变频冰箱引起GFCI跳闸的原因分析和解决方案

变频冰箱的压缩机驱动电源采用变频电路，以提升冰箱性能，具有制冷速度快、温度自动调节范围小、耗能节省、低频启动和运行噪音小等优点。而变频电路会产生很强的电磁干扰杂讯，变频冰箱需要施加许多措施来抑制干扰杂讯，以满足市场的EMC认证要求。同时还可能与用户环境的其他设备设施存在其他兼容性问题，需要引起重视，比如用户家中安装了带GFCI功能的插座，当变频冰箱通过这种插座供电工作时，有可能会出现因非工频泄漏电流引起GFCI跳闸的问题。

本文将以某款变频冰箱在北美市场用户家里引起GFCI跳闸的事件为例，分析其原因并提出解决方案。

GFCI是Ground Fault Circuit Interrupters的缩写，即接地故障电路中断器，用于防止人员受到电击伤害，北美市场许多用户家中安装了GFCI插座，GFCI的北美参考标准是UL 943 ^[1]，该标准规定GFCI的工频泄漏电流跳闸电平为4～6mA，一般设计在5mA，图1是插座式GFCI的实物图片和电路原理简图，GFCI工作原理是检测GFCI插座上的用电产品（比如：冰箱）的工频（50/60Hz）泄漏电流，即检测出L、N两根线上电流的差值，相当于检测出电源接地线上的泄漏电流，当泄漏电流超过设定的阈值时，它的内部机构会跳脱而中断给用电产品的供电。

图1 插座式GFCI的实物图片和电路原理简图

该案例中的变频冰箱在设计时已经控制工频泄漏电流小于1mA，并有测试确认工频泄漏电流为0.8mA，远小于GFCI限值5mA，即引起GFCI跳闸的原因不是冰箱的工频泄漏电流，需要分析真正的原因。

经过反复观察确认只是在压缩机启动时GFCI才跳闸，引起GFCI跳闸应该与变频电路的工作有关系。那么是否是变频电路产生的电磁杂讯干扰了GFCI而引起GFCI误动作？还是变频电路产生的高频共模电流形成泄漏电流而触发了GFCI跳闸？

通过一个试验来鉴别：参看图1的GFCI的电路原理简图，将冰箱接在GFCI的LINE侧，这样使得冰箱的工作电流不被GFCI检测到，但是冰箱产生的电磁干扰同样能够进入到GFCI的控制电路。再看看GFCI是否还会跳闸？如果还会跳闸就表明是GFCI受到了冰箱的电磁干扰。

进行试验的结果是GFCI不再跳闸，表明GFCI是因为变频电路产生的高频共模电流形成泄漏电流而触发了GFCI跳闸，做下面几项试验进行验证：

（1）测量GFCI对高频（这里的高频是指kHz量级，即变频电路的载波和谐波频率）泄漏电流的跳闸电平。

（2）测量引起GFCI跳闸的冰箱的总泄漏电流并进行FFT频谱分析，看看其中的高频泄漏电流是否有足够幅值，能够引起GFCI跳闸。

2.1 对冰箱泄漏电流进行频谱分析

测量冰箱总泄漏电流并进行FFT分析其所包含的频谱，进一步明确引起GFCI跳闸的主要频谱分量。

用示波器和电流探头测量引起GFCI跳闸的冰箱的接地线上的电流，见图2，示波器曲线说明：洋红曲线表示火线电流，绿色曲线表示接地线总泄漏电流，橙色曲线表示接地线总泄漏电流的FFT频谱。

图2 冰箱泄漏电流频谱分析

从图2中可以看到，接地线总泄漏电流的均方根（rms）值为16.3mA，从FFT频谱图可以读出：工频电流50Hz仅为0.8mA，相对很小，主要频谱分量是高频电流，各主要分量是：4.5kHz为9.8mA、9kHz为8.5mA、13.5kHz为9.6mA……了解冰箱各工作电路，可以知道4.5kHz、9kHz、13.5kHz是变频电路载波的基波（4.5kHz）及谐波。

根据总泄漏电流FFT频谱分析数据，说明冰箱的工频泄漏电流远小于GFCI跳闸的工频电流电平，很可能是变频电路产生的高频泄漏电流引起了GFCI跳闸，下面进一步证明。

2.2 测量GFCI对高频泄漏电流的跳闸电平

需要知道GFCI对高频泄漏电流的跳闸电平，询问了几家GFCI厂家，都没有GFCI高频泄漏电流的跳闸电平的相关数据，也没有相关的测量设备。

利用公司现有设备，自己设计搭建测试治具，见图3，使用信号发生器输出某一频率和幅度的正弦波，注入到GFCI的LINE HOT和LOAD HOT之间，同时GFCI需要供电115V工作，用电流探头和示波器读出GFCI跳闸时的注入信号的电流均方根值（rms）。

图3 测量GFCI跳闸的高频泄漏电流电平的测试治具

收集到4个品牌8个型号共18个GFCI样品，4个品牌是LEVITON、LEGRAND、EATON、COOPER，8个型号是LEVITON GFTR1-3W、LEVITON GFNT2-3W、LEGRAND 1597W3PKCC4、EATON TRSGF15、EATON SGF15W-3、COOPER型号不明（15A）、EATON型号不明（20A）、EATON 型号不明（15A）

采用图3的测试治具测量了各品牌型号GFCI高频泄漏电流的跳闸电平，图4是各品牌型号GFCI高频泄漏电流的跳闸电平曲线图。

图4 各品牌型号GFCI高频漏电流的跳闸电平曲线图

可以看到所有GFCI对高频泄漏电流都会有一定的敏感度，不过敏感度有较大的差异：

（1）LEVITON品牌的2个型号GFTR1-3W、GFNT2-3W对高频泄漏电流最敏感，4.5kHz的跳闸电平是7.45mA、7.46mA，随频率较平缓的线性上升，即变频电路载波频率的基波（4.5kHz）和前几次谐波对这两个型号GFCI的跳闸会起到较大的贡献。这2个型号正是本案例在北美市场用户家里跳闸的GFCI中出现的主要型号。

（2）LEGRAND品牌的型号1597W3PKCC4对高频泄漏电流最不敏感，4.5kHz的跳闸电平15.9mA，触发电平整体较高，不容易受到变频电路载波及谐波频率泄漏电流的触发。本案例在北美市场用户家里跳闸的GFCI中没有出现这个型号。

（3）EATON和COOPER品牌的几个型号的敏感性居中，4.5kHz的跳闸电平9.205mA～10.96mA，在13.5kHz开始随频率快速上升，即变频电路载波频率的3次谐波开始就不会对这些型号GFCI的跳闸起到大的贡献。这里面有2个型号是本案例在北美市场用户家里跳闸的GFCI中出现的次要型号。

2.3 冰箱泄漏电流频谱数据与GFCI高频泄漏电流跳闸电平的比较分析

观察章节2.1的冰箱泄漏电流FFT频谱数据和章节2.2的各品牌型号GFCI高频泄漏电流跳闸电平曲线图，比较冰箱泄漏电流在4.5kHz的频谱分量（用A表示）与各GFCI型号在4.5kHz的泄漏电流跳闸电平（用B表示），有如下结论：

（1）LEVITON品牌的2个型号GFTR1-3W、GFNT2-3W，A大大超过B，应可以引起跳闸；

（2）EATON品牌的3个型号EATON TRSGF15、EATON SGF15W-3、EATON型号不明（20A），A与B相接近，可能引起跳闸，也可能不引起跳闸；

（3）其他几个型号GFCI，A远小于B，不会引起跳闸。

进行试验，将冰箱连接到各型号GFCI供电，观察到引起GFCI跳闸的实际情况与上面分析的结果相符。上面的分析和试验结果说明确实是变频冰箱的高频泄漏电流引起GFCI跳闸。

3.1 高频泄漏电流形成机理分析

由上面分析可知，是冰箱变频电路工作引起的高频泄漏电流触发了GFCI跳闸，不同的GFCI的高频泄漏电流跳闸电平不同。

那么变频电路的高频共模电压是怎样形成高频泄漏电流的呢？

根据之前整改冰箱的EMI的经验知道，有两个主要因素：

（1）通过箱体内部压缩机驱动线（UVW）与电源LN之间容性耦合，高频共模电流进入电源线。

（2）通过压缩机定子与外壳之间的分布电容，高频共模电流进入冰箱底盘即地线，而进入电源线。

3.1.1 通过UVW与电源线LN之间的容性耦合，高频共模电流进入电源线

冰箱的变频板电控盒放在冰箱顶部，压缩机安装在冰箱底部的压缩机舱，电源线从冰箱底部进线，在箱体内从下往上走到冰箱顶部的变频板电控盒连接变频板，另外压缩机驱动线（UVW）从冰箱顶部的变频板在箱体内从上往下走到压缩机舱连接压缩机，这样电源线和UVW就在冰箱箱体隔热层内并行，因生产效率考虑，并未将电源线和UVW特别分开，而是捆扎在一起，这样电源线和UVW之间就会有较大的分布电容。

大家知道，UVW线上有变频电路产生的具有高dv/dt特性的共模电压，这样UVW线上的共模电压，会通过电源线和UVW之间的分布电容耦合到在PCB板上已经滤波的电源线上，形成高频共模电流，电源线上的高频共模电流会经过GFCI，形成高频泄漏电流，见图5紫色粗虚线箭头所示的高频共模电流路径。

容性耦合的原理性公式为I=C*dv/dt，I是UVW线耦合到电源线上的高频共模电流，C是UVW线与电源线之间的分布电容，dv/dt是UVW线上的共模电压的电压变化率。

图5中紫色粗虚线箭头是表示高频共模电流的一条路径：UVW线上高频共模电压耦合到电源线上，形成共模电流，流经电源线端口的GFCI，经过电网中的各种设备的Y电容流回到PE地线，再通过PCB板的Y电容地线回到变频电路干扰源，此路径即形成了高频泄漏电流。

图5 UVW线与电源线靠近并行时高频共模电流路径示意图

图5中蓝色粗实线箭头是表示高频共模电流的另一条路径：UVW线上高频共模电流经过压缩机定子绕组与压缩机外壳之间的分布电容，再通过PCB板的Y电容地线回到变频电路干扰源，此路径的高频共模电流在冰箱内部流动，没有形成高频泄漏电流。

3.1.2 通过压缩机分布电容，高频共模电流进入冰箱底盘，进而进入电源线

通过实验测量，将UVW与电源线分开走线，可以显著减小高频泄漏电流。

由于PCB板上的共模电感的感量不够大，对变频电路载波（4.5kHz）及低次谐波（9kHz、13.5kHz……）干扰信号的阻抗不够大，以及PCB板上的Y电容因连接线太长而致阻抗不够小，仍有较大的高频共模电流流经共模电感传导到电源线，而流过GFCI，形成较大的高频泄漏电流，仍会有一定概率触发GFCI跳闸，见图6紫色粗虚线箭头所示的高频共模电流路径。

图6 分开箱体内UVW线与电源线的走线后高频共模电流路径示意图

图6中紫色粗虚线箭头是表示高频共模电流的一条路径：UVW线上共模干扰电流经过压缩机定子绕组与压缩机外壳之间的分布电容，流到压缩机外壳和冰箱底盘，而流经电源线端口的GFCI，经过电网中的各种设备的Y电容流回到箱体内电源线，再通过电控盒PCB板的共模电感回到逆变电路干扰源，此路径即形成了高频泄漏电流。

图6中蓝色粗实线箭头是表示高频共模电流的另一条路径，描述同图5，此路径没有形成高频泄漏电流。

3.2 整改对策

从上面的分析看，解决的办法需要从两方面入手：

（1）在箱体内将UVW线与电源线尽量分开走线，可显著减小高频泄漏电流；

（2）在压机舱电源线上施加滤波器，继续减小高频泄漏电流。

图7是同时施加上述两项措施后的高频共模电流路径示意图。图7中紫色粗虚线箭头是表示高频共模电流的一条路径：UVW线上共模电流经过压缩机定子绕组与压缩机外壳之间的分布电容，流到压缩机外壳和冰箱底盘，之后流经压机舱电源线端口的滤波器Y电容，流到箱体内电源线，再通过电控盒PCB板的共模电感回到变频电路干扰源。这样高频共模电流未流出冰箱电源线，未形成高频泄漏电流，或只有很小一部分流出冰箱电源线形成泄漏电流，而大大减小高频泄漏电流。

图7 在压缩机舱电源线上施加滤波器时高频共模电流路径示意图

图7中蓝色粗实线箭头是表示高频共模电流的另一条路径，描述同图5，此路径没有形成高频泄漏电流。

3.3 效果验证

将上面两项措施都施加到冰箱上去后，测量总泄漏电流。图8是整改后的冰箱测量的接地线总泄漏电流，均方根值为7.73mA，参看章节2.1，可看到整改后总泄漏电流大大地降低了。

图8 整改后的冰箱测量的接地线总泄漏电流及FFT分析

从FFT频谱图可以读出：

（1）工频电流50Hz为1.136mA，由于增加了滤波器，工频泄漏电流比整改前会略有增加，但仍在可以接受的范围内。

（2）变频电路载波的基波及谐波各频率泄漏电流分别是：4.5kHz为0.95mA、9kHz为3.14mA、13.5kHz为3.85mA……参看章节2.1，可以看到，整改后大大地降低了高频泄漏电流。

进行试验：整改后冰箱连接多个型号的GFCI，经过长时间运行，未出现GFCI跳闸现象，客户也未再反映GFCI跳闸问题，说明整改措施是有效的，解决了GFCI跳闸问题。

本文就某款变频冰箱因非工频泄漏电流引起GFCI跳闸的原因进行了分析，证明GFCI本身对高频泄漏电流也具有一定的敏感性，而变频冰箱中变频电路会产生一定幅值的高频泄漏电流，能够引起对高频泄漏电流比较敏感的GFCI跳闸；分析了产生高频泄漏电流的机理，给出了解决方案，并验证了措施的有效性。

该方案还有一点不足，就是还不确定究竟需要将总泄漏电流（包括工频和高频）控制在怎样的水平可以保证GFCI不跳闸，比如整改后的总泄漏电流均方根值为7.73mA，虽然通过许多模拟场景运行都没有出现GFCI跳闸的现象，但在数值上还是大于GFCI的工频泄漏电流跳闸电平（约5mA），还不能明确地告知总有效泄漏电流究竟达到了怎样的情况，还有多少余量，这个是接下来要研究的，即总有效漏电流量化方法。