作者：A. Farhadi

發(fā)表于：2008年第13屆諧波與電能質(zhì)量國(guó)際會(huì)議

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摘要

在電氣系統(tǒng)中產(chǎn)生的不希望有的輻射或傳導(dǎo)能量稱為電磁干擾 (EMI)。電力電子轉(zhuǎn)換器尤其是開(kāi)關(guān)電源中的高速開(kāi)關(guān)頻率可提高效率，但會(huì)導(dǎo)致 EMI。本文介紹了不同類型的傳導(dǎo)干擾、EMI 規(guī)定和傳導(dǎo) EMI 測(cè)量。符合國(guó)家或國(guó)際法規(guī)稱為電磁兼容性 (EMC)。電力電子系統(tǒng)生產(chǎn)商必須考慮 EMC。建模和仿真是 EMC評(píng)估的第一步。本文介紹了 PWM 降壓型開(kāi)關(guān)電源的 EMI 仿真結(jié)果。為了改善EMC，引入了一些技術(shù)并通過(guò)仿真證明了它們的有效性。

第一節(jié) 介紹

FAST 半導(dǎo)體使電力電子設(shè)備中的高速和高頻開(kāi)關(guān)成為可能[1]。高速切換使設(shè)備重量和體積減小，但出現(xiàn)了一些不良影響，如射頻干擾 [2]。生產(chǎn)商必須遵守電磁兼容性 (EMC) 法規(guī)才能將其產(chǎn)品推向市場(chǎng)。在設(shè)計(jì)階段就考慮 EMC 方面很重要 [3]。建模和仿真是在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品之前分析 EMC 考慮因素的最有效工具。以前的許多研究都涉及電力電子元件的低頻分析 [4] , [5]. 可以將不同類型的電力電子轉(zhuǎn)換器視為 EMI 來(lái)源。它們可以以輻射和傳導(dǎo)形式傳播EMI。傳導(dǎo)干擾電平的測(cè)量和計(jì)算需要線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN） [6]。LISN 輸出端的干擾頻譜被引入作為 EMC 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn) [7]， [8]。從 EMC 的角度來(lái)看，國(guó)家或國(guó)際法規(guī)是評(píng)估設(shè)備的參考 [7]， [8]。

第二節(jié)EMI 的來(lái)源、途徑和受害者

不需要的電壓或電流稱為干擾，其原因稱為干擾源。在本文中，高速開(kāi)關(guān)電源是干擾源。

通過(guò)干擾源周圍區(qū)域的輻射或通過(guò)公共電纜或接線連接的傳導(dǎo)傳播的干擾。在本研究中，僅考慮傳導(dǎo)發(fā)射。受到干擾破壞的計(jì)算機(jī)、接收器、放大器、工業(yè)控制器等設(shè)備稱為受害者。元件、源線和電纜的公共連接為傳導(dǎo)噪聲或干擾提供了路徑。電磁傳導(dǎo)干擾有差模和共模兩部分[9]。

差模傳導(dǎo)干擾

這種模式與噪聲源在測(cè)試電路的不同線路之間施加的噪聲有關(guān)。相關(guān)電流路徑如圖1 [9]所示。干擾源、路徑阻抗、差模電流和負(fù)載阻抗也如圖 1所示。

圖1 DM噪聲傳導(dǎo)路徑

共模傳導(dǎo)干擾

共模噪聲或干擾可能會(huì)出現(xiàn)并強(qiáng)加于線路、電纜或連接與公共接地之間。負(fù)載和公共地之間的任何泄漏電流都可以通過(guò)干擾電壓源建模。

圖 2演示了共模干擾源，共模電流Icm1和Icm2以及相關(guān)的電流路徑 [9]。電力電子轉(zhuǎn)換器充當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)線路之間的噪聲源。在這項(xiàng)研究中，傳導(dǎo)干擾的差模特別重要，將繼續(xù)討論僅考慮這種模式。

圖2 CM噪聲傳導(dǎo)路徑

第三節(jié)電磁兼容性規(guī)定

電氣設(shè)備尤其是靜態(tài)電力電子轉(zhuǎn)換器在不同設(shè)備中的應(yīng)用越來(lái)越多。如前所述，電力電子轉(zhuǎn)換器被認(rèn)為是重要的電磁干擾源，對(duì)電網(wǎng)有破壞作用[2]. 各種干擾造成的高水平污染降低了電網(wǎng)中的電力質(zhì)量。另一方面，一些住宅、商業(yè)，尤其是醫(yī)療消費(fèi)者對(duì)包括電壓和頻率變化在內(nèi)的電力系統(tǒng)干擾非常敏感。減少腐敗和提高電能質(zhì)量的最佳解決方案是遵守國(guó)家或國(guó)際 EMC 法規(guī)。CISPR、IEC、FCC 和 VDE 是歐洲、美國(guó)和德國(guó)最著名的組織，負(fù)責(zé)確定和發(fā)布最重要的 EMC 法規(guī)。IEC 和 VDE 對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射的要求和限制 如圖 3和 圖 4 [7]、 [9] 所示。

圖3 IEC傳導(dǎo)輻射限值

圖4 VDE傳導(dǎo)輻射限值

對(duì)于不同的消費(fèi)者群體，可以遵守不同類別的法規(guī)。普通消費(fèi)者的A類和特殊消費(fèi)者具有更嚴(yán)格限制的B類在圖3和 圖4中分開(kāi)。IEC 和 VDE 的頻率限制范圍不同，分別為 150 kHz 至 30 MHz 和10kHz 至 30 MHz。通過(guò)將上述頻率范圍內(nèi)測(cè)量或計(jì)算的傳導(dǎo)干擾電平與法規(guī)中規(guī)定的要求進(jìn)行比較來(lái)評(píng)估法規(guī)的符合性。在統(tǒng)一的歐洲共同體中，法規(guī)遵從性是強(qiáng)制性的，產(chǎn)品必須具有認(rèn)證標(biāo)簽以顯示要求的覆蓋范圍 [8]。

第四節(jié)電磁傳導(dǎo)干擾測(cè)量

線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN)

LISN 是標(biāo)準(zhǔn)提供的工業(yè)元件，用于放置在電源和電力電子轉(zhuǎn)換器之間，包括作為接口的負(fù)載，以便可以測(cè)量傳導(dǎo)干擾[7]。所述情況如圖 5 [6]所示。LISN應(yīng)具備以下特性以滿足測(cè)量條件 [6]。提供低阻抗路徑以將電源從電源傳輸?shù)诫娏﹄娮愚D(zhuǎn)換器和負(fù)載。提供從干擾源（此處為電力電子轉(zhuǎn)換器）到測(cè)量端口的低阻抗路徑。

圖5 LISN測(cè)量傳導(dǎo)噪聲的接法

LISN 拓?fù)?/b>

LISN 的常見(jiàn)拓?fù)淙鐖D 6 [7] 所示。

圖6 LISN常用拓?fù)?/div>

LISN 阻抗隨頻率變化的上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 7 所示。LISN 在傳導(dǎo)EMI 測(cè)量范圍內(nèi)穩(wěn)定了阻抗 [7]。

圖7 LISN阻抗特性曲線

LISN 輸出端信號(hào)電平隨頻率的變化就是干擾頻譜。系統(tǒng)的電磁兼容性可以通過(guò)其干擾頻譜與標(biāo)準(zhǔn)限制的比較來(lái)評(píng)估。LISN 輸出端的信號(hào)電平在 10 kHz 至 30 MHz 或 150 kHz 至 30 MHz 的頻率范圍內(nèi)是兼容性標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)限制之下。在實(shí)際情況下，LISN 輸出連接到頻譜分析儀并進(jìn)行干擾測(cè)量。但出于建模和仿真的目的，LISN 輸出頻譜是使用適當(dāng)?shù)能浖?jì)算的。

第五節(jié)由于 PWM 降壓型開(kāi)關(guān)電源的 EMI 仿真

對(duì)于應(yīng)用于降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單固定頻率 PWM 控制器，可以假設(shè)誤差電壓Ve相對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率、脈沖寬度和占空比的變化緩慢，可以通過(guò)(1)近似。Vp 是鋸齒波形幅度。

A、PWM波形頻譜分析

圖8的歸一化脈沖串m(t)代表PWM開(kāi)關(guān)電流波形。PWM 波形的第n 個(gè)脈沖由固定分量D/fs組成 ，其中 D 是穩(wěn)態(tài)占空比，以及一個(gè)可變分量dn/fs表示由于源、參考和負(fù)載的變化引起的占空比的變化。

圖8 BUCK電路的驅(qū)動(dòng)PWM波

由于 PWM 開(kāi)關(guān)電流波形包含有關(guān)電源 EMI 的信息，因此需要在EMI 研究的頻率范圍內(nèi)對(duì)該波形進(jìn)行頻譜分析。假設(shè)誤差電壓在幅度為Ve如下所示。

fm表示由于源、參考和負(fù)載變化引起的誤差電壓變化的頻率。占空比系數(shù)計(jì)算：

脈寬在其穩(wěn)態(tài)值 D 附近的最大變化被限制為D1. 在每個(gè)Tm=1/fm時(shí)期，將有r=fs/fm占空比為dn. 下方程表示傅立葉級(jí)數(shù)系數(shù) PWM 波形 m (t)。其中具有 圖9的頻譜

圖9 PWM頻譜圖（fs=25kHz，fm=100Hz，D=0.5，D1=0.05）

B、等效噪聲電路和EMI頻譜分析

為了獲得圖 6的等效電路，電壓源 由短路代替轉(zhuǎn)換器由PWM波形開(kāi)關(guān)電流代替Iex如圖 10所示。

圖10 EMI等效電路

傳遞函數(shù)定義為 LISN 輸出電壓與 EMI 電流源的比率，如下中所示。

系數(shù)di對(duì)應(yīng)于等效電路的參數(shù)。Rc和Lc分別為濾波電容的有效串聯(lián)電阻（ESR）和電感（ESL） 該模型對(duì)該元素的非理想性進(jìn)行了建模。LISN和過(guò)濾器參數(shù)如下：C N = 100 nF, r = 5 ?, l = 50 uH, R N =50 ?, L N =250 uH,L f = 0, C f =0, R c = 0, L c = 0, f s =25 kHz

EMI 頻譜是通過(guò)傳遞函數(shù)和源噪聲頻譜相乘得出的。模擬結(jié)果如圖11所示。

圖11 EMI頻譜圖

第六節(jié)參數(shù)對(duì) EMI 的影響

A、占空比

PWM 波形中的脈沖寬度在穩(wěn)態(tài) D=0.5 附近變化。使用圖12和 圖13所示的D=0.25和0.75的值來(lái)模擬輸出噪聲頻譜。從 EMC 的觀點(diǎn)來(lái)看，偶次諧波增加而奇次諧波減少。另一方面，噪聲能量分布在更寬的頻率范圍內(nèi)，EMI 水平降低 [11]。

圖12 D=0.25時(shí)的EMI頻譜

圖13 D=0.75時(shí)的EMI頻譜

B、占空比變化幅度

最大脈寬變化由下式?jīng)Q定D1 . EMI 頻譜模擬為D1=0.05重復(fù)模擬D1=0.01和 0.25，結(jié)果如圖14和 圖 15所示。

圖14 D1=0.01時(shí)的EMI頻譜

圖15 D1=0.25時(shí)的頻譜

增加D1導(dǎo)致 EMI 信號(hào)的頻率調(diào)制和傳導(dǎo) EMI 水平的降低。放大圖 15周圍 圖 16中的開(kāi)關(guān)頻率分量清楚地顯示了頻率調(diào)制。

圖16 放大7倍頻的頻譜

C、誤差電壓頻率

占空比變化的主要因素是電源電壓的變化。這fm=100Hz電源電壓中的赫茲紋波是使用整流器的必然結(jié)果。以頻率重復(fù)模擬fm=5000Hz。如圖 17所示在較高的頻率下，fm噪聲頻譜在頻域中擴(kuò)展，導(dǎo)致傳導(dǎo) EMI 水平更小。另一方面，希望有意地將高頻信號(hào)注入?yún)⒖茧妷骸?/p>

圖17 fm=5000Hz時(shí)的頻譜

D、參數(shù)的同時(shí)作用

同時(shí)應(yīng)用的模擬結(jié)果D=0.75，D1=0.25和fm=5000Hz，圖 18顯示了導(dǎo)致 EMI 頻譜擴(kuò)展到更寬頻率并顯著降低 EMI 水平。

圖18 D=0.75D1=0.25，fm=5000時(shí)的頻譜

第七節(jié)結(jié)論

本文介紹了電力電子轉(zhuǎn)換器中由于半導(dǎo)體器件的快速開(kāi)關(guān)性能而導(dǎo)致的電磁干擾。輻射和傳導(dǎo)干擾是兩種類型的電磁干擾，本文研究了傳導(dǎo)類型。解釋了兼容性規(guī)定和傳導(dǎo)干擾測(cè)量。LISN作為測(cè)量過(guò)程的重要組成部分，除了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)和阻抗外，還進(jìn)行了描述?？紤]并模擬了由 PWM 降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器引起的EMI 頻譜。有必要提出降低電磁干擾水平的機(jī)制。結(jié)果表明，可以通過(guò)控制占空比、占空比變化和參考電壓頻率等參數(shù)來(lái)降低PWM 降壓型開(kāi)關(guān)電源引起的 EMI。