馬達驅動為什麼要加濾波電感？PWM 開關頻率與電感選用的關係

在馬達驅動應用中，PWM 高速開關會產生豐富的高頻諧波，這些諧波如果直接進入馬達繞組，會造成額外的銅損、軸電壓問題，甚至EMI認證失敗。濾波電感就是在這個場景下保護馬達的關鍵元件。

PWM 諧波的頻譜特性

PWM 波形的頻譜包含：

• 基頻 = 開關頻率 f_sw（如 10kHz、20kHz）
• 各次諧波 = n × f_sw（n = 2, 3, 4…）
• 邊帶諧波 = f_sw 附近的邊帶（由脈衝寬度調製產生）

這些高頻諧波進入馬達繞組後，在 skin effect 和 proximity effect 作用下，造成額外的交流銅損（I²R_ac >> I²R_dc）。

濾波電感（Choke）的作用

將濾波電感串聯在馬達驅動線上，形成 Low-Pass Filter（LPF）：

f_cutoff = 1 / (2π√(L×C))

選擇 f_cutoff ≈ 0.1 × f_sw，讓 f_sw 以上的諧波被衰減（通常衰減 > 40dB/decade）。

電感選用原則

1. 電感值

根據馬達的線間電容（C_phase）和期望的截止頻率計算：L ≥ 1 / ( (2π × 0.1 × f_sw)² × C_phase )

一般馬達驅動常用 100μH~470μH 的共模或差模濾波電感。

2. 額定電流

額定電流必須高於馬達運行時的最大 RMS 電流，並預留 1.2 倍安全裕度。

3. 共模 vs 差模

• 差模電感：串聯在馬達三相線上，衰減差模紋波
• 共模電感：放在馬達外殼接地側，衰減軸電壓和 EMI

實務建議：TDK/EPCOS 马驅動推薦架構

典型馬達驅動濾波配置：

1. 馬達驅動器輸出 → 差模濾波電感（衰減開關紋波）
2. 差模電感 → 共模濾波器（抑制 EMI）
3. 馬達外殼接地 → 共模鐵芯（降低軸電壓）