开关功率变换器的数字有源emi控制技术论文

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1、开关功率变换器的数字有源EMI控制技术摘要——本论文提出一项基于可编程逻辑矩阵针对开关功率变换器中噪声消弱的电磁兼容抑制技术。通过高频采样的噪声信号，经过相位翻转等加工后，在噪声进入线性阻抗稳定网络前与噪声信号进行叠加抵消，以实现对噪声的抑制。此技术通过单项AC—DC变换器的仿真和实验证明其可行性。此技术可推广使用到DC/DC变换器中替换传统意义下因PCB体积限制而无法使用的无源滤波器。因此，这项技术将有可能在对体积有要求严格的工业场合中得以应用。关键词：AC/DC变换器，DC/DC变换器，数字有源滤波器，电磁兼容（EMI

2、），可编程逻辑矩阵（FPGA），无源滤波器（PEF）1.导读出于设计成本的考虑，电磁兼容设计应在一个功率转换器的研发初期进行考虑。然而，EMC设计中势必包含一系列的测量误差。这可以从减小耦合路径和增大共模干扰对地的距离等方面考虑。一个产品从设计阶段到模型检验和大批量生产的过程中，对噪声抑制的能力逐渐下降。作为功率转换器设计第一步，在设计阶段就应该分析其电磁干扰的产生，并选择所要采取的抑制方法。目前使用最广泛的是无源滤波器[1]–[9]，但其花费高，收益小，体积大。其他的一些方法，例如扩频调制[10]–[14]、软开关技术[

3、15]–[18]在实际中也收效甚微。有源模拟电磁滤波器能进行基本噪声抑制，并且优点是价格低，易使用。然而，它的局限性在于它也需要一些无源器件来完成对噪声的抑制[19]–[22]。同时，装换器的负阻抗对其稳定性也有很大影响[23]–[27]。这主要取决于EMI滤波器中无源器件的选取及功率转换器的安装。因此，滤波器的界面阻抗是使转换器稳定的重要条件。并且，无源滤波器尺寸也不固定，随电流变化率、电压变化率等输入参数的变化而变化。而针对花费的减少的要求，功率转换器趋向数字化控制[28]–[34]。其通常可基于FPGA技术实现数学化

4、的资源开发。Fig.1.开关功率变换器中DAEF和PEF的应用对比本论文中，将提出一种基于FPGA的电磁干扰抑制技术。它也被称为有源数字滤波器（DAEF）。这项基于FPGA的滤波方法，可弥补之前其他抑制技术的很多不足。针对电磁噪声的共模干扰的抑制效果可与无源滤波器进行对比。在Fig.2中，噪声的耦合回路针对的大地而不是返回回路。然而，耦合电路到中性点之间的差模干扰也被消弱。事实证明，对开关转换器中共模信号的抑制大多数是非对称的而非对称的。Fig.1就展示了一个无源滤波器和有源数字滤波器对共模干扰抑制的简易框图。结果表明，随

5、输入电压的变化，无源滤波器的体积不断增加，而有源数字滤波器的体积不变。进而所用PCB板的面积和其质量随之增加。因此，有源数字滤波器在中大电流转换器中有较大竞争优势。Fig.2.数字有源EMI控制器的结构图因为DAEF可在离散域使用硬件描述语言进行模拟，并且它不依赖于频率；因此，图中有源模拟电磁滤波器不考虑信号相位扭曲[35]。然而，电路中的输入电容会产生一个无意义的延时，反过来使的噪声发生无意义的转变。本文的框架如下。在第2节中，阐述的是提出的DAEF的整体设计思路和设计原则。在第3节中，传递函数的推导及关键波形的分析。第

6、4、5节中，仿真和实验结果的验证。最后，在第6节进行总结。1.整体设计思路和设计原则该DAEF的设计目的是消除或最小化电路中产生的不希望的干扰信号。这些干扰信号倾向于流入单元并网系统和配电系统输入轨道。这个有源滤波技术通过改变幅值和频率来仿效随机产生的噪声信号。因此，这个噪声信号要采用高速的ADC采样后进行相位翻转运算。之后，经过DAC转换输出引导EMI无用信号的产生。Fig.2展示了有源EMI滤波器的整体设计思路。在Fig.2中，数字EMI滤波器的输入参数为进过高通滤波的噪声电压。这个噪声电压通过高速ADC模块采样，并经

7、过反相器反相进行处理，经DAC模块转换输出。这个转换信号的反馈也会经过一个寄生的低通滤波器滤除高频噪音。其输入电容Cinj也会防止ADC模块被功率转换器加载。表ⅠDAEF组成器件的功耗Fig.3.基于FPGA的数字EMI滤波器的反馈框图1.分析和设计方法在很多的期刊杂志上都已经发表无源滤波器的分析和设计流程。他们的优缺点也已经被指出，但体积和功耗的问题还是设计工程师一直考虑的。这就是说，无源滤波器在忽略设计的最优程度的条件下，其体积和功耗会随着电路电压、电流变化率的变化成比例增加。进一步忽略电路自身热耗，DAEF的功耗也比

8、PEF小，详见表1。在本节中，会进一步论证DAEF在EMI抑制上的可行性，系统框图见Fig.3。闭环系统传递函数为其中，Y（s）为无噪声输入的EMI函数的单位阶跃；X（s）为有噪声输入的EMI函数；X’（s）为数据处理后产生的EMI噪音。在理论上，X’（s）与X（s）的幅值相等，以得到全部的EMI噪音。