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《华中科技大学》 2007年
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电力电子变换器全数字化有源共模电磁干扰抑制技术研究

章勇高  
【摘要】: 高速功率开关器件的应用大大加快了电力电子装置的动态响应过程,降低了装置的体积与重量。然而功率器件的高速开关动作所引起电压与电流瞬变将会带来严重的电磁干扰(EMI)问题,其中共模EMI在变换器中占主要地位。国内外现已提出的共模EMI抑制方案大体分为改进PWM策略型、无源滤波型和有源/无源对消型三大类。针对目前共模EMI抑制中存在的问题,本文提出了采用全数字化并联有源共模EMI抑制技术,进行了以下六个方面的工作。 第一,以单相全桥逆变器为例,对多桥臂开关变换器的共模EMI产生机理进行了研究,讨论了共模EMI噪声源和传播路径,指出基于噪声源串联等效电路的不足,提出了一种基于噪声源并联等效的单相全桥逆变器共模EMI等效电路。从时域和频域的角度,分析了单相全桥逆变器产生的共模电流波形与频谱特征,仿真与实验结果证明了并联等效电路的正确性。说明该等效电路适用叠加原理,能够更清晰地反映多桥臂电路中共模电流的传播机理。此外,该等效电路中每个桥臂中点的对地电容以及噪声源幅值都可以是不同的,为并联有源共模EMI抑制技术提供了理论基础,为补偿电路参数设计提供依据。 第二,分析了单极倍频和双极性调制下单相全桥逆变器的共模电磁干扰,指出双极性SPWM调制下,单相全桥逆变器共模EMI理论上为0。但在实际装置中,由于驱动电路的传输延时不一致,导致两桥臂对角开关管驱动脉冲不能严格同步,从而使逆变器共模干扰变大。实验验证了预调整驱动脉冲沿能够有效的降低共模EMI水平,并提出了自调整驱动脉冲沿思路。对于不存在两个互补对称共模噪声源的场合,提出可以外加专门的补偿电路,实现并联有源共模EMI抑制。分析了并联有源共模EMI抑制中当补偿电流与噪声源共模电流大小相等方向相反时,补偿电路与被补偿桥臂的驱动信号延时不一致将影响共模电流抑制效果,与双极性调制下驱动脉冲延时不一致的问题具有相似性,指出共模噪声评估技术和脉冲沿闭环调整是系统中需要解决的两个主要技术。 第三,针对数字化闭环控制系统中只需知道共模电流总体水平的变化趋势,并不需共模电流的详细频谱的情况,提出了以共模电流能量作为共模噪声的评估指标。研究了共模电流能量与全桥逆变器两桥臂对管的驱动信号延时之间的关系,结果表明共模电流能量在整个驱动信号延时时间内呈“V”字型对称衰减振荡,共模电流能量存在多个极小值。 针对共模电流的检测问题,提出了两种方案:一是基于FPGA的共模电流检测系统,FPGA专门采样共模电流并计算共模电流能量,DSP实现变换器的控制并从FPGA读取共模电流能量,作为抑制控制系统中的反馈量;二是基于整流滤波后求能量的共模电流检测方法,通过分析整流滤波前后共模电流能量的关系说明了这种方法的可行性和有效性。此时,DSP既要控制变换器,又采集共模电流和计算共模电流能量。 第四,根据共模电流能量与驱动信号延时之间的关系,针对大多情况下信号延时时间在±T/2(T为共模电流的振荡周期)范围内,关系曲线呈“V”型对称,提出基于局部最优搜索算法的共模电流能量搜索,同时指出当关系曲线中存在多个极小值时容易陷入局部最小值的缺陷。考虑DSP控制器中的编程实现,本文提出采用模拟退火搜索算法寻找共模电流能量的全局最小值。研究了模拟退火算法在共模电流能量和驱动脉冲延时关系曲线上的搜索过程,提出采用一种在搜索过程中保留中间最优解的改进模拟退火算法,通过仿真说明改进的模拟退火算法在搜索速度和搜索精度上的提高。 第五,论述了数字化闭环控制的并联型共模电磁干扰抑制技术基本结构,讨论了直接并联补偿电路和间接并联补偿电路两种形式,即直接由逆变器直流母线提供以及外置低压直流电源。利用基于噪声源并联等效的共模电流模型讨论了补偿电路的输出电容和耦合电容的计算。通过实验验证了补偿电路输出电压的dv/dt以及输出电容影响着补偿电流的最大值和振荡频率。 最后,建立了基于F2812数字化并联有源共模EMI抑制的单相半桥逆变器实验平台,通过高精密的全波整流滤波电路处理高频EMI电流,获取共模电流能量的评估指标,采用改进模拟退火搜索算法调整补偿电路驱动信号脉冲沿,实现共模电流最小能量的搜索,从而抑制EMI水平。实验结果表明了本文提出的基于模拟退火算法的数字化并联有源共模EMI抑制技术的正确性和有效性。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TM46

【引证文献】
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