Высокая частота и большая емкость силовых электронных устройств не только приводят к увеличению электрического напряжения и коммутационным потерям устройства, но также создают широкополосные электромагнитные помехи, которые трудно подавить [1-3], вызывая серьезное электромагнитное загрязнение устройства. электросети и окружающей среде, И даже угрожают нормальной работе самого себя и другого электронного оборудования, связанного с ней. Данная статья начинается с описания механизма источников электромагнитных помех в силовых электронных устройствах, обобщает результаты последних зарубежных исследований за последние годы и посвящена анализу и сравнению характеристик электромагнитных помех при жестком переключении и мягком переключении. Ключевые слова: импульсный преобразователь, электромагнитная совместимость, жесткое переключение, мягкое переключение. 1 Введение Силовые электронные устройства известны своей высокой эффективностью преобразования энергии и все более широко используются в промышленных и гражданских преобразователях энергии и управлении приводами. Подсчитано, что 70% электроэнергии в промышленном производстве преобразуется силовыми электронными устройствами, прежде чем они будут использоваться людьми. В конце 1980-х годов практические и мощные устройства управления силовым полем заставили силовые электронные устройства вступить в эру высокой частоты и большой емкости. Из-за очень крутых передних и задних фронтов (di / dt до 1A / ns, dv / dt до 3V / ns) импульсов во время процесса коммутации силовых электронных устройств возникают серьезные электромагнитные помехи. Эти помехи образуют помехи проводимости и излучения через связь в ближнем и дальнем поле, что серьезно загрязняет окружающую электромагнитную среду и систему электропитания. Это не только снижает надежность самой схемы преобразования, но и серьезно влияет на качество работы электросети и смежного оборудования. С развитием электронной информационной индустрии силовые электронные устройства с переключающими преобразователями в качестве ядра широко используются почти во всех электронных устройствах, таких как различное оконечное оборудование и коммуникационное оборудование, управляемое электронными компьютерами. В годовом отчете Энергетического электронного центра Вирджинии (VPEC) за 1997 год было написано следующее: Если развитие микропроцессорной технологии способствует развитию компьютерной частоты с 16 МГц в 1985 году до сегодняшних 200 МГц, то следующий скачок к ГГц. в основном определяется развитием технологий силовой электроники [4]. Когда микросхема работает на частоте ГГц, источник питания должен подавать питание на логический вентиль с достаточно высокой скоростью согласования (в случае Pentiumpro скорость подачи тока нагрузки должна составлять 30 А / мкс), поэтому Intel снизить тактовую частоту микропроцессора Pentium Важная причина для этого [4]. Поэтому необходимо срочно решить проблему электромагнитной совместимости силовых электронных устройств. В последние годы, с развитием технологии силовой электроники, емкость устройств переключения мощности становилась все больше и больше (например, SCR (кремниевый управляемый выпрямитель) имеет продукты на 4000 А / 8000 В, а IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) имеет 3500 В. / 2400A) частота коммутации становится все выше и выше, вплоть до нескольких МГц, а размеры устройства становятся все меньше и меньше. Если взять в качестве примера источник питания постоянного и переменного тока, то текущий внутренний уровень составляет 30 Вт / дюйм3, в то время как международный уровень составляет 120 Вт / дюйм3 и, как ожидается, достигнет 240 Вт / дюйм3 в 2000 году. Эти факторы требуют дальнейшего усиления исследований по характеристики электромагнитных помех и предотвращение силовых электронных устройств. Особенно на стадии проектирования критически важной проблемой стала оценка характеристик помех новых устройств, сокращение цикла их разработки и улучшение электромагнитной совместимости силовых электронных устройств. 2 Исследовательские исследования источников электромагнитных помех силовых электронных устройств В процессе изучения источников электромагнитных помех силовых электронных устройств люди провели большое количество экспериментов и постоянно обобщали новый опыт. Еще в 1983 году компания Schneider разработала методику тестирования характеристик импеданса источника импульсного источника питания во время работы. Это метод, в котором используется скалярный метод измерения спектра шума для определения действительной и мнимой частей импеданса источника. Эта технология выбирает мнимую часть колебаний между реактивной нагрузкой и источником шума, а реактивная часть источника шума может определяться частотой колебаний. Действительная часть импеданса источника определяется пиковым значением колеблющегося шумового тока. Тестирование импеданса в основном выполняется в полосе частот 10 кГц 1 МГц. По результатам испытаний Шнайдер предложил эквивалентную схему синфазного и дифференциального шума, описывающую характеристики источника шума на стороне переменного тока импульсного источника питания [5]. Поскольку радиационный эффект синфазного тока обычно намного больше, чем радиационный эффект дифференциального тока [6], необходимо различать синфазные помехи и дифференциальные помехи в системе. Исследовательский центр VPEC предложил сумматор мощности [7], количественное измерение синфазных и дифференциальных помех проводимости в системе. В силовых электронных устройствах внутренние механизмы синфазного шума и дифференциального шума также различаются. Дифференциальный шум в основном вызван пульсирующим током переключающего преобразователя; синфазный шум в основном вызван высокочастотными колебаниями, вызванными взаимодействием между более высокими значениями dv / dt и паразитными параметрами. Как показано на рисунке 1, синфазный ток iCM включает в себя ток смещения, подключенный к заземляющей поверхности. В то же время, поскольку dv / dt на выводе переключающего устройства является самым большим, паразитная емкость Ck между переключающим устройством и радиатором также будет генерироваться. Ток синфазного режима. Для разных систем конкретные причины синфазных и дифференциальных помех не совпадают. В соответствии с различными путями распространения электромагнитные помехи подразделяются на кондуктивные помехи и излучаемые помехи, которые обсуждаются отдельно, и объясняется исследование характеристик ближнего поля переключающего преобразователя.
Рисунок 1 Путь синфазного тока автономного преобразователя
Рис.1 Путь синфазного тока в автономном преобразователе
2.1 Исследование проводимости источников кондуктивных помех является важным способом распространения помех в силовых электронных устройствах. Различные силовые электронные устройства имеют разные конкретные причины кондуктивных помех. Например, в системе выпрямителя SCR генерация помех проводимости в дифференциальном режиме в основном основана на двух факторах [8]: первый - это явление перекрытия коммутации, вызванное индуктивностью линии электропередачи; другой - характеристики переключения полупроводника и физические характеристики, определяющие его токовые характеристики. . В то же время явление восстановления тиристора в выпрямительной системе SCR может иметь два результата: первый - увеличить время перекрытия коммутации; другой - добавить к тиристору экспоненциально затухающий ток. Измеренное явление восстановления тиристора может увеличить общие помехи на 4 ~ 5 дБ. В качестве другого примера, Siemens 'Klotz et al. [9] изучали общий режим IGBT-преобразователей 5-10 кВА при различных рабочих напряжениях, рабочих токах, частотах переключения, корпусе модуля, схемах затвора, температуре, условиях заземления и дополнительных компонентах. По сравнению с источником помех проводимости в дифференциальном режиме сделан вывод, что основным источником помех в дифференциальном режиме является ток обратного восстановления свободного диода. При этом указывается, что паразитные параметры нагрузки будут оказывать определенное влияние на спектр помех. Исследование Teuling, Schnaen и Roudet из лаборатории электрических технологий французского Гренобля (далее LEG) [10], основанное на экспериментальной модели цепи прерывателя мощностью 400 Вт, состоящей из полевых МОП-транзисторов и частотой переключения 100 кГц, показывает, что синфазный шум является связанных с переключением напряжения. Шум режима связан с переключением тока, и оба могут возникать одновременно. Например, когда в этой модели полевой МОП-транзистор выключен, ток отключается, и напряжение демонстрирует ослабленные колебания. Следовательно, синфазный шум и дифференциальный шум в настоящее время сосуществуют. Обычно доминируют низкочастотные помехи в режиме разности времени, а на высоких частотах преобладают синфазные помехи. Махдави из Технологического университета ШАРИФ и Руде и Шайх из LEG et al. [11] разработала модель однофазного преобразователя переменного / постоянного тока с предварительным регулятором коэффициента мощности (PFP) мощностью 500 Вт. При исследовании механизма излучения программа моделирования MC2 используется для расчета гармоник тока, вводимых в источник питания. Модель хорошо согласуется с результатами испытаний в частотном диапазоне, в 10 раз превышающем частоту коммутации. В исследовании EMI в дифференциальном режиме PFP' Рейс предсказал, что, когда преобразователь работает в разных режимах, характеристики EMI также различаются [13]. Эркуан Чжонг и Лип из Университета Висконсин-Мэдисон в США [12] использовали инверторную систему с ШИМ мощностью 8 кВА, приводящую в действие асинхронный двигатель мощностью 7,46 кВт (10 л.с.) в качестве экспериментальной модели. Исследование показало, что инверторная система с ШИМ, управляемая мощным высокоскоростным двигателем, питает источник питания. В пульсирующий ток до нескольких А, приводящий к сильным кондуктивным электромагнитным помехам (в этой экспериментальной модели до 120 дБмкВ) и искажению формы волны напряжения источника питания (напряжение режекции до 50 В, на 20% больше номинального напряжения), полоса частот сигналов помех довольно широк, он не только включает в себя компоненты помех частоты коммутации и ее гармоники, но также распространяется на радиочастотный диапазон. Dv / dt (до 3 кВ / мкс, длительностью несколько нс), генерируемое силовым устройством во время процесса переключения, взаимодействует с паразитной емкостью между коммутирующим устройством и землей, что создает зарядные и разрядные токи на клеммах источника питания, вызывая электромагнитные помехи. В то же время нелинейные характеристики переключения коммутационных устройств генерируют много гармоник. Они также указали, что ток обратного восстановления диода является основным источником интерференции дифференциального режима в системе. Исследования кондуктивных помех силовых электронных устройств, особенно синфазных и дифференциальных кондуктивных помех, составляют основу для разработки фильтров электромагнитных помех. 2.2 Исследование источников излучаемых помех По сравнению с кондуктивными помехами излучаемые помехи силовых электронных устройств более сложны. Это связано с тем, что в качестве устройства преобразования энергии мощность преобразования колеблется от милливатт до мегаватт, а основной контур и контур управления часто состоят из разных компонентов. По сравнению с электронными устройствами, сосредоточенными на печатной плате, пространственная структура у него более сложная. Поэтому анализ и расчет соответствующих паразитных параметров и излучаемых помех более сложны [2], и в настоящее время существует не так много связанных исследований. Среди них Орланди и Шайх [14] исследовали источник радиационных помех в цепи выпрямителя SCR. Они сосредоточились на анализе взаимосвязи между током синфазного режима (во временной области и в частотной области) и полем излучения и полагали, что ток синфазного режима связан с управляющим импульсом и паразитными параметрами от управляющей части. Градиент напряжения между паразитными емкостями способствует синфазному току. При распространении градиент напряжения на переднем фронте импульса генерирует синфазный ток паразитной емкости. Более того, быстрый импульс тока вызывает ненужное напряжение на металлических частях тринистора (корпус и радиатор) и становится источником излучения. Чтобы определить модель излучения импульсного преобразователя, профессора Антонини и Кристина и профессор Орланди из Римского университета создали дипольную модель излучения для преобразовательной части импульсного источника питания с частотой переключения 75 кГц и 150 кГц соответственно [15]. . Однако при определении распределения линейного тока используется модель линии передачи эквивалентной однородной среды. Модель результата хорошо согласуется с экспериментальными выводами в диапазоне частот ниже 10 МГц, но в диапазоне частот выше 10 МГц преобладает синфазное излучение из-за влияния различных паразитных параметров. При определении распределения тока в синфазном режиме модель линии передачи больше не действует. Фактически, характеристики электромагнитного излучения силовых электронных устройств этим не ограничиваются. Например, излучатели, широко используемые в силовых электронных устройствах, часто демонстрируют характеристики электромагнитных колебаний, которые усиливают радиочастотное электромагнитное излучение силовых электронных устройств. Радиатор обычно имеет сложную геометрию, имеет характеристики многодиапазонного РЧ излучения и устанавливается вне устройства. Следовательно, радиатор, вероятно, будет действовать как эффективная излучающая антенна на одной или нескольких гармониках частоты переключения. Исследования в этой области также ведутся, например, Райан, Стоун и Чемберс [16], использующие метод FDTD для предварительного прогнозирования диаграммы направленности электромагнитного излучения РЧ от ребристого излучателя. 2.3" Исследование характеристик ближнего поля" Согласно IEC22G-WG4-11 силовые электронные устройства обычно состоят из двух частей, а именно блока преобразования мощности и блока управления. Частота переключения схемы переключения переключения обычно составляет от десятков кГц до сотен кГц. Переходные процессы напряжения и тока, возникающие в процессе переключения, являются источниками помех, которые создают помехи проводимости и излучения. Энергии электромагнитного излучения, генерируемого блоком преобразования энергии, достаточно, чтобы поставить под угрозу нормальную работу расположенного поблизости блока управления [15]. Следовательно, прогнозирование характеристик ближнего поля блока преобразования энергии и обеспечение нормальной работы схемы управления имеет большое значение для разработки ЭМС устройства электронного преобразования энергии. Чтобы исследовать характеристики импульсного источника питания (SMPS) в ближней зоне, Atonini et al. В [15] была создана простая экспериментальная модель ИИП на основе печатной платы. При выполнении расчетов ближнего поля они разделили каждый сегмент экспериментальной схемы на несколько последовательных диполей Герца. Поскольку электростатический член играет доминирующую роль в области ближнего поля, он представляет поле, создаваемое электростатическим зарядом, накопленным на одном диполе; когда несколько диполей соединены последовательно, так как расстояние r находится между центром диполя и контрольной точкой Следовательно, электростатические составляющие не могут быть отменены, что приводит к большому электростатическому полю, в результате чего прогнозируемое значение оказывается выше фактического значение. Следовательно, при интегрировании уравнения излучения вдоль контура посредством специальной обработки устраняется эффект ложного электростатического заряда, вызванный интегрированием уравнения диполя, и устанавливается более точная модель ближнего поля (электрического и магнитного поля). Расчеты показывают, что на расстоянии 3 м от экспериментальной модели разница электрического поля между скорректированной моделью и моделью до коррекции составляет 40 дБ в низкочастотном диапазоне, а в высокочастотном диапазоне они имеют тенденцию совпадать. Результат теста показывает, что в полосе частот ниже 10 МГц рассчитанное значение очень согласуется с измеренным значением. В полосе частот выше 10 МГц преобладает влияние синфазного тока, и описанная выше модель расчета больше не действует. Основное влияние на характеристики ближнего поля силовых электронных устройств оказывает главная цепь силового преобразователя. Cristina et al. [17] исследовали изменения диаграммы направленности, пространственное распределение ближнего поля и характеристики излучения преобразователя при различных условиях нагрузки и пришли к выводу, что при различных условиях нагрузки импульсный источник питания может иметь электрические диполи. Или характеристики магнитного диполя. Это очень важно для выбора и разработки подходящей схемы экранирования. LEG' s Youssef and Roudet et al. [18] использовали МОП-транзистор в качестве переключающего элемента для создания простой модели понижающего преобразователя. Они предполагают, что схема представляет собой приблизительно тонкую структуру, и предполагают, что ток в каждой части схемы одинаков, и вычисляют распределение ближнего поля на основе формы волны тока во временной области во время операции переключения. В то же время метод зеркального отображения используется для изучения изменений электромагнитного излучения, когда заземленная проводящая плоскость находится под цепью источника помех, и делается вывод о том, что электромагнитное излучение уменьшается под влиянием проводящей заземляющей пластины. Видно, что исследования характеристик силовых электронных устройств в ближней зоне только начались, а полная и точная модель еще не создана. Характеристики ближнего поля, особенно в высокочастотном диапазоне, усложняются под влиянием различных паразитных параметров. Подводя итог, можно сказать, что при исследовании источников электромагнитных помех для силовых электронных устройств в большинстве исследований используется сочетание эксперимента и анализа. И смоделируйте характеристики электромагнитных помех при определенных условиях работы. Однако исследований характеристик источников электромагнитных помех мощных и сложных по структуре силовых электронных устройств мало [2]. Для реального силового электронного устройства это часто бывает синфазным и дифференциальным.
Сосуществуют модовые помехи, проводящие и радиационные помехи одновременно. Для разных систем доминирующие факторы помех также различаются. Правильный анализ и прогнозирование основных источников помех в системе является ключом к проектированию электромагнитной совместимости силовых электронных устройств. 3 Исследование характеристик электромагнитной совместимости высокочастотных преобразователей с мягкой коммутацией Чтобы соответствовать требованиям высокочастотных преобразователей, люди не только улучшили стойкость самого устройства, но также приложили много усилий для улучшения топологии схемы, чтобы ослабляют электрическую нагрузку на устройство и уменьшают небольшие потери при переключении, устраняя перенапряжения при переключении и пиковое напряжение. Основная причина интерференции силовых электронных устройств - это высокие di / dt и dv / dt, возникающие в процессе коммутации силовых электронных устройств, и паразитные параметры в цепи работают вместе, вызывая высокочастотные колебания. Если процесс преобразования высоких значений di / dt и dv / dt можно максимально сократить путем выбора соответствующей топологии схемы и технологии управления, можно улучшить характеристики электромагнитной совместимости силовых электронных устройств. Поэтому некоторые люди предполагают, что с точки зрения наведенных электромагнитных помех преобразователь с мягкой коммутацией, использующий переход с нулевым напряжением (ZVT), должен работать лучше, чем преобразователь с жесткой коммутацией [9, 19]. Основная основа состоит в том, что в схеме ZVT главный выключатель работает в состоянии переключения при нулевом напряжении, а диод - в состоянии мягкого переключения. Таким образом, отсутствует быстрое переключение напряжения в главном переключателе и быстрое переключение тока в диоде, что снижает высокое напряжение в цепи. Частотные гармоники. Так ли это на самом деле? С точки зрения генерации электромагнитных помех резонансные преобразователи (включая преобразователи с мягкой коммутацией) действительно имеют несравнимые преимущества перед преобразователями с жесткой коммутацией ШИМ, которые можно рассматривать со следующих аспектов: (1) технология ШИМ предназначена для прерывания потока мощности и метод управления скважностью преобразует мощность, в результате чего появляется импульсный ток и импульсное напряжение; в то время как резонансная технология преобразует мощность в форму синусоидальной волны, и ее частотный спектр обычно уже, чем частотный спектр преобразователя PWM. Следовательно, по сравнению с преобразователем ШИМ, вход должен иметь меньшие гармонические помехи и большую амплитуду основной составляющей. (2) Форма рабочего сигнала резонансного переключающего преобразователя - квазисинусоидальная волна с низкими значениями di / dt и dv / dt. (3) Резонансный переключающий преобразователь использует емкость перехода устройства и индуктивность рассеяния трансформатора как часть резонансного LC-контура и не чувствителен к вредным паразитным параметрам. (4) Резонансный переключающий преобразователь работает на более высокой частоте, что удобно для интеграции и минимизации, поэтому он обычно имеет более высокую плотность мощности, что очень полезно для уменьшения контура цепи и сокращения длины проводки. (5) В преобразователях ШИМ часто используются энергоемкие демпфирующие цепи, чтобы ограничить нагрузку на устройство, и в то же время они также играют полезную роль в подавлении электромагнитных помех. Резонансные преобразователи с мягким переключением могут уменьшить или исключить энергопотребляющие буферы, тем самым повышая эффективность разработки. Можно ли легко сделать вывод на основании приведенного выше анализа? В 1996 году исследователи из Исследовательского центра VPEC провели сравнительный эксперимент по помехам проводимости двух экспериментальных моделей однофазных повышающих преобразователей 400 Вт, использующих схемы преобразования нулевого напряжения (то есть ZVT) и схемы с жестким переключением [21]. Результат теста неожиданный. Разница в электромагнитных помехах между преобразователем с мягким переключением и преобразователем с жестким переключением, использующим технологию ZVT, очень мала, и даже если дополнительная схема подключения первого не соответствует требованиям, производительность будет хуже. Отличие от литературы [20] состоит в том, что они сравнивали синфазную и дифференциальную интерференцию двух экспериментальных моделей отдельно. Результат: с точки зрения синфазного шума характеристики низкочастотной полосы аналогичны. Когда частота превышает несколько МГц, жесткое переключение. Шум модели ZVT на несколько дБ выше, чем у модели ZVT; на высокой частоте общий шум модели ZVT ниже, но в некоторых случаях пик шума модели ZVT в отдельных частотных точках превышает модель жесткого переключения; Что касается шума дифференциального режима, то шум жесткого переключения сильнее, чем у модели ZVT. Вышеупомянутые экспериментальные результаты можно понять так: синфазный шум в основном связан через паразитную емкость корпуса устройства, в то время как главный переключатель в преобразователе ZVT является мягким переключением, и dv / dt, генерируемый во время процесса переключения, невелик. Следовательно, высокочастотные синфазные помехи преобразователя ZVT&меньше, чем у преобразователей с жесткой коммутацией; а пики шума преобразователей ZVT в определенных частотных точках вызваны неправильным подключением вспомогательных компонентов преобразователей ZVT. Кроме того, из-за более высокого di / dt, вызванного током обратного восстановления диода в преобразователе с жестким переключением, дифференциальный шум преобразователя с жестким переключением выше, чем у преобразователя ZVT в высокочастотном диапазоне, но высокий di / dt обычно не влияет на низкочастотные компоненты. Следовательно, интерференционные характеристики этих двух устройств схожи по частоте переключения и ее гармоникам низкого порядка. Можно видеть, что, хотя характеристики высокочастотных помех преобразователя ZVT лучше, чем жесткое переключение, на несколько дБ, характеристики электромагнитных помех этих двух в целом схожи. Что касается шума дифференциального режима, преобразование ZVT лучше, чем преобразователь с жестким переключением, который является аспектом мягкого переключения лучше, чем жесткое переключение. С точки зрения синфазного шума проблема более сложная. Разница между преобразователями ZVT и преобразователями с жесткой коммутацией заключается в том, что первый имеет вспомогательные элементы плавного переключения, включая вспомогательные переключающие элементы, которые пропускают большие пиковые токи. Этот переключающий элемент может выдерживать жесткие и жесткие переключающие элементы. Трубка главного переключателя в переключающем преобразователе имеет такое же напряжение. Вспомогательный переключающий элемент в преобразователе ZVT переключается жестко, что означает, что жесткое переключение преобразователя с жестким переключением передается на вспомогательный переключатель преобразователя ZVT. Следовательно, в топологии схемы мягкой коммутации вспомогательные переключающие элементы являются важными источниками помех, и их расположение и подключение особенно важны [21]." По сути, преобразователь ШИМ со схемой демпфера не обязательно имеет худшие шумовые характеристики, чем преобразователь с мягкой коммутацией. Но что лучше - мягкое переключение или жесткое переключение, зависит от начального этапа проектирования схемы, соответствующего выбора топологии схемы и технологии управления в соответствии с приложением, создания моделей прогнозирования проводимости и радиационных помех и рекомендаций по правильной компоновке схемы. 4 Заключение Таким образом, электромагнитная совместимость силовых электронных устройств привлекает все больше и больше внимания ученых в стране и за рубежом. С 80-х годов прошлого века многие экспериментальные исследования и работы по аналитическому моделированию были выполнены за рубежом; отечественные исследования в этой области не проводились. Работы еще не так много, и более зрелых технических отчетов еще не было. Особенно в сегодняшнем' быстром развитии технологии силовой электроники, как сломать прошлый опыт и эвристику в дизайне электромагнитной совместимости и сделать дизайн электромагнитной совместимости силовых электронных устройств на пути систематического проектирования сталкивается с отечественными и зарубежными ученые. Это обязательно станет одной из центральных тем в исследованиях электромагнитной совместимости силовых электронных устройств. Только на основе глубокого анализа источников электромагнитных помех различных силовых электронных устройств, определения чувствительности различных параметров, изучения характеристик электромагнитной совместимости различных топологий коммутации и схем управления и создания прогнозных моделей может быть достигнута электромагнитная совместимость силовых электронных устройств. быть достигнутым. Систематический дизайн и адаптация к быстрому развитию самой технологии силовой электроники