• 头条北航和清华学者发表开关变换器传导干扰抑制策略的研究综述
    2022-08-22 作者:何杰、刘钰山 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语开关变换器广泛应用于可再生能源并网、电机驱动系统、消费电子供电等领域,其电磁干扰问题日益突出,因此该问题的解决非常重要。北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院、电力系统国家重点实验室(清华大学电机系)的研究人员何杰、刘钰山、毕大强、李晓,在2022年第6期《电工技术学报》上撰文,总结开关变换器传导干扰抑制策略及其最新进展,重点说明这些策略的基本原理、研究现状和作用特点,并对开关变换器传导干扰抑制技术的关键问题和发展前景进行了讨论和总结。

    与传统的电能转换设备相比,开关变换器在体积、质量、效率等方面明显占优,因而被广泛应用于各种领域,如可再生能源并网、电机驱动系统、消费电子供电等。随着电力电子技术的发展,开关变换器的功率密度、开关频率、开关速度等逐渐提高、电路结构逐渐复杂、应用领域逐渐拓展,这导致其电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)问题日益增多且日趋严重。

    电磁干扰是指电磁能量以辐射或传导的方式对器件、设备、系统或生命组织造成的意外不利影响。电磁干扰可分为辐射干扰和传导干扰,前者通过空间传播,后者通过电路传播。传导干扰又可分为共模干扰和差模干扰。共模干扰流通回路由相线/中线和地线构成,不同相线/中线的共模电流大小相等、相位相同;差模干扰流通回路由不同相线/中线构成,不同相线/中线的差模电流大小相等、相位相反。

    为避免电磁干扰,有关国际组织和大多数国家纷纷制定电磁兼容标准,规定了包括电磁发射限值和测量在内的诸多规范。辐射发射通常规定在30MHz以上的频段内,它可以在半电波暗室或开阔场中进行测量,半电波暗室用以模拟开阔场,其主要作用是屏蔽室外电磁发射和防止墙面反射室内辐射发射;传导发射通常规定在150kHz~30MHz的频段内,它必须采用线路阻抗稳定网络进行测量,线路阻抗稳定网络的主要作用是为受试设备电源线与参考地之间提供稳定阻抗,使受试设备隔离电源端的干扰信号,为测量仪器提供测量端口等。

    电磁干扰的三要素是干扰源、耦合路径和受扰体,因此抑制电磁干扰的基本思路是削减干扰源的电磁发射、阻断电磁干扰的耦合路径和增强受扰体的抗扰度。有学者给出了一些通用性较强或针对特定电子系统的电磁干扰抑制方法,涉及屏蔽、滤波、接地、布线、频谱管理、时间分离、空间分离和电气隔离等。

    对开关变换器而言,传导干扰比辐射干扰更易产生且危害更大。开关变换器传导干扰的噪声来源按频率成分从低到高可大致分为电网频率谐波、开关频率谐波和开关暂态噪声,电网频率谐波是功率二极管或晶闸管整流器对工频交流电整流的产物,后两者是功率开关器件进行开关工作和功率二极管电流进行反向恢复的产物。

    电网频率谐波主要集中在几十Hz到几百kHz之间,其在规定的传导发射测量频段内已经大幅衰减,因此其引起的传导干扰较小。由于功率二极管不可控、晶闸管只能控制导通而不能控制关断,因此不能通过改变控制策略来主动减小电网频率谐波,一般只能通过滤波来抑制电网频率谐波引起的传导干扰。

    开关变换器传导干扰的主要噪声来源是开关频率谐波和开关暂态噪声,这两者都可由开关波形表征。前者是开关波形的谐波分量,集中在几kHz到几十MHz之间,主要由调制策略决定;后者是开关波形的暂态分量,具有很宽的频谱,主要受功率开关器件及其门极驱动的特性、功率二极管特性、功率器件/模块封装、电路板设计等影响。

    基于开关频率谐波和开关暂态噪声的这些特点,除通用性较强的滤波外,开关变换器传导干扰抑制策略还呈现出较高的独特性。针对开关频率谐波引起的传导干扰,一般可以通过改进脉宽调制策略来抑制。针对开关暂态噪声引起的传导干扰,除选择合适型号的功率器件/模块外,还可以通过改进功率器件/模块封装、优化电路板设计、改善开关过程等来抑制。此外,特殊的电桥平衡与反相补偿策略也能抑制部分传导干扰。

    开关变换器传导干扰抑制策略分类如图1所示。图1对这些策略进行了概括,值得注意的是,改进功率器件/模块封装、优化电路板设计、改善开关过程对开关变换器辐射干扰也有抑制作用。

    图1 开关变换器传导干扰抑制策略分类

    目前,有关学者对开关变换器传导干扰抑制策略进行了总结,但不够全面和深入。基于此,北京航空航天大学、清华大学电机系的研究人员从阻断传导干扰的耦合路径和消减干扰源的传导发射两大方面,全面深入地梳理了图1所列的各类开关变换器传导干扰抑制策略,并介绍了最新研究进展,致力于阐述相关策略的基本原理、研究现状和作用特点等。

    他们指出开关变换器传导干扰抑制策略主要包括滤波、电桥平衡、反相补偿、改进脉宽调制、改进功率器件/模块封装、优化电路板设计、改善开关过程等。这些策略分为两大类:一类用于传导干扰耦合路径;一类用于传导干扰源。前者更加有效,但明显增加了系统的体积或质量;后者更加灵活,但控制和设计更加复杂。

    另外,研究人员认为,电力电子技术仍在快速发展,开关变换器传导干扰问题日趋复杂,其抑制技术在很多方面仍有待研究和发展。他们就主要问题进行了探讨并给出相关技术展望。

    (1)综合考虑开关变换器传导干扰问题。开关变换器传导干扰问题的解决是个系统性工程,即其抑制技术不是孤立的,测量、建模、仿真和分析方法都是深入理解、研究和应用其抑制技术的重要基础。

    (2)自动化设计电磁干扰滤波器。开关变换器传导干扰抑制策略众多,但是目前滤波仍是最有效的工程解决方案,因此电磁干扰滤波器的设计和优化仍是研究重点。由于开关变换器的开关器件、电路拓扑、工作负载、电路板设计等存在差异,传统电磁干扰滤波器设计的通用性较差,而借助计算机辅助技术及先进算法进行自动设计,则能够简化设计成本,因而应成为重要研究方向。

    (3)结合滤波和削减干扰源传导发射的策略。在干扰源处抑制传导干扰的策略更加灵活,能够抑制给定频率范围的谐波或噪声。将这类策略与滤波相结合,能减小电磁干扰滤波器的体积或质量,并提高开关变换器的功率密度。

    (4)开关变换器其他性能的评估。很多策略以降低开关变换器传导干扰为唯一目的,这很可能会损害功率变换系统的其他性能,如功率密度、开关损耗、电流纹波、电机转矩脉动等,包含电磁干扰抑制能力的特定目标优化控制策略应成为重要研究方向。

    (5)应用场景和工作条件的要求。开关变换器用途日益广泛,如并网变换器、轨道交通牵引变流器、电动汽车牵引逆变器、航空航天开关电源等,由于它们所在电力电子系统的物理和电磁环境不同,除电磁兼容性外,其物理结构、可靠性、电压/电流等级、电能质量等要求也往往不同,电磁干扰抑制策略必须充分考虑这些要求。

    (6)大功率、模块化开关变换器的电磁干扰。随着智能电网/电能路由器的发展,大功率、模块化的并网变换器成为研究热点,该类变换器开关器件众多、拓扑结构复杂,电磁干扰问题也更加严重,当前针对该问题的研究尚处于初级阶段。

    (7)宽禁带基开关变换器的电磁干扰。随着宽禁带半导体的应用,开关变换器的开关频率明显提高、开关波形振荡问题明显加重,这导致开关变换器的传导和辐射干扰问题更加严重,对宽禁带半导体器件特性、封装设计的研究应成为重点。

    (8)开关变换器内部弱电电路的电磁干扰。传统的抑制策略主要作用于开关变换器对外部电路的传导干扰,而非对内部控制、驱动、采样电路的传导干扰,后者应成为重要研究方向。

    本文编自2022年第6期《电工技术学报》,论文标题为“开关变换器传导干扰抑制策略综述”。论文第一作者为何杰,1995年生,北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院硕士研究生,研究方向为SiC器件驱动设计和功率变换器控制。通信作者为李晓,1990年生,北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院博士,研究方向为模型预测控制、宽禁带器件的应用、电力电子技术在电力系统中的应用。本课题得到了国家自然科学基金、北京市科技新星计划和清华大学电力系统及大型发电设备安全控制和仿真实验室开放课题的资助。