SiC功率模块时代的电力电子系统共模电流产生的机理和抑制方法-电子发烧友网

SiC功率模块时代的电力电子系统共模电流产生的机理和抑制方法

倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向，力推BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET单管，SiC碳化硅MOSFET功率模块，SiC模块驱动板等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

倾佳电子杨茜致力于推动国产SiC碳化硅模块在电力电子应用中全面取代进口IGBT模块，助力电力电子行业自主可控和产业升级！

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1. 引言：宽禁带半导体引发的电磁兼容性范式转移

碳化硅（Silicon Carbide, SiC）功率器件的商业化进程标志着电力电子技术进入了一个全新的纪元。作为第三代宽禁带（Wide Bandgap, WBG）半导体的代表，SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）凭借其卓越的材料特性——包括三倍于硅（Si）的禁带宽度、十倍的击穿场强以及更高的热导率，正在从根本上重塑电能转换系统的设计理念。在固态变压器SST、储能变流器PCS、光伏发电、以及高频工业电机驱动等应用中，SiC模块的应用使得系统能够以更高的开关频率、更高的电压等级和更高的结温运行，从而显著提升了功率密度并降低了系统损耗。

然而，这种性能的飞跃并非没有代价。SiC器件极高的开关速度（Switching Speed）带来了前所未有的电磁干扰（EMI）挑战。传统的硅基IGBT器件通常运行在较低的电压变化率（dv/dt）和电流变化率（di/dt）下，其dv/dt通常在3-5 V/ns的范围内。相比之下，SiC MOSFET的开关瞬态极快，其dv/dt可以轻易超过50 V/ns，甚至达到100 V/ns以上。这种数量级的提升，虽然极大地降低了开关损耗（Switching Loss），但也使得系统中的寄生参数效应被急剧放大。

在这一背景下，共模电流（Common Mode Current, CMC）的产生与传播机制发生了质的变化。共模电流是指同时在两条或多条导线上沿相同方向流动的电流，并通过地回路（Ground Loop）返回源端。在SiC时代，由于高频高dv/dt的激励，系统中的杂散电容（Stray Capacitance）——无论是功率模块内部的绝缘衬板电容、电机绕组对机壳的电容，还是长电缆对地的分布电容——都呈现出极低的阻抗特性。这导致了高幅值、高频谐波丰富的漏电流在系统中流窜，引发了一系列严重的系统级问题，包括电机轴承的电腐蚀（EDM）、绕组绝缘的加速老化、保护电路的误动作以及严重的电磁兼容性（EMC）合规失效。

倾佳电子在剖析SiC功率模块应用背景下，电力电子系统共模电流产生的深层物理机理，并系统性地评估从器件级、模块级到系统级的抑制策略。我们将探讨半导体物理特性如何与封装材料科学相互作用，分析新型绝缘材料（如氮化硅Si3N4）引入后的寄生参数变化，并对比评估硬件滤波与软件调制策略在抑制共模干扰方面的效能与权衡。

2. SiC系统共模电流产生的物理机理

要有效抑制共模电流，首先必须深刻理解其产生的根源。在电压源逆变器（VSI）系统中，共模电压（Common Mode Voltage, CMV）是驱动共模电流流动的电动势源头。其产生不仅与拓扑结构有关，更与SiC器件的开关瞬态特性紧密相连。

2.1 高dv/dt与位移电流的微观机制

在经典的三相两电平逆变器拓扑中，共模电压定义为负载中性点与直流母线中点（或参考地）之间的电位差。其数学表达式为：

VCM=3VAO+VBO+VCO

其中，VAO、VBO、VCO分别为三相输出端相对于直流母线负极（或中点）的电压。在空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制下，无论开关状态如何组合，三相电压之和都不为零。实际上，VCM表现为一个阶梯波，其幅值在±Vdc/6和±Vdc/2之间跳变。

在SiC MOSFET应用中，这种电压跳变的过程极度缩短。根据电容电流的基本物理定律：

iCM=Cparasitic⋅dtdVCM

共模电流的大小直接正比于寄生电容Cparasitic和电压变化率dv/dt。由于SiC器件的dv/dt是传统Si IGBT的10到20倍，即使系统中的寄生电容保持不变，产生的共模电流峰值也可能增加一个数量级。

这种高dv/dt不仅仅是幅度的增加，它还意味着频谱能量向更高频率的迁移。传统的EMI滤波器设计通常针对150 kHz至30 MHz的传导频段，但SiC器件极快的上升沿（Rise Time，往往小于20ns）激发了高达100 MHz甚至更高频率的谐波分量。在这些高频段，系统中的寄生电感和电容发生复杂的谐振，导致共模电流波形呈现出剧烈的振荡和过冲，这不仅增加了EMI滤波器的设计难度，也使得传统的无源滤波元件因寄生参数而失效。

2.2 寄生电容网络的分布特性

共模电流的流通路径是由系统中分布的寄生电容网络构成的。在SiC电机驱动系统中，主要存在三个关键的寄生电容耦合路径，它们共同构成了共模干扰的传播通道：

2.2.1 功率模块内部的寄生电容 (Cmh)

这是最接近噪声源（开关管）的耦合路径。功率模块通常安装在接地的散热器上以进行热管理。半导体芯片（Die）与散热器之间必须进行电气绝缘。这种绝缘通常通过直接覆铜（DBC）或活性金属钎焊（AMB）陶瓷基板来实现。芯片背面的集电极（或漏极）铜层、陶瓷绝缘层和底板（Baseplate）构成了一个典型的平行板电容器。

对于SiC模块，由于其高频工作的需求，模块内部的杂散电感被设计得极低（例如BASiC Semiconductor的模块杂散电感可低至10-30 nH），但绝缘基板的电容效应却因材料和工艺的进步变得更加复杂。高频共模电流直接通过这个电容流入散热器，再通过接地线流回电网或源端。

2.2.2 电缆对地电容 (Ccable)

在电机驱动系统中，连接逆变器与电机的动力电缆往往较长（数米至数百米）。电缆的相线与屏蔽层（或大地）之间存在分布电容。随着频率的升高，长电缆表现出传输线效应。SiC的高频脉冲在电缆中传播时，不仅通过分布电容泄漏电流，还会因阻抗不匹配产生反射波现象（Reflected Wave Phenomenon），导致电机端电压倍增，进一步加剧绝缘应力。

2.2.3 电机绕组对机壳电容 (Cwf)

电机内部的定子绕组与接地的机壳之间也存在寄生电容。当共模电压到达电机端子时，它通过这个电容驱动漏电流流入机壳。更严重的是，定子与转子之间、转子与机壳（通过轴承）之间也存在电容耦合。高频共模电压会通过这些耦合电容在电机轴承上建立电压，当该电压超过润滑油膜的击穿电压时，就会发生放电，形成轴承电流。

2.3 频率提升的双刃剑效应

SiC器件允许系统在更高的开关频率（fsw）下运行，通常从Si IGBT时代的10 kHz提升至20 kHz、50 kHz甚至更高。虽然提高fsw有利于减小差模滤波器的体积（因为所需的电感量和电容量与频率成反比），但它对共模EMI的影响却是负面的：

频谱密度增加： 单位时间内发生的开关动作次数增加，意味着注入系统的共模噪声能量总量增加。

谐振激发： 更高的基频及其谐波更容易落入系统寄生参数的谐振频率范围内，可能导致意外的噪声放大。

热应力： 频繁的充放电循环使得流过寄生电容的均方根（RMS）电流增大，可能导致绝缘介质的局部发热和老化。

3. SiC功率模块封装对共模电流的影响

SiC功率模块的封装设计是影响共模电流生成的关键物理环节。随着材料科学的进步，模块封装正经历从传统硅基设计向适应宽禁带特性的设计转变，这一过程中涉及的材料选择和结构优化对EMI特性产生了深远影响。

3.1 绝缘基板材料的演进：Si3N4与AlN的博弈

在功率模块中，绝缘基板（Substrate）承担着电气隔离和热传导的双重功能。传统的高功率模块广泛使用氧化铝（Al2O3）或氮化铝（AlN）作为绝缘材料。AlN因其极高的热导率（约170-180 W/mK）和与硅相匹配的热膨胀系数（CTE）而备受青睐。

然而，SiC器件的高结温运行能力（可达175°C甚至更高）和极高的功率密度对封装材料的机械可靠性提出了更严苛的要求。传统的AlN陶瓷虽然热性能优异，但其机械强度较低，脆性大，断裂韧性（Fracture Toughness, K1C）仅为3-3.4 MPa⋅m1/2。在极端的温度循环冲击下，AlN基板容易发生断裂失效。

为了解决可靠性问题，氮化硅（Si3N4）活性金属钎焊（AMB）基板逐渐成为SiC模块的主流选择。Si3N4虽然热导率较低（约90 W/mK，仅为AlN的一半），但其机械性能极其优越，弯曲强度可达700-800 MPa，断裂韧性高达6.5-7 MPa⋅m1/223。这种卓越的机械强度允许制造商使用更薄的陶瓷层来实现同等的机械可靠性。例如，传统的AlN基板厚度通常为0.635 mm，而Si3N4基板可以减薄至0.32 mm甚至0.25 mm。

对共模电容的深层影响：

基板厚度的减小虽然补偿了Si3N4热导率较低的缺点（热阻 Rth=d/λA），但对共模电流却产生了负面影响。模块对散热器的寄生电容Cmh可以近似看作平板电容：

Cmh=dϵ0ϵrA

其中，d是陶瓷层厚度，ϵr是相对介电常数。AlN的ϵr约为8.6-9，而Si3N4的ϵr约为7.5-9[24, 25]。在介电常数相近的情况下，将基板厚度d减半（从0.635 mm减至0.32 mm），会导致寄生电容Cmh几乎翻倍。

这意味着，采用先进Si3N4 AMB工艺的SiC模块，虽然在热循环寿命和机械可靠性上远超传统模块，但其固有的共模耦合电容可能更大。在相同的dv/dt激励下，这意味着更大的共模漏电流。这是SiC模块设计中一个典型的“多物理场权衡”：为了机械可靠性而牺牲了部分的电磁隔离特性。因此，在使用SiC模块时，系统层面的EMI抑制变得更加紧迫。

3.2 低杂散电感设计的双重效应

为了发挥SiC MOSFET的高速开关优势，现代功率模块极其强调“低杂散电感设计”。例如，BASiC Semiconductor的Pcore™2系列模块采用了优化的叠层母排和引脚布局，将内部杂散电感降低至30 nH甚至更低（某些先进封装可达10 nH以下）。

正向效应： 低杂散电感（Lσ）对于抑制关断过程中的电压过冲（Vovershoot=Lσ⋅di/dt）至关重要。过高的Lσ会导致管压降超过器件击穿电压，迫使设计者人为降低开关速度，从而抵消SiC的效率优势。

负向效应与EMI： 然而，降低Lσ也意味着允许更高的di/dt存在。极高的di/dt会在电路的寄生互感中感应出噪声电压，耦合到门极驱动回路或传感器回路中。此外，虽然低电感减小了振荡的幅度，但如果阻尼不足，SiC器件极低的输出电容（Coss）与残留的杂散电感形成的谐振频率（fres=1/2πLσCoss）会变得非常高（通常在几十MHz）。这种高频振荡是辐射EMI的主要来源。

3.3 内部屏蔽与多层基板技术

针对上述寄生电容增加的问题，一种前沿的模块级解决方案是在基板内部集成屏蔽层（Screen Layer）。这种技术通常涉及多层陶瓷基板结构或在DBC/AMB结构中引入中间电位层。

工作原理： 通过在芯片所在的顶层铜箔和接地的底板之间插入一个中间导体层，并将该层连接到直流母线的静电位点（如DC-或DC中点），可以截获原本流向散热器的位移电流。当开关节点电压跳变时，位移电流通过绝缘层流向屏蔽层，然后通过低阻抗路径直接返回直流母线内部循环，而不经过外部的接地回路。

研究表明，这种集成屏蔽技术可以将流向底板的共模电流衰减高达26 dB。虽然这增加了模块制造的复杂性和成本，但在对EMI要求极高且滤波器体积受限的航空航天或电动汽车应用中，这是一种极具吸引力的源头抑制方案。

4. 高频共模电流引发的系统级故障机理

在SiC时代，共模电流不再仅仅是EMI合规性的问题，它已经演变成威胁系统核心部件寿命的可靠性问题。

4.1 电机轴承的电腐蚀（EDM）机理

SiC逆变器驱动电机时，轴承电流导致的早期失效已成为行业关注的焦点。这主要是由共模电压通过电机内部的寄生电容耦合引起的。

电容分压模型： 电机内部存在复杂的电容网络，主要包括定子绕组对转子的电容（Cwr）、转子对机壳的电容（Crf，主要由轴承油膜形成）以及定子对机壳的电容（Cwf）。共模电压（VCM）作为激励源，通过这些电容的分压作用在电机轴上建立对地电压（Vshaft）。轴电压大约为：

Vshaft≈Cwr+CrfCwr⋅VCM

EDM电流的形成： 轴承中的润滑油膜是一层绝缘介质。当轴电压积累到超过油膜的击穿阈值（通常为5-30V，取决于油膜厚度和温度）时，油膜绝缘被击穿，形成低阻抗导电通道。积聚在寄生电容上的电荷瞬间通过接触点释放，形成极高密度的放电电流（EDM电流）。

SiC的加剧效应： 与IGBT相比，SiC系统的高dv/dt和高频特性产生了双重恶化效应：

更高的耦合效率： 高dv/dt使得通过Cwr耦合到转子的瞬态电流更大，轴电压建立得更快。

更高的放电频率： 高开关频率意味着VCM跳变的次数更多，导致轴电压突破油膜阈值的频率显著增加。研究显示，SiC驱动下的EDM放电次数可能比Si驱动高出数倍甚至一个数量级。这会导致轴承滚道出现凹坑（Pitting）和搓衣板状纹路（Fluting），最终导致机械失效。

4.2 反射波现象与绝缘老化

在电机驱动系统中，连接电缆表现出传输线特性。当SiC器件的电压上升时间（tr）小于或接近电缆传输延迟的两倍时，会在电机端子处发生电压反射。SiC MOSFET的上升时间极短（<20 ns），这意味着即使是几米长的短电缆也可能触发全反射。

反射波会导致电机端子的电压过冲达到直流母线电压的2倍甚至更高（在特定谐振条件下）。这种高频、高幅值的过电压直接作用于电机的匝间绝缘。由于高频下的集肤效应和电感分布不均，电压并非均匀分布在绕组上，而是主要集中在首匝线圈上。据统计，高达80%的电压可能降落在第一匝线圈上。

长期的局部放电（Partial Discharge, PD）会侵蚀绝缘层。SiC的高频特性加速了这一过程，因为绝缘材料在单位时间内的电压冲击次数成倍增加，且高频介质损耗导致绝缘温升更高，进一步加速热老化。

5. 硬件层面的抑制与滤波技术

面对SiC带来的严峻挑战，硬件层面的抑制技术必须从传统的“堵”转向更高效的“疏”和“消”。

5.1 无源滤波器的材料与拓扑革新

无源EMI滤波器仍然是抑制共模电流的主力，但在SiC应用中，其设计面临着体积与性能的矛盾。

磁芯材料的抉择：纳米晶 vs. 铁氧体

共模电感（Common Mode Choke, CMC）的核心在于磁芯材料。

锰锌铁氧体（Mn-Zn Ferrite）： 这是传统的低成本选择。然而，铁氧体的饱和磁通密度较低（Bsat≈0.4T），且其磁导率随频率升高下降较快。在SiC的高频、高温环境下，铁氧体的阻抗特性往往无法满足宽频带抑制的需求37。

纳米晶（Nanocrystalline）： 纳米晶材料正成为SiC系统的首选。它具有极高的饱和磁通密度（Bsat≈1.2T）和高磁导率。这意味着在相同的电感量下，纳米晶磁芯可以做得更小，或者用更少的匝数实现，从而减小了线圈的寄生电容，提升了高频阻抗特性。更重要的是，纳米晶在高温（可达130°C以上）下性能稳定，非常适合SiC功率模块的高温工况。数据显示，使用纳米晶磁芯可以将共模电感的体积减小高达50%，同时提供更宽频带的噪声衰减。

滤波器拓扑：

除了传统的L-C型滤波器，针对SiC电机驱动的反射波问题，输出端dv/dt滤波器（如RLC滤波器）被广泛应用。虽然L-C正弦波滤波器效果最好，但体积过大。相比之下，设计精良的dv/dt滤波器可以将电压上升率限制在500-1000 V/μs以内，有效保护电机绝缘，但代价是阻尼电阻上会有显著的功率损耗。

5.2 有源EMI滤波器（AEF）的崛起

为了打破无源滤波器体积与衰减量的物理限制，有源EMI滤波器（Active EMI Filter, AEF）技术在SiC时代走向成熟。

工作原理： AEF通过检测电路中的噪声电压或电流，并通过放大器注入一个反相的补偿信号来抵消噪声。这相当于在电路中引入了一个虚拟的极低阻抗（旁路）或极高阻抗（串联），从而阻断噪声传播42。

无变压器拓扑： 传统的AEF依赖庞大的电流互感器。现代针对SiC驱动的AEF采用了无变压器的电容耦合拓扑，利用高压电容进行感应和注入。这种设计可以集成到极小的PCB面积甚至芯片中。

优势： AEF在低频段（150 kHz - 5 MHz）表现出色，这正是大电感无源滤波器体积最大的频段。通过使用AEF处理低频噪声，可以将无源滤波器的转折频率推高，从而大幅减小无源扼流圈的体积。混合式（Hybrid）滤波器方案——结合小型无源级和AEF级——已被证明可以实现高达40-50%的体积缩减，这对追求高功率密度的电动汽车应用至关重要。

5.3 接地阻抗的优化

系统接地的处理对共模电流的路径有决定性影响。直接将散热器硬接地（Hard Grounding）虽然简单，但构成了一个低阻抗的共模回路，可能导致极大的共模电流峰值。

研究表明，在散热器接地路径中串联一个适当的阻尼电阻（例如几百欧姆）或阻抗网络，可以有效破坏寄生电容与地线电感构成的谐振回路（High Frequency Resonance）。这不仅能限制共模电流的幅值，还能抑制辐射EMI，同时不影响安规要求的低频接地保护功能。

6. 软件层面的抑制：先进调制策略

除了硬件手段，通过优化控制算法从源头减少共模电压的产生，是一种“零成本”的高效策略。SiC器件的高开关频率为实施复杂的调制策略提供了足够的带宽余量。

6.1 降共模电压脉宽调制（RCMV-PWM）

传统的SVPWM策略中，零矢量（000和111）产生了幅值最大的共模电压（±Vdc/2）。RCMV-PWM的核心思想就是避免或减少使用零矢量。

主动零状态PWM（AZSPWM）： 该策略不使用传统的零矢量，而是利用两个相反的有效矢量（例如矢量V1和V4）轮流作用相同的时间来合成等效的“零电压”。这种方法将共模电压的峰值从Vdc/2降低到了Vdc/6，降幅达66%。

权衡： AZSPWM的主要缺点是增加了开关次数（在一个载波周期内），这在Si IGBT时代会导致不可接受的开关损耗增加。然而，SiC MOSFET极低的开关损耗使得这一策略变得可行。此外，它会增加输出电流的纹波（Ripple）和总谐波失真（THD）。

近状态PWM（NSPWM）： NSPWM只利用三个相邻的有效矢量来合成参考电压，完全避开零矢量。它不仅降低了共模电压，还具有钳位效应（即在某些区间内有一相开关保持不动作），这有助于降低开关损耗。

权衡： NSPWM在低调制深度下线性度较差，且电流THD通常高于SVPWM。

死区效应与尖峰抑制： 在实施AZSPWM时，由于死区时间（Dead Time）的存在，两个相反矢量切换的瞬间可能会出现非预期的共模电压尖峰。针对SiC的高速特性，需要采用精确的死区补偿算法或改进的脉冲序列逻辑来消除这些尖峰，确保软硬件协同抑制的效果。

6.2 调制策略与SiC特性的协同

SiC的高开关频率特性可以补偿RCMV-PWM带来的电流纹波劣势。例如，一个在50 kHz下运行AZSPWM的SiC逆变器，其输出电流质量可能优于在10 kHz下运行标准SVPWM的IGBT逆变器，同时其共模噪声水平显著降低。这种以“频率换质量，以算法换滤波”的设计思路，是SiC时代系统优化的核心逻辑。

7. 驱动电路的抗扰设计

共模电流不仅对外造成干扰，也会反噬自身的驱动电路。高dv/dt产生的共模电流会通过驱动电源的隔离电容耦合到低压侧，造成逻辑混乱。

7.1 共模瞬态抗扰度（CMTI）

对于SiC驱动器，CMTI（Common Mode Transient Immunity）已成为最重要的选型指标之一。它衡量了隔离栅在承受高dv/dt冲击时保持信号完整性的能力。传统的驱动光耦通常只有30-50 kV/μs的CMTI，这在SiC应用中是完全不够的。现代SiC专用驱动器（如基于电容隔离或磁隔离技术）通常要求CMTI大于100 kV/μs甚至200 kV/μs，以防止在高速开关过程中发生误触发或信号丢失。

7.2 有源栅极驱动（AGD）技术

除了被动防御，驱动器还可以主动控制开关轨迹。有源栅极驱动技术（AGD）通过动态调整栅极电阻（Rg）或驱动电流，在开关转换的关键时刻（如电流/电压交叠区）精细调节dv/dt和di/dt。

分段驱动： 在延迟阶段使用小电阻以减少死区时间，在电压变化阶段切换到大电阻以限制dv/dt和振荡，最后再切换回小电阻以确保稳态导通。这种方法可以在不显著增加开关损耗的前提下，有效抑制EMI和共模电流的产生源头。

8. 结论与展望

深圳市倾佳电子有限公司（简称“倾佳电子”）是聚焦新能源与电力电子变革的核心推动者：
倾佳电子成立于2018年，总部位于深圳福田区，定位于功率半导体与新能源汽车连接器的专业分销商，业务聚焦三大方向：
新能源：覆盖光伏、储能、充电基础设施；
交通电动化：服务新能源汽车三电系统（电控、电池、电机）及高压平台升级；
数字化转型：支持AI算力电源、数据中心等新型电力电子应用。
公司以“推动国产SiC替代进口、加速能源低碳转型”为使命，响应国家“双碳”政策（碳达峰、碳中和），致力于降低电力电子系统能耗。

SiC功率模块的应用是一场涉及材料、器件、封装、电路与控制的系统工程革命。共模电流问题的加剧是高性能换能过程中的必然副产物。

核心结论：

封装是瓶颈也是突破口： 氮化硅（Si3N4）基板的应用虽然提升了机械可靠性但增加了寄生电容，这要求在模块内部集成屏蔽层或在系统级采用更高效的滤波方案。

新材料解决新问题： 纳米晶磁芯和有源EMI滤波器（AEF）是解决SiC高频共模噪声的关键硬件技术，它们克服了传统无源元件的体积和高频性能瓶颈。

软硬协同是未来： 单纯依赖硬件滤波已显笨重。利用SiC的高频余量，采用AZSPWM等先进调制策略从源头削减共模电压，再配合小型化的纳米晶滤波器，是实现高功率密度与EMC合规的最佳路径。

展望未来，随着“智能功率模块”（Intelligent Power Module, IPM）的发展，我们有望看到集成了共模屏蔽层、高CMTI驱动器甚至是有源EMI滤波单元的SiC模块，从而在器件层面封闭共模噪声，释放宽禁带半导体的全部潜能。

数据表格索引：

特性参数	硅 (Si) IGBT 系统	碳化硅 (SiC) MOSFET 系统	影响分析
电压变化率 (dv/dt)	3 - 5 V/ns	> 50 - 100 V/ns	共模电流幅度增加10-20倍，加剧EMI和轴承腐蚀
开关频率 (fsw)	2 - 15 kHz	20 - 100+ kHz	噪声频谱向高频迁移，滤波器寄生参数效应显著
绝缘基板材料	Al2O3, AlN (厚)	Si3N4 (薄)	更薄的基板导致模块对地寄生电容(Cmh)增加
磁芯材料需求	铁氧体 (Mn-Zn)	纳米晶 (Nanocrystalline)	需更高饱和磁密和高频阻抗稳定性
轴承电流风险	中等 (主要是循环电流)	极高 (EDM放电频率激增)	需强制采用绝缘轴承、接地电刷或共模滤波器