電力電子變換器全數(shù)字化有源共模電磁干擾抑制技術(shù)研究.pdf

1、高速功率開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)用大大加快了電力電子裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，降低了裝置的體積與重量。然而功率器件的高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作所引起電壓與電流瞬變將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾(EMI)問(wèn)題，其中共模EMI在變換器中占主要地位。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)已提出的共模EMI抑制方案大體分為改進(jìn)PWM策略型、無(wú)源濾波型和有源/無(wú)源對(duì)消型三大類(lèi)。針對(duì)目前共模EMI抑制中存在的問(wèn)題，本文提出了采用全數(shù)字化并聯(lián)有源共模EMI 抑制技術(shù)，進(jìn)行了以下六個(gè)方面的工作。
　　 ⑴以單相全

2、橋逆變器為例，對(duì)多橋臂開(kāi)關(guān)變換器的共模EMI 產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究，討論了共模EMI 噪聲源和傳播路徑，指出基于噪聲源串聯(lián)等效電路的不足，提出了一種基于噪聲源并聯(lián)等效的單相全橋逆變器共模EMI 等效電路。從時(shí)域和頻域的角度，分析了單相全橋逆變器產(chǎn)生的共模電流波形與頻譜特征，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了并聯(lián)等效電路的正確性。說(shuō)明該等效電路適用疊加原理，能夠更清晰地反映多橋臂電路中共模電流的傳播機(jī)理。此外，該等效電路中每個(gè)橋臂中點(diǎn)的對(duì)地電容以及噪聲源

3、幅值都可以是不同的，為并聯(lián)有源共模EMI 抑制技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)，為補(bǔ)償電路參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　　 ⑵分析了單極倍頻和雙極性調(diào)制下單相全橋逆變器的共模電磁干擾，指出雙極性SPWM 調(diào)制下，單相全橋逆變器共模EMI理論上為0。但在實(shí)際裝置中，由于驅(qū)動(dòng)電路的傳輸延時(shí)不一致，導(dǎo)致兩橋臂對(duì)角開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖不能?chē)?yán)格同步，從而使逆變器共模干擾變大。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖沿能夠有效的降低共模EMI水平，并提出了自調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖沿思路。對(duì)于不

4、存在兩個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)共模噪聲源的場(chǎng)合，提出可以外加專(zhuān)門(mén)的補(bǔ)償電路，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)有源共模EMI 抑制。分析了并聯(lián)有源共模EMI 抑制中當(dāng)補(bǔ)償電流與噪聲源共模電流大小相等方向相反時(shí)，補(bǔ)償電路與被補(bǔ)償橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)不一致將影響共模電流抑制效果，與雙極性調(diào)制下驅(qū)動(dòng)脈沖延時(shí)不一致的問(wèn)題具有相似性，指出共模噪聲評(píng)估技術(shù)和脈沖沿閉環(huán)調(diào)整是系統(tǒng)中需要解決的兩個(gè)主要技術(shù)。
　　 ⑶針對(duì)數(shù)字化閉環(huán)控制系統(tǒng)中只需知道共模電流總體水平的變化趨勢(shì)，并不需共模

5、電流的詳細(xì)頻譜的情況，提出了以共模電流能量作為共模噪聲的評(píng)估指標(biāo)。研究了共模電流能量與全橋逆變器兩橋臂對(duì)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)之間的關(guān)系，結(jié)果表明共模電流能量在整個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)時(shí)間內(nèi)呈“V”字型對(duì)稱(chēng)衰減振蕩，共模電流能量存在多個(gè)極小值。針對(duì)共模電流的檢測(cè)問(wèn)題，提出了兩種方案：一是基于FPGA的共模電流檢測(cè)系統(tǒng)，F(xiàn)PGA專(zhuān)門(mén)采樣共模電流并計(jì)算共模電流能量，DSP實(shí)現(xiàn)變換器的控制并從FPGA 讀取共模電流能量，作為抑制控制系統(tǒng)中的反饋量；二是基于

6、整流濾波后求能量的共模電流檢測(cè)方法，通過(guò)分析整流濾波前后共模電流能量的關(guān)系說(shuō)明了這種方法的可行性和有效性。此時(shí)，DSP既要控制變換器，又采集共模電流和計(jì)算共模電流能量。
　　 ⑷根據(jù)共模電流能量與驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)之間的關(guān)系，針對(duì)大多情況下信號(hào)延時(shí)時(shí)間在±T/2(T為共模電流的振蕩周期)范圍內(nèi)，關(guān)系曲線(xiàn)呈“V”型對(duì)稱(chēng)，提出基于局部最優(yōu)搜索算法的共模電流能量搜索，同時(shí)指出當(dāng)關(guān)系曲線(xiàn)中存在多個(gè)極小值時(shí)容易陷入局部最小值的缺陷?？紤]DSP

7、控制器中的編程實(shí)現(xiàn)，本文提出采用模擬退火搜索算法尋找共模電流能量的全局最小值。研究了模擬退火算法在共模電流能量和驅(qū)動(dòng)脈沖延時(shí)關(guān)系曲線(xiàn)上的搜索過(guò)程，提出采用一種在搜索過(guò)程中保留中間最優(yōu)解的改進(jìn)模擬退火算法，通過(guò)仿真說(shuō)明改進(jìn)的模擬退火算法在搜索速度和搜索精度上的提高。
　　 ⑸論述了數(shù)字化閉環(huán)控制的并聯(lián)型共模電磁干擾抑制技術(shù)基本結(jié)構(gòu)，討論了直接并聯(lián)補(bǔ)償電路和間接并聯(lián)補(bǔ)償電路兩種形式，即直接由逆變器直流母線(xiàn)提供以及外置低壓直流電源。利

8、用基于噪聲源并聯(lián)等效的共模電流模型討論了補(bǔ)償電路的輸出電容和耦合電容的計(jì)算。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了補(bǔ)償電路輸出電壓的dv/dt 以及輸出電容影響著補(bǔ)償電流的最大值和振蕩頻率。
　　 ⑹建立了基于F2812數(shù)字化并聯(lián)有源共模EMI 抑制的單相半橋逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)高精密的全波整流濾波電路處理高頻EMI電流，獲取共模電流能量的評(píng)估指標(biāo)，采用改進(jìn)模擬退火搜索算法調(diào)整補(bǔ)償電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖沿，實(shí)現(xiàn)共模電流最小能量的搜索，從而抑制EMI水平。實(shí)驗(yàn)