0引言

如今電子產(chǎn)品無處不在,無論是生活中還是工業(yè)生產(chǎn)中,都離不開電子設備。隨著電子系統(tǒng)越來越復雜,電子器件越來越多,電磁干擾對系統(tǒng)的影響越發(fā)不容忽視,輕則對電子元器件性能產(chǎn)生影響,重則使元器件的功能出錯、通信中斷等等,影響整個系統(tǒng)的功能和安全。

1 電磁干擾產(chǎn)生的原因和抑制方法

系統(tǒng)電磁兼容性主要有兩個方面: 電磁干擾(EMI)和電磁敏感度(EMS)。電磁干擾(EMI)是電子設備在自身工作中產(chǎn)生的電磁波,對外發(fā)射并對設備及其他設備造成干擾。電磁干擾是會干擾系統(tǒng)性能的電磁信號,通過電磁感應、靜電耦合或傳導來影響電路。而EMS指設備在運轉(zhuǎn)時不受整個環(huán)境中有害電磁噪聲影響的能力。對汽車、醫(yī)療以及測量設備制造商來說,如何消除或避免EMI是設計上的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對電力電子設備的電磁兼容性問題,人們從不同電子器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)^[1]、開關(guān)器件的工作特性^[2]、高頻開關(guān)的物理模型^[3]等角度分析了EMI產(chǎn)生的機理,提出了電磁干擾產(chǎn)生的三個主要因素:干擾源、傳播途徑、受擾對象。由于系統(tǒng)中這三個要素之間的相互作用,當設備在高頻率、大功率環(huán)境下工作時,電壓或電流突變,會引起很高的du/dt或di/dt,此時電子設備產(chǎn)生的電磁能量就會通過差模干擾回路和共模干擾回路的寄生電容和電感,耦合到其他設備或系統(tǒng)中,引起電磁場的劇烈變化,產(chǎn)生有害的電磁干擾信號。

降低EMI噪聲有多種途徑:一是抑制噪聲源,二是隔離噪聲耦合路徑,三是采用濾波器和屏蔽技術(shù)。在近代電力電子系統(tǒng)中,由于廣泛使用大電流、高電壓、快速運行的功率開關(guān)器件,其開關(guān)波形特性給系統(tǒng)帶來了高頻傳導和輻射噪聲。PWM(脈寬調(diào)制)作為開關(guān)器件的核心控制模塊,其控制方式嚴重影響著整個系統(tǒng)的EMI問題。展頻調(diào)制(也叫抖動),對降低系統(tǒng)的EMI有著非常明顯的作用,是一種減少電磁干擾噪聲非常有效的方式。本文介紹了常見的PWM 的展頻調(diào)制方式,以及不同展頻方式給系統(tǒng)的EMI降低帶來的收益和不足。

2 PWM的展頻方式

信號輻射的一個關(guān)鍵因素是信號的能量,當信號的能量過于集中時,就容易導致信號能量在某一個頻點處產(chǎn)生很大的能量發(fā)射。展頻,也就是擴頻時鐘,通過在一定的頻譜范圍內(nèi)分散時鐘信號的頻譜能量,分散集中在載波上的能量,可以有效降低EMI 的峰值能量,減少EMI的影響。

PWM的展頻方式對PWM的EMI消除有著十分重要的作用,通常分為三種主要的展頻方式:周期性調(diào)制、隨機性調(diào)制以及混沌調(diào)制。

2.1 周期性調(diào)制

常見的周期性調(diào)制有正弦調(diào)制、三角波調(diào)制、Hersheykiss調(diào)制。在周期性調(diào)制中,有幾個重要的參數(shù)跟調(diào)制效果緊密相關(guān):調(diào)制速度、調(diào)制系數(shù)、調(diào)制深度等。調(diào)制速度(MR)是指輸出時鐘頻率fo在設定的調(diào)制頻率范圍內(nèi)的變化速度。調(diào)制速度應該遠小于載波頻率,同時應當高于人耳可識別的頻率范圍以免產(chǎn)生噪聲。調(diào)制深度是指展頻后時鐘輸出頻率fo以調(diào)制速度MR偏移源時鐘頻率fc的大小,調(diào)制深度以偏移(Δf)源時鐘頻率的百分比來表示,而調(diào)制深度往往決定了降低EMI峰值的大小。Laxmansolankee 等人^[4]在論文里對周期性調(diào)制做了詳細闡述,其調(diào)制形狀如圖1所示:正弦波、三角波和指數(shù)調(diào)制。其中,指數(shù)調(diào)制波形因為外形很像Hersheykiss公司的巧克力,所以又稱為Hershey kiss調(diào)制。

采用不同的周期函數(shù)對時鐘進行擴頻,擴頻后的頻譜會有不同的能量分布。三種調(diào)制及其對應的調(diào)制頻譜效果如圖2所示^[5]。

圖2(a)調(diào)制函數(shù)為正弦函數(shù),圖2(b)是周期正弦函數(shù)調(diào)制后的頻譜;圖2(c)調(diào)制函數(shù)為三角波,圖2(d)是調(diào)制后的頻譜;圖2(e)是非線性Hersheykiss調(diào)制波形,而圖2(f)則是調(diào)制后的頻譜?？梢娙N調(diào)制函數(shù)均能將能量分散在一個頻帶上,對降低EMI都有明顯的作用。但也可以看到,對于正弦函數(shù),其大部分的諧波能量集中在頻譜邊緣,有明顯的旁瓣效應;三角波也有此現(xiàn)象,但相比較正弦函數(shù)來說,已經(jīng)有了明顯的改變;而Hersheykiss調(diào)制,在整個帶寬中頻譜表現(xiàn)得比較平坦,沒有明顯的旁瓣現(xiàn)象。

周期性調(diào)制通過選擇調(diào)制參數(shù)可以限制邊帶范圍,但邊帶內(nèi)頻譜是離散的,峰值抑制能力不強。

2.2 隨機性調(diào)制

隨機調(diào)制技術(shù)是按照某種概率分布的隨機信號來控制開關(guān)信號,使得定頻PWM的開關(guān)變成非周期的隨機信號,將集中在開關(guān)頻率及其諧波頻率上的能量分攤在整個頻域帶寬范圍內(nèi),功率譜呈現(xiàn)連續(xù)的頻譜特性,可以明顯抑制開關(guān)功率電路中的EMI 問題。

根據(jù)隨機的PWM參數(shù)不同,隨機性調(diào)制又分為隨機頻率、隨機相位兩種調(diào)制方式。隨機頻率,即隨機PWM周期,就是(n+1)的周期Tn+1和n周期的Tn是不同的、隨機的,但是脈沖的上升時間是固定的,即 占空比不同。而隨機相位是指PWM的周期是固定的,而脈沖的上升時間是不固定的。王顥雄等人^[6]對這兩種隨機方式都進行了分析和研究。試驗發(fā)現(xiàn),隨機周期調(diào)制和隨機脈沖位置調(diào)制都能降低系統(tǒng)的EMI,但隨機周期的功率譜更加連續(xù),對EMI的抑制更加有效。

隨機脈沖和隨機頻率并不是割裂的,李堯等人^[7]將隨機脈沖位置與隨機頻率結(jié)合,有效降低了開關(guān)頻率以及倍頻處的高頻噪聲,雙隨機的電壓功率譜密度比單隨機的電壓功率譜密度更低,而且電壓功率譜密度分布更加平滑。

在工程中,隨機調(diào)制的實現(xiàn)有多種隨機化過程,薛開昶等人^[8]利用通信領(lǐng)域的逆m序列,提出了一種低硬件成本和高EMI峰值抑制效果的方式,其利用了逆m序列的良好隨機性以及二進制移相鍵控技術(shù)易于實現(xiàn)的優(yōu)點。為解決因隨機調(diào)制策略中的隨機程度過大導致的開關(guān)頻率變換器中輸出電壓波動及精度下降問題,王斌等人^[9]提出了結(jié)合馬爾可夫鏈的雙隨機PWM技術(shù),在不影響連續(xù)功率頻譜特性的前提下,能夠有效改善電壓輸出精度。

2.3混沌調(diào)制

鑒于工程中隨機調(diào)制中隨機信號都是偽隨機信號,其受序列長度的限制,對隨機性能有一定的影響,而且生成方法相對復雜,所以研發(fā)人員將混沌隊列引入了PWM調(diào)制。混沌系統(tǒng)具有內(nèi)在隨機性,即使簡單的迭代公式也可以產(chǎn)生十分復雜的運動,因此可以利用混沌信號代替?zhèn)坞S機信號,構(gòu)造混沌PWM調(diào)制方法。李冠林等人^[10]分析了l0gistic映射混沌隊列以及chua’s混沌隊列調(diào)制的功率譜密度,同時與傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制信號進行了對比,由試驗結(jié)果可見,混沌PWM調(diào)制可以明顯降低電機發(fā)出的電磁噪聲,而且頻譜比較連續(xù)。

2.4混合調(diào)制

無論是周期性調(diào)制、隨機性調(diào)制還是混沌調(diào)制,都不能在充分降低諧波峰值的同時又限制邊帶擴展范圍,以減少諧波向低頻處擴展。齊琛等人^[11]提出了一種混合PWM調(diào)制的方法,其利用周期正弦函數(shù)疊加混沌序列,也就是用混沌序列調(diào)制正弦函數(shù)的頻率,來生成新的調(diào)制函數(shù),利用新產(chǎn)生的調(diào)制函數(shù)來調(diào)制PWM波,論文給出了正弦、三角波以及各自結(jié)合logistic、cubic混沌信號的頻譜波形,可以看到混合調(diào)制后頻譜形狀和相應周期性調(diào)制頻譜形狀相似,邊帶范圍基本不變,而且調(diào)制后諧波連續(xù)分布,所以其峰值下降程度遠遠大于周期性調(diào)制,擁有了周期調(diào)制和混沌調(diào)制各自的優(yōu)點。

3 結(jié)束語

本文介紹了電力電子系統(tǒng)中開關(guān)電路存在的EMI問題,同時集中介紹了PWM展頻技術(shù)在降低EMI方面的應用,闡述了當前常見的PWM展頻方式—周期性展頻、隨機性展頻、混沌展頻等及其各自的特點以及存在的問題。在了解到這些展頻方式及其特點后,可以根據(jù)系統(tǒng)的具體需求,結(jié)合實現(xiàn)難度、邊帶效應、降低EMI的峰值大小等,選擇合適的展頻設計方案。

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《機電信息》2025年第12期第4篇