gè)電路傳到另一個(gè)電路，近而提高配電系統(tǒng)的質(zhì)量。通過(guò)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(guò)增加旁路電容產(chǎn)生AC通路來(lái)消除無(wú)意義能量進(jìn)入敏感部分，另外還可以提供帶寬受限濾波。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(duì)電路進(jìn)行劃分的一個(gè)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(wèn)題。設(shè)計(jì)變頻器時(shí)，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(duì)PCB系統(tǒng)分區(qū)時(shí)，使高帶寬的噪聲電路與低頻電路分開(kāi);

●設(shè)計(jì)PCB時(shí)，使干擾電流不通過(guò)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)移阻抗最小;

●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(hào)地、模擬信號(hào)地來(lái)考慮。安全地采用黃綠相間標(biāo)識(shí)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(hào)地是一個(gè)低阻抗的路徑，信號(hào)電流經(jīng)此路徑返回其源。對(duì)于變頻器系統(tǒng)中所應(yīng)用的高速數(shù)字信號(hào)電路，優(yōu)先采用多點(diǎn)接地(即多個(gè)低阻抗路徑并聯(lián))，目的在于建立一個(gè)統(tǒng)一電位共模參考系統(tǒng)。

C點(diǎn)電位：

V=I3R3+(I2+I3)R2+(I1+I2+I3)R1

可見(jiàn)串聯(lián)接地容易引起干擾。對(duì)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(gè)參考點(diǎn)相連，圖6有需要整改的朋友可以聯(lián)系我們：https://docs.qq.com/doc/DVGtUWm1nZE94UFhS給出了正確與錯(cuò)誤單點(diǎn)接地方式對(duì)照)可防止來(lái)自其它噪聲元件(如數(shù)字邏輯器件、電源、繼電器、電動(dòng)機(jī))的大接地電流爭(zhēng)用敏感的模擬地線。同時(shí)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(dòng)帶來(lái)的影響;采用鐵氧體墊片來(lái)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(shí)的諧振問(wèn)題，在每個(gè)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)_

各子系統(tǒng)，各電路回路，分級(jí)進(jìn)行濾波退耦處理。保證信號(hào)回流最短路徑，且為回路到信號(hào)源端。

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(kāi)關(guān)電源來(lái)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(kāi)關(guān)管、二極管、變壓器等帶來(lái)的大di/dt干擾問(wèn)題值得慎重考慮。變頻器系統(tǒng)開(kāi)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。

直接從直流母線取電開(kāi)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)考慮如上圖所示，圖中的高頻電容C1用來(lái)吸收高頻脈沖，二極管D2用來(lái)抑制線路寄生電感與電容C1振蕩。

220V獨(dú)立供電開(kāi)關(guān)電源抗干擾設(shè)計(jì)

第二種方法的抗干擾設(shè)計(jì)考慮如上圖所示，圖中在交流輸入通道上設(shè)計(jì)線路濾波器對(duì)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(duì)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(lái)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(duì)共模電流起旁路作用，但電容值不能過(guò)大，否則會(huì)超過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)漏電流的限制要求，一般在4700PF以下。

審核編輯：湯梓紅