隨機PWM可降低噪聲并減少三相逆變器應(yīng)用中的輻射

Aamir Hussain Chughtai, Muhammad Saqib

在功率電子中，根據(jù)特定應(yīng)用，已經(jīng)成功地采用了幾種脈沖寬度調(diào)制（PWM）方案。大多數(shù)傳統(tǒng)PWM方案（本質(zhì)上是確定性的）生成預(yù)定的諧波含量。這可能會在實際應(yīng)用中產(chǎn)生許多問題，如噪聲、無線電千擾和機械振動。在需要減輕對環(huán)境和其他設(shè)備的干擾的應(yīng)用中，例如工業(yè)電機驅(qū)動器、牽引驅(qū)動器、電動汽車，傳統(tǒng)的PWM方案因自身原因不能高效地運行，需要添加如電磁千擾（EMI）波器等附加設(shè)備。有一種方法可以應(yīng)對這些問題，就是增加傳統(tǒng)PWM方案的開關(guān)頻率，即>18kHzo不過，這會導(dǎo)致開關(guān)損耗顯著增加。在這種應(yīng)用中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)隨機脈沖寬度調(diào)制（RPWM）可以有效地減輕這些問題，且不用顯著增加開關(guān)頻率。

在RPWM中，每個開關(guān)脈沖的寬度隨機變化。這導(dǎo)致諧波簇在很大范圍內(nèi)擴(kuò)散，從而減小了單獨濾波器的尺寸，或完全避免在某些應(yīng)用中使用濾波器。RPWM技術(shù)已成功用于許多功率電子應(yīng)用中，例如在需要檢查噪聲的工業(yè)電機控制驅(qū)動器中。

通常，使用DSP和FPGA實現(xiàn)用于復(fù)雜商用系統(tǒng)的高頻PWM和RPWM信號。不過，這些器件更通用、功能更強大、且更靈活，自然也就比較貴。使用低成本的Dialog CMIC可以滿足RPWM生成所需的相似精度和高頻時序要求。許多合適的RPWM方案，尤其是開環(huán)應(yīng)用，可以用Dialog CMIC來實現(xiàn)。因此，嵌入式DSP、MCU或FPGA的顯式編程或編碼可以由GreenPAK designer中提供的簡單接口所取代。此外，整個控制電路的尺寸也會顯著減小。

有幾種方法可以為三相逆變器應(yīng)用生成RPWM。此應(yīng)用筆記中，我們介紹了一種合適的RPWM技術(shù)，它可以使用現(xiàn)成的GreenPAKCMIC資源來實現(xiàn)。RPWM技術(shù)使用雙矩陣CMIC SLG46620實現(xiàn)。還提供了適當(dāng)?shù)睦碚摻ㄗh和實驗結(jié)果，包括輸出電壓波形及其諧波含量，可以證明所建議的策略是合理的。

建議的RPWM方案

驅(qū)動三相逆變器的RPWM方案的框圖如圖1所示。

兩個鋸齒信號，標(biāo)記為p2和p3（值范圍：0-1），相位相差180℃，與恒定值p1（值范圍：0-1）進(jìn)行比較，得出標(biāo)記為p5fap6的不同類型的脈沖。p5fpp6脈沖的波形如圖2和圖3所示。采用圖4所示波形的二進(jìn)制偽隨機數(shù)發(fā)生器（標(biāo)記為p4），使用上面框圖中所示的邏輯運算符從信號ps和p6中隨機選擇一個脈沖。這會生成一系列脈沖p10，如圖5所示。信號p10通過AND門，同樣的還有脈沖發(fā)生器1到6所生成的10ms長脈沖，標(biāo)記為p11、p12、p13、p14、p15和p16。請注意，對于完整的180℃導(dǎo)通模式，脈沖發(fā)生器的輸出脈沖相對于彼此有60℃的相位差。最后，在AND操作之后，信號p17、p18、p19、p20、p21和p22成為三相逆變器的功率級中采用的功率開關(guān)的柵極驅(qū)動信號。

根據(jù)施加的柵極信號接通和斷開開關(guān)（通常是MOSFET或IGBT），以獲得逆變器輸出端的三相平衡電壓波形。

在Matlab/Simulink環(huán)境中對50Hz（基波）RPWM三相逆變器系統(tǒng)進(jìn)行仿真，相間輸出波形如圖3所示。輸出電壓波形有效地由隨機信號p10調(diào)制，并實現(xiàn)120℃的相移。

參考值的選擇

參考信號PI提供了一種根據(jù)主觀聲響應(yīng)控制特定應(yīng)用的逆變器輸出的頻譜內(nèi)容的方法。從1到0.5的參考值變化使頻譜內(nèi)容變平，從而減輕了開關(guān)頻率倍數(shù)處的尖峰。不過，這也降低了信號基波分量的幅度。圖4顯示了對于Vdc=312V和載波頻率=12.5kHz，輸出相間電壓的頻譜內(nèi)容如何在參考值從p1=0.8減小到p1=0.5時發(fā)生變化。

不推薦將參考值進(jìn)一步降低到0.5以下，因為開關(guān)頻率的倍數(shù)尖峰開始增多，而且基波分量也會降低。

GreenPAK設(shè)計

圖5顯示了Dialog CMIC SLG46620如何在整個方案中發(fā)揮功能。CMIC的基本操作是生成隨機PWM調(diào)制信號，該信號施加在逆變器功率級中使用的開關(guān)裝置的柵極端子處。

逆變器輸出電壓的基頻選擇為50Hz。選擇SLG46220是因為它提供了足夠的資源來執(zhí)行預(yù)期的設(shè)計。矩陣0和I設(shè)計分別如圖6和圖7所示。在矩陣0中，通過以級聯(lián)（concatenated）方式連接DFF，并在反饋環(huán)路中使用異或門生成偽隨機信號（PBRS）PO，如圖6所示。DFF由來自振蕩器模塊OUTO的12.5kHz時鐘信號驅(qū)動。

對于鋸齒載波信號的生成，建議使用FSM塊。在UP=0的設(shè)定模式下配置的FSMO和FSMI分別由計數(shù)器CNTI/DLY1和CNT3/DLY3饋送，生成頻率為1.6875MHz的脈沖。兩個FSM中的計數(shù)器值設(shè)置為134（輸出周期80us），以實現(xiàn)所需的12.5kHz分立鋸齒信號。為了在兩個鋸齒信號之間實現(xiàn)180℃相移，在FSM1使用由CNT9/DLY9饋送的管道延遲40μs后，啟用FSMO。

兩個鋸齒波載波信號通過FSMO和FSM1的Q字節(jié)輸出端口饋入DCMPO和DCMPI，與恒定參考信號（在寄存器DCMPO和DCMP1內(nèi)配置）進(jìn)行比較，如圖7所示。由于計數(shù)器運行達(dá)到值134，參考值相對于134給出，例如67等于0.5（67/134）的值。兩個DCMP（PS和p6）的輸出進(jìn)一步與來自LFSR（p4）的輸出信號及其反相值（p7）一起傳遞到兩個AND門。向或門饋入這些AND門的輸出，以隨機獲得DCMP的兩個輸出之一?；蜷T的輸出（P10）還進(jìn)一步用于調(diào)制逆變器的驅(qū)動信號。

計數(shù)器CNTO/DLYO被配置為生成周期為10ms的脈沖，以便生成50Hz頻率（基波）的輸出電壓。這些脈沖被饋送到以反相模式配置的DFF，輸出反饋到輸入，以生成50Hz方波脈沖序列。為確保標(biāo)記為pll}Vpl6的輸出脈沖相位相差60℃，建議使用管道延遲模塊。將計數(shù)器CNT5/DLY5、CNT6/DLY6和CNT7/DLY7級聯(lián)以提供周期為3.33ms的脈沖。這些脈沖通過非門饋人管道延遲，因為管道延遲通過計算輸入上升沿的數(shù)量產(chǎn)生延遲，而計數(shù)器通過復(fù)位輸入復(fù)位為0，生成重復(fù)的下降沿，周期為3：33 ms。輸出0和1的管道延遲分別為輸入脈沖提供3.33 ms和6.66ms的時間延遲。三個信號，即管道延遲的輸入和兩個延遲輸出，被進(jìn)一步反相，以提供彼此相移60°的共6個脈沖（p11-p16）。這些50Hz、60℃相移脈沖與隨機脈沖序列（p10）一起進(jìn)一步被傳遞到AND門，為3相逆變器提供最終驅(qū)動信號。

實驗結(jié)果

我們開發(fā)了圖8中描繪的硬件原型，以實驗驗證所提出的RPWM方案。為確保同一支路中的兩個開關(guān)不會同時打開，我們在硬件中生成了一個死區(qū)。

圖9顯示了輸出相間電壓的放大波形。很明顯，波形是根據(jù)需要隨機調(diào)制的。

在圖10中，顯示了輸出相間電壓信號Vab（黃色）和Vac（藍(lán)色）。此外，還顯示了參考值≈0.8（107/134）的Vab（紅色）的FFT圖。盡管頻譜中的擴(kuò)展是明顯的，但是如理論所示，觀察到兩倍于開關(guān)頻率的尖峰，即25kHz。

圖11顯示了參考值=0.5（67/134）時的輸出相間電壓信號Vab（黃色）和Vac（藍(lán)色）以及Vab（紅色）的FFT圖。可以看到頻譜變得更平坦，而且實現(xiàn)了顯著的擴(kuò)散。

總結(jié)

可以使用不同的技術(shù)生成用于三相逆變器的RPWM信號，通常在工業(yè)應(yīng)用中使用較貴的DSP和FPGA來實現(xiàn)期望的結(jié)果。在本應(yīng)用筆記中，我們介紹了使用低成本Dialog SLG46620CMIC實現(xiàn)針對三相逆變器應(yīng)用的RPWM生成技術(shù)。通過恰當(dāng)?shù)哪M和實驗結(jié)果，已經(jīng)確定所提出的技術(shù)是有效的，SLG46620 IC提供了足夠的資源來實現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果。

儒卓力和Wilk Elektronik簽署全球分銷協(xié)議

儒卓力增加產(chǎn)品線，加入了來自波蘭制造商Wilk Elektronik的產(chǎn)品。該公司以GOODRAM Industrial品牌生產(chǎn)內(nèi)存產(chǎn)品，如DRAM內(nèi)存模塊、存儲卡、USB閃存驅(qū)動器和固態(tài)硬盤。雙方的分銷協(xié)議已經(jīng)生效并適用于全球范圍。

GOODRAM Industrial品牌存儲器件質(zhì)量優(yōu)良且價格具競爭力，主要用于工業(yè)應(yīng)用，特別是工業(yè)計算機、嵌入式PC，以及自動化、測量、汽車和通信系統(tǒng)。其他優(yōu)勢包括出色的產(chǎn)品可靠性、交貨時間短以及可滿足較小型客戶需求的能力等。除工業(yè)應(yīng)用外，GOODRAM Industrial還為B2C市場的消費者提供存儲器件。

Wilk Elektronik是歐洲唯一的DRAM內(nèi)存模塊制造商，并與東芝公司建立了技術(shù)合作關(guān)系。Wilk Elektronik運營自有的生產(chǎn)設(shè)施，在3D TLC技術(shù)發(fā)展趨勢下，專注于開發(fā)生產(chǎn)GOODRAM Industrial品牌DRAM內(nèi)存模塊和閃存產(chǎn)品。

儒卓力存儲產(chǎn)品高級營銷經(jīng)理AndreasHofmann強調(diào)：“通過與Wilk Elektronik簽訂分銷協(xié)議，我們正大幅地擴(kuò)展高性能存儲產(chǎn)品的陣容。現(xiàn)在，我們遍布世界各地的客戶均可以為其項目選擇GOODRAM Industrial品牌的高性價比優(yōu)質(zhì)存儲產(chǎn)品。”