- 頭條北航和清華學者發表開關變換器傳導干擾抑制策略的研究綜述2022-08-22 作者：何杰、劉鈺山 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語開關變換器廣泛應用于可再生能源并網、電機驅動系統、消費電子供電等領域，其電磁干擾問題日益突出，因此該問題的解決非常重要。北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院、電力系統國家重點實驗室（清華大學電機系）的研究人員何杰、劉鈺山、畢大強、李曉，在2022年第6期《電工技術學報》上撰文，總結開關變換器傳導干擾抑制策略及其最新進展，重點說明這些策略的基本原理、研究現狀和作用特點，并對開關變換器傳導干擾抑制技術的關鍵問題和發展前景進行了討論和總結。
與傳統的電能轉換設備相比，開關變換器在體積、質量、效率等方面明顯占優，因而被廣泛應用于各種領域，如可再生能源并網、電機驅動系統、消費電子供電等。隨著電力電子技術的發展，開關變換器的功率密度、開關頻率、開關速度等逐漸提高、電路結構逐漸復雜、應用領域逐漸拓展，這導致其電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）問題日益增多且日趨嚴重。
電磁干擾是指電磁能量以輻射或傳導的方式對器件、設備、系統或生命組織造成的意外不利影響。電磁干擾可分為輻射干擾和傳導干擾，前者通過空間傳播，后者通過電路傳播。傳導干擾又可分為共模干擾和差模干擾。共模干擾流通回路由相線/中線和地線構成，不同相線/中線的共模電流大小相等、相位相同；差模干擾流通回路由不同相線/中線構成，不同相線/中線的差模電流大小相等、相位相反。
為避免電磁干擾，有關國際組織和大多數國家紛紛制定電磁兼容標準，規定了包括電磁發射限值和測量在內的諸多規范。輻射發射通常規定在30MHz以上的頻段內，它可以在半電波暗室或開闊場中進行測量，半電波暗室用以模擬開闊場，其主要作用是屏蔽室外電磁發射和防止墻面反射室內輻射發射；傳導發射通常規定在150kHz～30MHz的頻段內，它必須采用線路阻抗穩定網絡進行測量，線路阻抗穩定網絡的主要作用是為受試設備電源線與參考地之間提供穩定阻抗，使受試設備隔離電源端的干擾信號，為測量儀器提供測量端口等。
電磁干擾的三要素是干擾源、耦合路徑和受擾體，因此抑制電磁干擾的基本思路是削減干擾源的電磁發射、阻斷電磁干擾的耦合路徑和增強受擾體的抗擾度。有學者給出了一些通用性較強或針對特定電子系統的電磁干擾抑制方法，涉及屏蔽、濾波、接地、布線、頻譜管理、時間分離、空間分離和電氣隔離等。
對開關變換器而言，傳導干擾比輻射干擾更易產生且危害更大。開關變換器傳導干擾的噪聲來源按頻率成分從低到高可大致分為電網頻率諧波、開關頻率諧波和開關暫態噪聲，電網頻率諧波是功率二極管或晶閘管整流器對工頻交流電整流的產物，后兩者是功率開關器件進行開關工作和功率二極管電流進行反向恢復的產物。
電網頻率諧波主要集中在幾十Hz到幾百kHz之間，其在規定的傳導發射測量頻段內已經大幅衰減，因此其引起的傳導干擾較小。由于功率二極管不可控、晶閘管只能控制導通而不能控制關斷，因此不能通過改變控制策略來主動減小電網頻率諧波，一般只能通過濾波來抑制電網頻率諧波引起的傳導干擾。
開關變換器傳導干擾的主要噪聲來源是開關頻率諧波和開關暫態噪聲，這兩者都可由開關波形表征。前者是開關波形的諧波分量，集中在幾kHz到幾十MHz之間，主要由調制策略決定；后者是開關波形的暫態分量，具有很寬的頻譜，主要受功率開關器件及其門極驅動的特性、功率二極管特性、功率器件/模塊封裝、電路板設計等影響。
基于開關頻率諧波和開關暫態噪聲的這些特點，除通用性較強的濾波外，開關變換器傳導干擾抑制策略還呈現出較高的獨特性。針對開關頻率諧波引起的傳導干擾，一般可以通過改進脈寬調制策略來抑制。針對開關暫態噪聲引起的傳導干擾，除選擇合適型號的功率器件/模塊外，還可以通過改進功率器件/模塊封裝、優化電路板設計、改善開關過程等來抑制。此外，特殊的電橋平衡與反相補償策略也能抑制部分傳導干擾。
開關變換器傳導干擾抑制策略分類如圖1所示。圖1對這些策略進行了概括，值得注意的是，改進功率器件/模塊封裝、優化電路板設計、改善開關過程對開關變換器輻射干擾也有抑制作用。
圖1 開關變換器傳導干擾抑制策略分類
目前，有關學者對開關變換器傳導干擾抑制策略進行了總結，但不夠全面和深入。基于此，北京航空航天大學、清華大學電機系的研究人員從阻斷傳導干擾的耦合路徑和消減干擾源的傳導發射兩大方面，全面深入地梳理了圖1所列的各類開關變換器傳導干擾抑制策略，并介紹了最新研究進展，致力于闡述相關策略的基本原理、研究現狀和作用特點等。
他們指出開關變換器傳導干擾抑制策略主要包括濾波、電橋平衡、反相補償、改進脈寬調制、改進功率器件/模塊封裝、優化電路板設計、改善開關過程等。這些策略分為兩大類：一類用于傳導干擾耦合路徑；一類用于傳導干擾源。前者更加有效，但明顯增加了系統的體積或質量；后者更加靈活，但控制和設計更加復雜。
另外，研究人員認為，電力電子技術仍在快速發展，開關變換器傳導干擾問題日趨復雜，其抑制技術在很多方面仍有待研究和發展。他們就主要問題進行了探討并給出相關技術展望。
（1）綜合考慮開關變換器傳導干擾問題。開關變換器傳導干擾問題的解決是個系統性工程，即其抑制技術不是孤立的，測量、建模、仿真和分析方法都是深入理解、研究和應用其抑制技術的重要基礎。
（2）自動化設計電磁干擾濾波器。開關變換器傳導干擾抑制策略眾多，但是目前濾波仍是最有效的工程解決方案，因此電磁干擾濾波器的設計和優化仍是研究重點。由于開關變換器的開關器件、電路拓撲、工作負載、電路板設計等存在差異，傳統電磁干擾濾波器設計的通用性較差，而借助計算機輔助技術及先進算法進行自動設計，則能夠簡化設計成本，因而應成為重要研究方向。
（3）結合濾波和削減干擾源傳導發射的策略。在干擾源處抑制傳導干擾的策略更加靈活，能夠抑制給定頻率范圍的諧波或噪聲。將這類策略與濾波相結合，能減小電磁干擾濾波器的體積或質量，并提高開關變換器的功率密度。
（4）開關變換器其他性能的評估。很多策略以降低開關變換器傳導干擾為唯一目的，這很可能會損害功率變換系統的其他性能，如功率密度、開關損耗、電流紋波、電機轉矩脈動等，包含電磁干擾抑制能力的特定目標優化控制策略應成為重要研究方向。
（5）應用場景和工作條件的要求。開關變換器用途日益廣泛，如并網變換器、軌道交通牽引變流器、電動汽車牽引逆變器、航空航天開關電源等，由于它們所在電力電子系統的物理和電磁環境不同，除電磁兼容性外，其物理結構、可靠性、電壓/電流等級、電能質量等要求也往往不同，電磁干擾抑制策略必須充分考慮這些要求。
（6）大功率、模塊化開關變換器的電磁干擾。隨著智能電網/電能路由器的發展，大功率、模塊化的并網變換器成為研究熱點，該類變換器開關器件眾多、拓撲結構復雜，電磁干擾問題也更加嚴重，當前針對該問題的研究尚處于初級階段。
（7）寬禁帶基開關變換器的電磁干擾。隨著寬禁帶半導體的應用，開關變換器的開關頻率明顯提高、開關波形振蕩問題明顯加重，這導致開關變換器的傳導和輻射干擾問題更加嚴重，對寬禁帶半導體器件特性、封裝設計的研究應成為重點。
（8）開關變換器內部弱電電路的電磁干擾。傳統的抑制策略主要作用于開關變換器對外部電路的傳導干擾，而非對內部控制、驅動、采樣電路的傳導干擾，后者應成為重要研究方向。
本文編自2022年第6期《電工技術學報》，論文標題為“開關變換器傳導干擾抑制策略綜述”。論文第一作者為何杰，1995年生，北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院碩士研究生，研究方向為SiC器件驅動設計和功率變換器控制。通信作者為李曉，1990年生，北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院博士，研究方向為模型預測控制、寬禁帶器件的應用、電力電子技術在電力系統中的應用。本課題得到了國家自然科學基金、北京市科技新星計劃和清華大學電力系統及大型發電設備安全控制和仿真實驗室開放課題的資助。
