Високата честота и големият капацитет на силовите електронни устройства не само водят до увеличаване на електрическото напрежение и загуба на превключване на устройството, но също така произвеждат широколентови електромагнитни смущения, които е трудно да се потиснат [1-3], причинявайки сериозно електромагнитно замърсяване на електрическа мрежа и околната среда, и дори застрашават нормалната работа на себе си и на друго електронно оборудване, свързано с него. Тази статия започва с механизма на електромагнитните източници на смущения в силовите електронни устройства, обобщава последните резултати от чуждестранни изследвания през последните години и се фокусира върху анализирането и сравняването на характеристиките на електромагнитните смущения при твърдо превключване и меко превключване. Ключови думи: превключващ преобразувател, електромагнитна съвместимост, твърдо превключване, меко превключване 1 Въведение силовите електронни устройства са известни с високата си ефективност за преобразуване на мощност и се използват все по-широко в индустриалното и гражданското преобразуване на енергия и управлението на задвижването. Смята се, че 70% от електрическата енергия в промишленото производство се преобразува от силови електронни устройства, преди да се използва от хората. В края на 80-те години практичните и мощни устройства за контрол на мощността с голям капацитет накараха силовите електронни устройства да навлязат в ерата на високочестотните и големите мощности. Поради много стръмните предни и задни ръбове (di / dt до 1A / ns, dv / dt до 3V / ns) импулси по време на процеса на електрическа комутация на мощност, се причиняват сериозни електромагнитни смущения. Тези смущения формират проводимост и радиационни смущения чрез свързване в близко и далечно поле, което сериозно замърсява околната електромагнитна среда и захранващата система. Това не само намалява надеждността на самата схема за преобразуване, но също така сериозно влияе върху качеството на работа на електрическата мрежа и съседното оборудване. С развитието на електронната информационна индустрия мощните електронни устройства с превключващи преобразуватели като ядро се използват широко в почти всички електронни устройства, като различно крайно оборудване и комуникационно оборудване, водено от електронни компютри. В годишния доклад от 1997 г. на Вирджинския електронен център (VPEC) е записано, както следва: Ако напредъкът на микропроцесорната технология насърчава развитието на компютърната честота от 16MHz през 1985 г. до днес 200MHz, тогава следващият скок към GHz се определя главно от развитието на технологията за силова електроника [4]. Когато чипът работи на GHz, захранването трябва да подава захранване към логическата порта с достатъчно висока скорост на съвпадение (в случая на Pentiumpro скоростта на захранващия ток трябва да бъде 30A / μs), поради което Intel има за забавяне на тактовата честота на микропроцесора Pentium Важна причина за това [4]. Следователно проблемът с електромагнитната съвместимост на силовите електронни устройства трябва да бъде решен спешно. През последните години, с развитието на технологията за силова електроника, капацитетът на устройствата за превключване на захранването става все по-голям (например SCR (Silicon Controllable Rectifier) има 4000A / 8000V продукти, а IGBT (Isolated Gate Bip olar Transistor) има 3500V / 2400A модули се продават), честотата на превключване става все по-висока и по-висока, до няколко MHz, а размерът на устройството става все по-малък и по-малък. Като вземем DC-DC захранването като пример, настоящото вътрешно ниво е 30W / in3, докато международното ниво е 120W / in3 и се очаква да достигне 240W / in3 през 2000 г. Тези фактори изискват допълнително засилване на изследванията на характеристиките на електромагнитните смущения и предотвратяването на силовите електронни устройства. Особено на етапа на проектиране се превърна в решаващ въпрос да се оценят характеристиките на смущения на новите устройства, да се съкрати техният цикъл на развитие и да се подобри електромагнитната съвместимост на силовите електронни устройства. 2 Проучвателно изследване на източниците на електромагнитни смущения на силовите електронни устройства В процеса на изследване на източниците на електромагнитни смущения на силовите електронни устройства хората са провели голям брой експерименти и постоянно са обобщавали нови преживявания. Още през 1983 г. Шнайдер разработва техника за тестване на характеристиките на импеданса на източника на работещо импулсно захранване. Това е техника, която използва скаларен метод за измерване на шумовия спектър за определяне на реалните и въображаемите части на импеданса на източника. Тази технология избира въображаемата част на трептене между реактивното натоварване и източника на шум, а реактивната част на източника на шум може да бъде определена от честотата на трептене. Реалната част на импеданса на източника се определя от пиковата стойност на тока на трептящия шум. Изпитването на импеданс се извършва основно в честотната лента от 10kHz ～ 1MHz. Въз основа на резултатите от теста, Schneider предложи еквивалентна схема на общ режим и диференциален режим на шум, описващи характеристиките на страничния източник на променлив ток на импулсното захранване [5]. Тъй като радиационният ефект на тока в общ режим обикновено е много по-голям от този на тока в диференциален режим [6], е необходимо да се прави разлика между смущения в общ режим и смущения в диференциалния режим в системата. Изследователският център VPEC предложи комбинираща мощност [7], Количествено измерване на смущения в проводимостта на общия и диференциалния режим в системата. В силовите електронни устройства вътрешните механизми на шума в общия режим и шума в диференциалния режим също са различни. Шумът в диференциалния режим се причинява главно от пулсиращия ток на превключващия преобразувател; често срещаният шум се причинява главно от високочестотните трептения, причинени от взаимодействието между по-високите dv / dt и фалшивите параметри. Както е показано на фигура 1, токът с общ режим iCM включва тока на изместване, свързан към земната равнина. В същото време, тъй като dv / dt на клемата на комутационното устройство е най-голямото, ще се генерира и разсеяният капацитет Ck между комутационното устройство и радиатора. Общ режим на ток. За различните системи специфичните причини за смущения в общия режим и диференциалния режим не са еднакви. Според различните пътища на разпространение електромагнитните смущения се разделят на провеждани смущения и излъчени смущения, обсъдени отделно и се обяснява изследването на характеристиките на близкото поле на превключвателя на превключвателя.
Фигура 1 Пътят на тока на общия режим на офлайн конвертора
Фиг.1 Общ режим на ток в офлайн конвертор
2.1 Изследванията на проводимостта на проведените източници на смущения са важен начин за разпространение на смущения в силовите електронни устройства. Различните мощни електронни устройства имат различни специфични причини за проведени смущения. Например в SCR изправителната система генерирането на смущения в проводимостта на диференциалния режим се основава главно на два фактора [8]: единият е явлението на припокриване на комутация, причинено от индуктивността на електропровода; другият е полупроводниковите характеристики на превключване и физическите характеристики, които определят текущите му характеристики. . В същото време феноменът на възстановяване на тиристора в SCR изправителната система може да има два резултата: единият е да удължи времето за припокриване на комутацията; другата е да се добави експоненциално разложен ток към тиристора. Измереното явление за възстановяване на тиристора може да увеличи общата интерференция с 4 ~ 5dB. За друг пример, Klotz и др. На Siemens. [9] изучава общия режим на 5-10kVA IGBT преобразуватели при различни работни напрежения, работни токове, честоти на превключване, модулни опаковки, вериги на затвора, температура, условия на заземяване и допълнителни компоненти. В сравнение с източника на смущения в диференциалния режим, се стига до заключението, че основният източник на смущения в диференциалния режим е обратният възстановителен ток на диода на свободния ход. В същото време се изтъква, че фалшивите параметри на товара ще имат определено влияние върху интерференционния спектър. Изследванията на Teuling, Schnaen и Roudet от Френската лаборатория за електротехника в Гренобъл (наричани по-долу LEG) [10], базирани на експерименталния модел на 400W верига на хеликоптер, съставена от MOSFET и честота на превключване от 100kHz, показват, че шумът в общия режим е свързани с превключване на напрежението. Шумът в режима е свързан с превключването на тока и и двата могат да се появят едновременно. Например, когато MOSFET е изключен в този модел, токът се изключва и напрежението показва затихнало трептене. Следователно, шумът в общ режим и шумът в диференциалния режим съжителстват по това време. Обикновено нискочестотната интерференция във времевата разлика е доминираща, а често срещаната интерференция е доминираща при висока честота. Mahdavi от SHARIF University of Technology и Roudet and Scheich от LEG et al. [11] създаде 500W модел на фактор за пререгулатор на мощност (PFP) еднофазен AC / DC преобразувател. При изследването на емисионния механизъм, симулационният софтуер MC2 се използва за изчисляване на настоящите хармоници, инжектирани в захранването. Моделът е в добро съгласие с резултатите от теста в честотния обхват 10 пъти честотата на превключване. В изследването на диференциалния режим на PFP&# 39, проведен EMI, Рейс прогнозира, че когато преобразувателят работи в различни режими, характеристиките на EMI също са различни [13]. Erkuan Zhong и Lip от университета Wisconsin-Madison в САЩ [12] използваха 8kVA PWM инверторна система, задвижваща 7,46kW (10hp) асинхронен двигател като експериментален модел. Изследването установи, че PWM инверторната система, задвижвана от високомощен високоскоростен двигател, захранва захранването. В пулсиращия ток до няколко А, което води до тежко проведено EMI (в този експериментален модел, до 120dBμV) и изкривяване на формата на вълната на захранващото напрежение (напрежение до 50V, 20% повече от номиналното напрежение), честотната лента на сигналите за смущения е доста широк, Той не само включва компонентите за смущения на комутационната честота и нейните хармоници, но също така се простира и до радиочестотния диапазон. Dv / dt (до 3kV / μs, с продължителност няколко ns), генерирани от захранващото устройство по време на процеса на превключване, взаимодейства с разсеяния капацитет между комутационното устройство и земята, което генерира зареждащи и разреждащи токове в терминала на захранването, причиняващи електромагнитни смущения. В същото време нелинейните превключващи характеристики на комутационните устройства генерират много хармоници. Те също така посочиха, че диодният обратен ток за възстановяване е основният източник на смущения в диференциалния режим в системата. Изследванията върху проведените смущения на силовите електронни устройства, особено общия режим и диференциалния режим, провеждани смущения, осигуряват основа за проектирането на EMI филтри. 2.2 Изследвания на източници на излъчени смущения В сравнение с проведените смущения, излъчените смущения на силовите електронни устройства са по-сложни. Това е така, защото като устройство за преобразуване на енергия капацитетът за преобразуване варира от миливати до мегавати, а основният контур и контролната верига често са съставени от различни компоненти. В сравнение с електронните устройства, концентрирани върху печатната платка, пространствената структура е по-сложна. Следователно анализът и изчисляването на съответните паразитни параметри и излъчената интерференция са по-сложни [2] и в момента няма много свързани изследвания. Сред тях Орланди и Шайх [14] са изследвали източника на радиационни смущения в веригата на SCR токоизправител. Те се фокусираха върху анализа на връзката между тока на общия режим (времева област и честотен домейн) и радиационното поле и вярваха, че токът в общия режим е свързан с движещия импулс и паразитните параметри от контролната част. Градиентът на напрежението между разсеяните капацитети насърчава тока на общия режим. Разпространението, градиентът на напрежението на нарастващия ръб на импулса генерира ток с общ режим в разсеяния капацитет. Освен това импулсът с бърз ток индуцира ненужно напрежение върху металните части на SCR (корпуса и радиатора) и се превръща в източник на лъчение. За да се определи моделът на излъчване на превключващия преобразувател, професорите Антонини и Кристина и професор Орланди от Римския университет установяват диполен модел на излъчване за преобразуващата част на импулсното захранване с честота на превключване съответно 75kHz и 150kHz [15] . При определяне на разпределението на тока на линията обаче се използва модел на преносна линия на еквивалентна хомогенна среда. Моделът на резултатите е в добро съгласие с експерименталните заключения в честотния диапазон по-нисък от 10MHz, но в честотния диапазон по-висок от 10MHz общото излъчване е доминиращо поради влиянието на различни фалшиви параметри. Когато се определя разпределението на тока в общ режим, моделът на преносната линия вече не е валиден. Всъщност характеристиките на електромагнитното излъчване на силовите електронни устройства не се ограничават до това. Например радиаторите, широко използвани в силовите електронни устройства, често показват електромагнитни характеристики на трептене, които усилват радиочестотното електромагнитно излъчване на силовите електронни устройства. Радиаторът обикновено има сложна геометрия, има многолентови радиочестотни характеристики и е инсталиран извън устройството. Следователно радиаторът вероятно ще действа като ефективна радиационна антена върху една или повече хармоници на честотата на превключване. Изследователската работа в тази област също е в ход, като Райън, Стоун и Чембърс [16], използвайки метода FDTD, за да направи предварителна прогноза на радиочестотния спектър на електромагнитното излъчване от радиатора с формата на перка. 2.3" Изследване на характеристики на близко поле" Съгласно IEC22G-WG4-11, силовите електронни устройства обикновено се състоят от две части, а именно блок за преобразуване на мощност и контролен блок. Честотата на превключване на превключващата схема за преобразуване обикновено е десетки kHz до стотици kHz. Преходните напрежения и ток, генерирани по време на процеса на превключване, са източници на смущения, които произвеждат смущения в проводимостта и смущения от лъчение. Енергията на електромагнитното излъчване, генерирана от блока за преобразуване на мощност, е достатъчна, за да застраши нормалната работа на близкия блок за управление [15]. Следователно прогнозирането на близкополевите характеристики на блока за преобразуване на мощност и осигуряването на нормална работа на управляващата верига е от голямо значение за EMC дизайна на устройството за силово електронно преобразуване. За да изследват характеристиките на близкото поле на импулсно захранване (SMPS), Atonini et al. [15] установи прост експериментален модел на SMPS, базиран на печатна платка. Когато извършват изчисления в близост до полето, те разделят последователно всеки сегмент от експерименталната верига на множество диполи на Херциан. Тъй като електростатичният член играе доминираща роля в областта на близкото поле, той представлява полето, генерирано от електростатичния заряд, натрупан върху един дипол; когато множество диполи са свързани последователно, тъй като разстоянието r е между центъра на дипола и точката на изпитване Следователно електростатичните членове не могат да бъдат отменени, което води до голямо електростатично поле, което води до предвижданата стойност по-висока от действителната стойност. Следователно, при интегриране на уравнението на лъчението по веригата, чрез специална обработка, ефектът на фалшивия електростатичен заряд, причинен от интегрирането на диполното уравнение, се елиминира и се установява по-точен модел на близко поле (електрическо и магнитно поле). Изчисленията показват, че на разстояние 3 м от експерименталния модел, разликата в електрическото поле между коригирания модел и модела преди корекцията е 40dB в нискочестотния диапазон и двете са склонни да съвпадат във високочестотния диапазон. Резултатът от теста показва, че в честотната лента под 10MHz изчислената стойност е много в съответствие с измерената стойност. В честотната лента, по-висока от 10MHz, влиянието на тока в общ режим е доминиращо и горният изчислителен модел вече не е валиден. Основното влияние върху характеристиките на близкото поле на силовите електронни устройства има основната схема на частта за преобразуване на мощност. Кристина и сътр. [17] изследва промените в радиационната характеристика, пространственото разпределение в близост до полето и характеристиките на лъчението на преобразувателя при различни условия на натоварване и стигна до заключението, че при различни условия на натоварване импулсното захранване може да показва електрически диполи. Или характеристиките на магнитен дипол. Това е много важно за избора и проектирането на подходяща схема на екраниране. LEG' s Youssef и Roudet et al. [18] използва MOSFET като превключващ елемент за създаване на прост модел конвертор на долари. Те приемат, че веригата е приблизително тънколинейна структура, и предполагат, че токът във всяка част на веригата е еднакъв, и изчисляват разпределението на близкото поле въз основа на формата на вълната на тока във времевата област по време на операцията на превключване. В същото време методът на огледалното изображение се използва за изследване на промените на електромагнитното излъчване, когато заземената проводима равнина е под веригата на интерференционния източник, и се стига до заключението, че електромагнитното излъчване се намалява под въздействието на проводящата земна равнина. Вижда се, че изследването на близкополевите характеристики на силовите електронни устройства току-що е започнало и все още не е установен пълен и точен модел. Особено във високочестотния диапазон характеристиките на близкото поле са по-сложни под въздействието на различни паразитни параметри. В обобщение, при изследването на източниците на електромагнитни смущения за силови електронни устройства, повечето изследвания използват комбинация от експеримент и анализ. И моделирайте характеристиките на електромагнитните смущения при определени условия на работа. Въпреки това, има малко изследвания за характеристиките на източниците на електромагнитни смущения на мощни и сложно структурирани силови електронни устройства [2]. За действително захранващо електронно устройство често е обикновен режим и диференциал
Смущенията в режима съжителстват едновременно, проводящи и радиационни смущения. За различните системи доминиращите фактори на смущения също са различни. Правилният анализ и прогнозиране на основните източници на смущения в системата е ключът към дизайна на електромагнитната съвместимост на силовите електронни устройства. 3 Изследване на характеристиките на електромагнитната съвместимост на високочестотни преобразуватели за меко превключване За да отговорят на изискванията на високочестотните, хората не само са подобрили издръжливостта на самото устройство, но и са положили много усилия за подобряване на топологията на веригата, за да отслабват електрическото напрежение на устройството и намаляват малките комутационни загуби, елиминирайки превключващия пренапрежение и пиково напрежение. Основната причина за смущенията на силовите електронни устройства е високият di / dt и dv / dt, генерирани по време на процеса на комутация на силовите електронни устройства и паразитните параметри във веригата работят заедно, за да предизвикат високочестотни трептения. Ако процесът на преобразуване на високи di / dt и dv / dt може да бъде намален възможно най-много чрез избор на подходяща топология на веригата и технология за управление, е възможно да се подобрят характеристиките на електромагнитната съвместимост на силовите електронни устройства. Така че някои хора спекулират, че по отношение на проведената EMI, преобразувателят за меко превключване, използващ нулево напрежение (ZVT), трябва да работи по-добре от преобразувателя с твърдо превключване [9, 19]. Основната основа е, че във веригата ZVT главният превключвател работи в състояние на превключване на нулево напрежение, а диодът работи в състояние на меко превключване. По този начин няма бързо превключване на напрежението в главния превключвател и бързо превключване на тока в диода, като по този начин се намалява високото напрежение във веригата. Честотни хармоници. Наистина ли е така? От гледна точка на генерирането на EMI резонансните преобразуватели (включително преобразуватели с меко превключване) имат несравними предимства пред преобразувателите с твърдо превключване с ШИМ, което може да се разглежда от следните аспекти: (1) PWM технологията е да прекъсне потока на мощността и методът за контролиране на работния цикъл трансформира мощността, което води до импулсен ток и импулсно напрежение; докато резонансната технология преобразува мощността под формата на синусоида и нейният честотен спектър обикновено е по-тесен от честотния спектър на ШИМ преобразувател. Следователно, в сравнение с PWM преобразувателя, входът трябва да има по-малки хармонични смущения и по-голяма амплитуда на основния компонент. (2) Работната форма на вълната на резонансния превключващ преобразувател е квазисинусова вълна с ниски di / dt и dv / dt. (3) Резонансният превключващ преобразувател използва капацитета на прехода на устройството и индуктивността на изтичане на трансформатора като част от резонансната LC верига и не е чувствителен към вредните паразитни паразити. (4) Резонансният превключващ преобразувател работи на по-висока честота, което е удобно за интегриране и минимизиране, така че обикновено има по-висока плътност на мощността, което е много полезно за намаляване на веригата на веригата и съкращаване на дължината на окабеляването. (5) ШИМ преобразувателите често използват енергоемки снубер вериги, за да ограничат напрежението върху устройството и в същото време също играе благоприятна роля за потискане на електромагнитните смущения. Резонансните преобразуватели с меко превключване могат да намалят или премахнат енергоемките буфери, като по този начин подобрят ефективността на разработката. Въз основа на горния анализ може ли лесно да се направи заключение? През 1996 г. изследователи от изследователския център VPEC проведоха сравнителен експеримент върху проводящите смущения на два еднофазни експериментални модела за преобразувател на усилвател 400WPFC, използващи схеми за преобразуване с нулево напрежение (т.е. ZVT) и схеми за твърдо превключване [21]. Резултатът от теста е неочакван. Разликата в EMI между преобразувателя за меко превключване и преобразувателя за твърдо превключване, използващ технологията ZVT, е много малка и дори ако окабеляването на допълнителната схема на първия е неправилно, производителността ще бъде по-лоша. Разликата от литературата [20] е, че те сравняват общия и диференциалния интерференционен режим на двата експериментални модела поотделно. Резултатът е: по отношение на често срещания шум характеристиките на нискочестотната лента са сходни. Когато честотата надвиши няколко MHz, твърдото превключване Шумът на ZVT модела е с няколко dB по-висок от този на ZVT модела; при висока честота шумът в общия режим на модела ZVT е по-нисък, но в някои случаи пикът на шума на модела ZVT в отделни честотни точки надвишава модела на трудно превключване; по отношение на шума в диференциалния режим, шумът от твърдо превключване е по-силен от този на модела ZVT. Горните експериментални резултати могат да се разберат като: шумът в общия режим се свързва главно чрез разсеяния капацитет на корпуса на устройството, докато основният превключвател в преобразувателя ZVT е меко превключване и dv / dt, генерирани по време на процеса на превключване, са малки. Следователно ZVT преобразувателят' s Високочестотните често срещани смущения са по-малки от тези на преобразувателите с трудно превключване; а пиковите нива на шума на ZVT преобразувателите в определени честотни точки са причинени от неправилно окабеляване на спомагателни компоненти в ZVT преобразуватели. В допълнение, поради по-високия di / dt, причинен от диодния обратен възстановителен ток в преобразувателя с твърдо превключване, шумът в диференциалния режим на преобразувателя с трудно превключване е по-висок от този на преобразувателя ZVT във високочестотния диапазон, но високият di / dt обикновено не засяга нискочестотните компоненти. Следователно характеристиките на интерференция на двете са сходни по честотата на превключване и нейните хармоници от нисък ред. Вижда се, че въпреки че характеристиките на високочестотните смущения на ZVT преобразувателя са по-добри от твърдото превключване с няколко dB, EMI характеристиките на двете обикновено са подобни. Що се отнася до шума в диференциалния режим, преобразуването ZVT е по-добро от преобразувателя с твърдо превключване, което е аспектът на мекото превключване по-добре от твърдото превключване. По отношение на шума в общ режим проблемът е по-сложен. Разликата между преобразувателите ZVT и преобразувателите с трудно превключване е, че първият има спомагателни елементи за меко превключване, включително спомагателни превключващи елементи, които текат по-големи пикови токове. Този превключващ елемент може да издържа на твърди и твърди превключващи елементи. Главната превключваща тръба в превключващия преобразувател има същото напрежение. Допълнителният превключващ елемент в преобразувателя ZVT е трудно превключен, което означава, че твърдият превключвател в преобразувателя с твърдо превключване се прехвърля към спомагателния превключвател на преобразувателя ZVT. Следователно в топологията на схемата за меко превключване помощните превключващи елементи са важни източници на смущения и тяхното местоположение и окабеляване са особено важни [21]." По същество, ШИМ преобразувател със снубер верига не е задължително да има по-лоши шумови характеристики от преобразувател с меко превключване. Но дали мекото превключване или твърдото превключване е по-добро, зависи от началния етап на проектиране на веригата, подходящия избор на топология на веригата и технология за управление според приложението, установяването на модели за предсказване на проводимост и радиационни смущения и насоките за правилното оформление на веригата. 4 Заключение В обобщение, електромагнитната съвместимост на силовите електронни устройства привлича все повече внимание от учени в страната и чужбина. От 80-те години на миналия век в чужбина са завършени много експериментални изследвания и аналитично моделиране; са проведени вътрешни изследвания в тази област. Все още няма много работа и все още не са видени по-зрели технически доклади. Особено в днешното бързо развитие на технологията на силовата електроника,' как да се пречупи предишният опит и евристика в дизайна на електромагнитната съвместимост и да се направи дизайнът на електромагнитната съвместимост на силовите електронни устройства в коловоза на систематичен дизайн е изправен пред местни и чуждестранни учени. Той непременно ще се превърне в една от централните теми в изследванията на електромагнитната съвместимост на силовите електронни устройства. Само въз основа на задълбочения анализ на източниците на електромагнитни смущения на различни силови електронни устройства, определяне на чувствителността на различни параметри, изучаване на характеристиките на електромагнитната съвместимост на различни превключващи топологии и схеми за управление и установяване на прогнозни модели може електромагнитната съвместимост на силовите електронни устройства да се постигне. Систематичен дизайн и адаптиране към бързото развитие на самата технология на силовата електроника