逆变器中应用PWM展频降低EMI的方式研究

0引言

如今电子产品无处不在,无论是生活中还是工业生产中,都离不开电子设备。随着电子系统越来越复杂,电子器件越来越多,电磁干扰对系统的影响越发不容忽视,轻则对电子元器件性能产生影响,重则使元器件的功能出错、通信中断等等,影响整个系统的功能和安全。

1 电磁干扰产生的原因和抑制方法

系统电磁兼容性主要有两个方面: 电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)。电磁干扰(EMI)是电子设备在自身工作中产生的电磁波,对外发射并对设备及其他设备造成干扰。电磁干扰是会干扰系统性能的电磁信号,通过电磁感应、静电耦合或传导来影响电路。而EMS指设备在运转时不受整个环境中有害电磁噪声影响的能力。对汽车、医疗以及测量设备制造商来说,如何消除或避免EMI是设计上的一个关键挑战。

针对电力电子设备的电磁兼容性问题,人们从不同电子器件的内部结构^[1]、开关器件的工作特性^[2]、高频开关的物理模型^[3]等角度分析了EMI产生的机理,提出了电磁干扰产生的三个主要因素:干扰源、传播途径、受扰对象。由于系统中这三个要素之间的相互作用,当设备在高频率、大功率环境下工作时,电压或电流突变,会引起很高的du/dt或di/dt,此时电子设备产生的电磁能量就会通过差模干扰回路和共模干扰回路的寄生电容和电感,耦合到其他设备或系统中,引起电磁场的剧烈变化,产生有害的电磁干扰信号。

降低EMI噪声有多种途径:一是抑制噪声源,二是隔离噪声耦合路径,三是采用滤波器和屏蔽技术。在近代电力电子系统中,由于广泛使用大电流、高电压、快速运行的功率开关器件,其开关波形特性给系统带来了高频传导和辐射噪声。PWM(脉宽调制)作为开关器件的核心控制模块,其控制方式严重影响着整个系统的EMI问题。展频调制(也叫抖动),对降低系统的EMI有着非常明显的作用,是一种减少电磁干扰噪声非常有效的方式。本文介绍了常见的PWM 的展频调制方式,以及不同展频方式给系统的EMI降低带来的收益和不足。

2 PWM的展频方式

信号辐射的一个关键因素是信号的能量,当信号的能量过于集中时,就容易导致信号能量在某一个频点处产生很大的能量发射。展频,也就是扩频时钟,通过在一定的频谱范围内分散时钟信号的频谱能量,分散集中在载波上的能量,可以有效降低EMI 的峰值能量,减少EMI的影响。

PWM的展频方式对PWM的EMI消除有着十分重要的作用,通常分为三种主要的展频方式:周期性调制、随机性调制以及混沌调制。

2.1 周期性调制

常见的周期性调制有正弦调制、三角波调制、Hersheykiss调制。在周期性调制中,有几个重要的参数跟调制效果紧密相关:调制速度、调制系数、调制深度等。调制速度(MR)是指输出时钟频率fo在设定的调制频率范围内的变化速度。调制速度应该远小于载波频率,同时应当高于人耳可识别的频率范围以免产生噪声。调制深度是指展频后时钟输出频率fo以调制速度MR偏移源时钟频率fc的大小,调制深度以偏移(Δf)源时钟频率的百分比来表示,而调制深度往往决定了降低EMI峰值的大小。Laxmansolankee 等人^[4]在论文里对周期性调制做了详细阐述,其调制形状如图1所示:正弦波、三角波和指数调制。其中,指数调制波形因为外形很像Hersheykiss公司的巧克力,所以又称为Hershey kiss调制。

采用不同的周期函数对时钟进行扩频,扩频后的频谱会有不同的能量分布。三种调制及其对应的调制频谱效果如图2所示^[5]。

图2(a)调制函数为正弦函数,图2(b)是周期正弦函数调制后的频谱;图2(c)调制函数为三角波,图2(d)是调制后的频谱;图2(e)是非线性Hersheykiss调制波形,而图2(f)则是调制后的频谱。可见三种调制函数均能将能量分散在一个频带上,对降低EMI都有明显的作用。但也可以看到,对于正弦函数,其大部分的谐波能量集中在频谱边缘,有明显的旁瓣效应;三角波也有此现象,但相比较正弦函数来说,已经有了明显的改变;而Hersheykiss调制,在整个带宽中频谱表现得比较平坦,没有明显的旁瓣现象。

周期性调制通过选择调制参数可以限制边带范围,但边带内频谱是离散的,峰值抑制能力不强。

2.2 随机性调制

随机调制技术是按照某种概率分布的随机信号来控制开关信号,使得定频PWM的开关变成非周期的随机信号,将集中在开关频率及其谐波频率上的能量分摊在整个频域带宽范围内,功率谱呈现连续的频谱特性,可以明显抑制开关功率电路中的EMI 问题。

根据随机的PWM参数不同,随机性调制又分为随机频率、随机相位两种调制方式。随机频率,即随机PWM周期,就是(n+1)的周期Tn+1和n周期的Tn是不同的、随机的,但是脉冲的上升时间是固定的,即 占空比不同。而随机相位是指PWM的周期是固定的,而脉冲的上升时间是不固定的。王颢雄等人^[6]对这两种随机方式都进行了分析和研究。试验发现,随机周期调制和随机脉冲位置调制都能降低系统的EMI,但随机周期的功率谱更加连续,对EMI的抑制更加有效。

随机脉冲和随机频率并不是割裂的,李尧等人^[7]将随机脉冲位置与随机频率结合,有效降低了开关频率以及倍频处的高频噪声,双随机的电压功率谱密度比单随机的电压功率谱密度更低,而且电压功率谱密度分布更加平滑。

在工程中,随机调制的实现有多种随机化过程,薛开昶等人^[8]利用通信领域的逆m序列,提出了一种低硬件成本和高EMI峰值抑制效果的方式,其利用了逆m序列的良好随机性以及二进制移相键控技术易于实现的优点。为解决因随机调制策略中的随机程度过大导致的开关频率变换器中输出电压波动及精度下降问题,王斌等人^[9]提出了结合马尔可夫链的双随机PWM技术,在不影响连续功率频谱特性的前提下,能够有效改善电压输出精度。

2.3混沌调制

鉴于工程中随机调制中随机信号都是伪随机信号,其受序列长度的限制,对随机性能有一定的影响,而且生成方法相对复杂,所以研发人员将混沌队列引入了PWM调制。混沌系统具有内在随机性,即使简单的迭代公式也可以产生十分复杂的运动,因此可以利用混沌信号代替伪随机信号,构造混沌PWM调制方法。李冠林等人^[10]分析了l0gistic映射混沌队列以及chua’s混沌队列调制的功率谱密度,同时与传统的SPWM调制信号进行了对比,由试验结果可见,混沌PWM调制可以明显降低电机发出的电磁噪声,而且频谱比较连续。

2.4混合调制

无论是周期性调制、随机性调制还是混沌调制,都不能在充分降低谐波峰值的同时又限制边带扩展范围,以减少谐波向低频处扩展。齐琛等人^[11]提出了一种混合PWM调制的方法,其利用周期正弦函数叠加混沌序列,也就是用混沌序列调制正弦函数的频率,来生成新的调制函数,利用新产生的调制函数来调制PWM波,论文给出了正弦、三角波以及各自结合logistic、cubic混沌信号的频谱波形,可以看到混合调制后频谱形状和相应周期性调制频谱形状相似,边带范围基本不变,而且调制后谐波连续分布,所以其峰值下降程度远远大于周期性调制,拥有了周期调制和混沌调制各自的优点。

3 结束语

本文介绍了电力电子系统中开关电路存在的EMI问题,同时集中介绍了PWM展频技术在降低EMI方面的应用,阐述了当前常见的PWM展频方式—周期性展频、随机性展频、混沌展频等及其各自的特点以及存在的问题。在了解到这些展频方式及其特点后,可以根据系统的具体需求,结合实现难度、边带效应、降低EMI的峰值大小等,选择合适的展频设计方案。

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《机电信息》2025年第12期第4篇