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(shè)備。隨著電子系統(tǒng)越來越復(fù)雜,電子器件越來越多,電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響越發(fā)不容忽視,輕則對(duì)電子元器件性能產(chǎn)生影響,重則使元器件的功能出錯(cuò)、通信中斷等等,影響整個(gè)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(gè)方面: 電磁干擾(EMI)和電磁敏感度(EMS)。電磁干擾(EMI)是電子設(shè)備在自身工作中產(chǎn)生的電磁波,對(duì)外發(fā)射并對(duì)設(shè)備及其他設(shè)備造成干擾。電磁干擾是會(huì)干擾系統(tǒng)性能的電磁信號(hào),通過電磁感應(yīng)、靜電耦合或傳導(dǎo)來影響電路。而EMS指設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不受整個(gè)環(huán)境中有害電磁噪聲影響的能力。對(duì)汽車、醫(yī)療以及測(cè)量設(shè)備制造商來說,如何消除或避免EMI是設(shè)計(jì)上的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對(duì)電力電子設(shè)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(jī)理,提出了電磁干擾產(chǎn)生的三個(gè)主要因素:干擾源、傳播途徑、受擾對(duì)象。由于系統(tǒng)中這三個(gè)要素之間的相互作用,當(dāng)設(shè)備在高頻率、大功率環(huán)境下工作時(shí),電壓或電流突變,會(huì)引起很高的du/dt或di/dt,此時(shí)電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁能量就會(huì)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(shè)備或系統(tǒng)中,引起電磁場(chǎng)的劇烈變化,產(chǎn)生有害的電磁干擾信號(hào)。

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(yùn)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(dǎo)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(yán)重影響著整個(gè)系統(tǒng)的EMI問題。展頻調(diào)制(也叫抖動(dòng)),對(duì)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(hào)輻射的一個(gè)關(guān)鍵因素是信號(hào)的能量,當(dāng)信號(hào)的能量過于集中時(shí),就容易導(dǎo)致信號(hào)能量在某一個(gè)頻點(diǎn)處產(chǎn)生很大的能量發(fā)射。展頻,也就是擴(kuò)頻時(shí)鐘,通過在一定的頻譜范圍內(nèi)分散時(shí)鐘信號(hào)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(duì)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(jī)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(gè)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(shí)鐘頻率fo在設(shè)定的調(diào)制頻率范圍內(nèi)的變化速度。調(diào)制速度應(yīng)該遠(yuǎn)小于載波頻率,同時(shí)應(yīng)當(dāng)高于人耳可識(shí)別的頻率范圍以免產(chǎn)生噪聲。調(diào)制深度是指展頻后時(shí)鐘輸出頻率fo以調(diào)制速度MR偏移源時(shí)鐘頻率fc的大小,調(diào)制深度以偏移(Δf)源時(shí)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(duì)周期性調(diào)制做了詳細(xì)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?yàn)橥庑魏芟馠ersheykiss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(duì)時(shí)鐘進(jìn)行擴(kuò)頻,擴(kuò)頻后的頻譜會(huì)有不同的能量分布。三種調(diào)制及其對(duì)應(yīng)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(gè)頻帶上,對(duì)降低EMI都有明顯的作用。但也可以看到,對(duì)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(yīng);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(gè)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(qiáng)。

2.2 隨機(jī)性調(diào)制

隨機(jī)調(diào)制技術(shù)是按照某種概率分布的隨機(jī)信號(hào)來控制開關(guān)信號(hào),使得定頻PWM的開關(guān)變成非周期的隨機(jī)信號(hào),將集中在開關(guān)頻率及其諧波頻率上的能量分?jǐn)傇谡麄€(gè)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(jī)的PWM參數(shù)不同,隨機(jī)性調(diào)制又分為隨機(jī)頻率、隨機(jī)相位兩種調(diào)制方式。隨機(jī)頻率,即隨機(jī)PWM周期,就是(n+1)的周期Tn+1和n周期的Tn是不同的、隨機(jī)的,但是脈沖的上升時(shí)間是固定的,即 占空比不同。而隨機(jī)相位是指PWM的周期是固定的,而脈沖的上升時(shí)間是不固定的。王顥雄等人^[6]對(duì)這兩種隨機(jī)方式都進(jìn)行了分析和研究。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨機(jī)周期調(diào)制和隨機(jī)脈沖位置調(diào)制都能降低系統(tǒng)的EMI,但隨機(jī)周期的功率譜更加連續(xù),對(duì)EMI的抑制更加有效。

隨機(jī)脈沖和隨機(jī)頻率并不是割裂的,李堯等人^[7]將隨機(jī)脈沖位置與隨機(jī)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(jī)的電壓功率譜密度比單隨機(jī)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(jī)調(diào)制的實(shí)現(xiàn)有多種隨機(jī)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(jī)性以及二進(jìn)制移相鍵控技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。為解決因隨機(jī)調(diào)制策略中的隨機(jī)程度過大導(dǎo)致的開關(guān)頻率變換器中輸出電壓波動(dòng)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(jī)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(jī)調(diào)制中隨機(jī)信號(hào)都是偽隨機(jī)信號(hào),其受序列長(zhǎng)度的限制,對(duì)隨機(jī)性能有一定的影響,而且生成方法相對(duì)復(fù)雜,所以研發(fā)人員將混沌隊(duì)列引入了PWM調(diào)制。混沌系統(tǒng)具有內(nèi)在隨機(jī)性,即使簡(jiǎn)單的迭代公式也可以產(chǎn)生十分復(fù)雜的運(yùn)動(dòng),因此可以利用混沌信號(hào)代替?zhèn)坞S機(jī)信號(hào),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(duì)列以及chua’s混沌隊(duì)列調(diào)制的功率譜密度,同時(shí)與傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比,由試驗(yàn)結(jié)果可見,混沌PWM調(diào)制可以明顯降低電機(jī)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(jī)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(shí)又限制邊帶擴(kuò)展范圍,以減少諧波向低頻處擴(kuò)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(hào)的頻譜波形,可以看到混合調(diào)制后頻譜形狀和相應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)。

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(shí)集中介紹了PWM展頻技術(shù)在降低EMI方面的應(yīng)用,闡述了當(dāng)前常見的PWM展頻方式—周期性展頻、隨機(jī)性展頻、混沌展頻等及其各自的特點(diǎn)以及存在的問題。在了解到這些展頻方式及其特點(diǎn)后,可以根據(jù)系統(tǒng)的具體需求,結(jié)合實(shí)現(xiàn)難度、邊帶效應(yīng)、降低EMI的峰值大小等,選擇合適的展頻設(shè)計(jì)方案。

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《機(jī)電信息》2025年第12期第4篇