開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾抑制策略綜述

何 杰 劉鈺山 畢大強(qiáng) 李 曉

開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾抑制策略綜述

何 杰1劉鈺山1畢大強(qiáng)2李 曉1

（1. 北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院 北京 100083 2. 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)電機(jī)系） 北京 100084）

開關(guān)變換器廣泛應(yīng)用于可再生能源并網(wǎng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、消費(fèi)電子供電等領(lǐng)域，其電磁干擾問題日益突出，因此該問題的解決非常重要。該文總結(jié)開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾抑制策略及其最新進(jìn)展，重點(diǎn)說明這些策略的基本原理、研究現(xiàn)狀和作用特點(diǎn)?？偨Y(jié)的策略主要包括濾波、電橋平衡、反相補(bǔ)償、改進(jìn)脈寬調(diào)制、改進(jìn)功率器件/模塊封裝、優(yōu)化電路板設(shè)計(jì)、改善開關(guān)過程等，這些策略可分為阻斷傳導(dǎo)干擾的耦合路徑和削減干擾源的傳導(dǎo)發(fā)射兩大類。最后對(duì)開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾抑制技術(shù)的關(guān)鍵問題和發(fā)展前景進(jìn)行了討論和總結(jié)。

開關(guān)變換器 傳導(dǎo)電磁干擾 電磁干擾抑制 電磁兼容

0 引言

與傳統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換設(shè)備相比，開關(guān)變換器在體積、質(zhì)量、效率等方面明顯占優(yōu)，因而被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如可再生能源并網(wǎng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、消費(fèi)電子供電等[1-2]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)變換器的功率密度、開關(guān)頻率、開關(guān)速度等逐漸提高、電路結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜、應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展，這導(dǎo)致其電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）問題日益增多且日趨嚴(yán)重[3-6]。

電磁干擾是指電磁能量以輻射或傳導(dǎo)的方式對(duì)器件、設(shè)備、系統(tǒng)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(dǎo)干擾，前者通過空間傳播，后者通過電路傳播。傳導(dǎo)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(gòu)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(gòu)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(guān)國(guó)際組織和大多數(shù)國(guó)家紛紛制定電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了包括電磁發(fā)射限值和測(cè)量在內(nèi)的諸多規(guī)范。輻射發(fā)射通常規(guī)定在30MHz以上的頻段內(nèi)，它可以在半電波暗室或開闊場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)量，半電波暗室用以模擬開闊場(chǎng)，其主要作用是屏蔽室外電磁發(fā)射和防止墻面反射室內(nèi)輻射發(fā)射；傳導(dǎo)發(fā)射通常規(guī)定在150kHz～30MHz的頻段內(nèi)，它必須采用線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量，線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的主要作用是為受試設(shè)備電源線與參考地之間提供穩(wěn)定阻抗，使受試設(shè)備隔離電源端的干擾信號(hào)，為測(cè)量?jī)x器提供測(cè)量端口等[7-8]。

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(fā)射、阻斷電磁干擾的耦合路徑和增強(qiáng)受擾體的抗擾度。文獻(xiàn)[8-9]給出了一些通用性較強(qiáng)或針對(duì)特定電子系統(tǒng)的電磁干擾抑制方法，涉及屏蔽、濾波、接地、布線、頻譜管理、時(shí)間分離、空間分離和電氣隔離等。

對(duì)開關(guān)變換器而言，傳導(dǎo)干擾比輻射干擾更易產(chǎn)生且危害更大。開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾的噪聲來源按頻率成分從低到高可大致分為電網(wǎng)頻率諧波、開關(guān)頻率諧波和開關(guān)暫態(tài)噪聲，電網(wǎng)頻率諧波是功率二極管或晶閘管整流器對(duì)工頻交流電整流的產(chǎn)物，后兩者是功率開關(guān)器件進(jìn)行開關(guān)工作和功率二極管電流進(jìn)行反向恢復(fù)的產(chǎn)物[6, 10-11]。

電網(wǎng)頻率諧波主要集中在幾十Hz到幾百kHz之間，其在規(guī)定的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量頻段內(nèi)已經(jīng)大幅衰減，因此其引起的傳導(dǎo)干擾較小。由于功率二極管不可控、晶閘管只能控制導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷，因此不能通過改變控制策略來主動(dòng)減小電網(wǎng)頻率諧波，一般只能通過濾波來抑制電網(wǎng)頻率諧波引起的傳導(dǎo)干擾。

開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾的主要噪聲來源是開關(guān)頻率諧波和開關(guān)暫態(tài)噪聲，這兩者都可由開關(guān)波形表征。前者是開關(guān)波形的諧波分量，集中在幾kHz到幾十MHz之間，主要由調(diào)制策略決定；后者是開關(guān)波形的暫態(tài)分量，具有很寬的頻譜，主要受功率開關(guān)器件及其門極驅(qū)動(dòng)的特性、功率二極管特性、功率器件/模塊封裝、電路板設(shè)計(jì)等影響。

基于開關(guān)頻率諧波和開關(guān)暫態(tài)噪聲的這些特點(diǎn)，除通用性較強(qiáng)的濾波外，開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾抑制策略還呈現(xiàn)出較高的獨(dú)特性。針對(duì)開關(guān)頻率諧波引起的傳導(dǎo)干擾，一般可以通過改進(jìn)脈寬調(diào)制策略來抑制。針對(duì)開關(guān)暫態(tài)噪聲引起的傳導(dǎo)干擾，除選擇合適型號(hào)的功率器件/模塊外，還可以通過改進(jìn)功率器件/模塊封裝、優(yōu)化電路板設(shè)計(jì)、改善開關(guān)過程等來抑制。此外，特殊的電橋平衡與反相補(bǔ)償策略也能抑制部分傳導(dǎo)干擾。開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾抑制策略分類如圖1所示。圖1對(duì)這些策略進(jìn)行了概括，值得注意的是，改進(jìn)功率器件/模塊封裝、優(yōu)化電路板設(shè)計(jì)、改善開關(guān)過程對(duì)開關(guān)變換器輻射干擾也有抑制作用。

圖1 開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾抑制策略分類

文獻(xiàn)[12-19]對(duì)開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾抑制策略進(jìn)行了總結(jié)，但不夠全面和深入。例如，文獻(xiàn)[12-16]限定開關(guān)變換器為開關(guān)電源；文獻(xiàn)[17]限定抑制策略為擴(kuò)頻脈寬調(diào)制；文獻(xiàn)[18-19]對(duì)抑制策略的總結(jié)不夠充實(shí)。基于此，本文從阻斷傳導(dǎo)干擾的耦合路徑和消減干擾源的傳導(dǎo)發(fā)射兩大方面，全面深入地梳理了圖1所列的各類開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾抑制策略，并介紹了最新研究進(jìn)展，致力于闡述相關(guān)策略的基本原理、研究現(xiàn)狀和作用特點(diǎn)等，最后還對(duì)相關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵問題和發(fā)展前景進(jìn)行了簡(jiǎn)要探討。

1 濾波

開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾通過電源線和地線耦合到設(shè)備或電網(wǎng)中，這可能影響自身用電設(shè)備和連接到同一電網(wǎng)的其他設(shè)備的正常工作，通常采用電磁干擾濾波器來阻斷這種傳導(dǎo)耦合。電磁干擾濾波器可分為無源電磁干擾濾波器（Passive Electromagnetic interference Filter, PEF）和有源電磁干擾濾波器（Active Electromagnetic interference Filter, AEF）。PEF主要由電感和電容構(gòu)成，它根據(jù)“最大失配阻抗”原則，即對(duì)干擾源阻抗和受擾體阻抗分別提供最大失配的輸入阻抗，從而對(duì)給定頻段的傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生充分大的插入損耗。AEF為包含半導(dǎo)體器件或運(yùn)放的電子電路，它利用有源消除（Active Can- cellation, AC）技術(shù)，能夠有效抑制共?；虿钅８蓴_。PEF的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍更為廣泛，而AEF的體積和成本更小，且其性能受干擾源阻抗的影響更小。文獻(xiàn)[12, 20]對(duì)PEF或AEF做了較好的總結(jié)，下面重點(diǎn)從PEF的基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)及其優(yōu)化和AEF的分類、功能結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì)等幾個(gè)關(guān)鍵方面進(jìn)行梳理。

1.1 無源濾波

直流/單相交流電路的典型PEF如圖2所示，圖中，SC（SD）為共模（差模）干擾的理想電流源，SC（SD）和LC（LD）分別為共模（差模）干擾的源阻抗和受擾體阻抗，X和X1、X2分別為差模扼流圈和差模電容，Y和Y分別為共模扼流圈和共模電容，σ為Y的漏感且起差模濾波作用。

PEF設(shè)計(jì)的關(guān)鍵流程為：①確定干擾源阻抗；②確定共模和差模干擾幅值譜；③確定PEF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、極點(diǎn)數(shù)、元件參數(shù)和優(yōu)化方案。其中①和②既可通過實(shí)際電路的測(cè)量得到，也可通過建立和分析功率變換系統(tǒng)的電磁干擾模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖2 直流/單相交流電路的典型PEF

PEF濾波效果與干擾源阻抗和受擾體阻抗密切相關(guān)，但在標(biāo)準(zhǔn)的傳導(dǎo)干擾測(cè)量環(huán)境中，受擾體阻抗可由線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)代替，因此多數(shù)研究?jī)H考慮干擾源阻抗變化對(duì)PEF濾波效果的影響。干擾源阻抗的提取方法有很多，如插入損耗法[21]、電流探頭法[22]、散射參數(shù)法[23]、阻抗擾動(dòng)法[24]等，這些提取方法的精度和復(fù)雜度不同。文獻(xiàn)[21, 25]給出了考慮干擾源阻抗時(shí)的PEF設(shè)計(jì)方案。

共模和差模干擾產(chǎn)生機(jī)理不同，因此需要運(yùn)用噪聲分離技術(shù)分別得到共模和差模干擾的幅值譜，來分別設(shè)計(jì)共模和差模PEF。噪聲分離技術(shù)分為基于射頻電流探頭測(cè)試、基于軟件實(shí)現(xiàn)和基于硬件實(shí)現(xiàn)三類。文獻(xiàn)[26]對(duì)噪聲分離技術(shù)及其特點(diǎn)做了簡(jiǎn)要總結(jié)。

建立功率變換系統(tǒng)電磁干擾模型是分析和預(yù)測(cè)電磁干擾的基礎(chǔ)，將此模型用于PEF設(shè)計(jì)就能避免對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行干擾源阻抗提取和噪聲分離，從而縮短整體設(shè)計(jì)周期。系統(tǒng)級(jí)電磁干擾建模方法可分為頻域法和時(shí)域法[27]，前者仿真的速度更快、收斂性更好，但精度有所欠缺；后者與前者相反，文獻(xiàn)[28]對(duì)兩者做了簡(jiǎn)要總結(jié)。目前，系統(tǒng)級(jí)電磁干擾的建模對(duì)象幾乎涵蓋了所有開關(guān)變換器類型及應(yīng)用領(lǐng)域，如不間斷電源[29]、光伏逆變器[30]、變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[31]、模塊化多電平變換器[32]等。系統(tǒng)級(jí)電磁干擾模型的精度由主要的子模塊或元器件高頻模型和電路板雜散參數(shù)模型的精度決定，其中重點(diǎn)進(jìn)行建模研究的子模塊或元器件主要有高頻變壓器[33]、功率器件或模塊[34-36]、PEF[37-38]等。文獻(xiàn)[37]給出了基于功率變換系統(tǒng)電磁干擾模型的PEF設(shè)計(jì)方案。

通過變更PEF基本電路的濾波元件，很容易得到其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以滿足不同的濾波需求。共?；虿钅EF的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有LC型、CL型、T（LCL）型和p（CLC）型，它們可以通過級(jí)聯(lián)以提高插入損耗[39]，文獻(xiàn)[6, 40]指出四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依次適用于低S高L、高S低L、低S低L、高S高L的情形，S和L分別為共?；虿钅８蓴_的源阻抗和受擾體阻抗。

PEF極點(diǎn)數(shù)和元件參數(shù)不僅取決于插入損耗，還受接地漏電流限值、PEF體積或質(zhì)量等影響。文獻(xiàn)[41]給出一種基于粒子群優(yōu)化的PEF自動(dòng)設(shè)計(jì)方案，綜合考慮了各種影響因素，如插入損耗、接地漏電流限值、差分損耗電流限值、開關(guān)變換器的額定電壓和額定電流、PEF尺寸等因素。

在滿足濾波需求后，通過對(duì)PEF進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)一步提升其性能。PEF的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)主要有減小體積或質(zhì)量[42]、消除雜散參數(shù)[43]、抑制諧振或增強(qiáng)穩(wěn)定性[44]、提高效率[45]、降低諧波失真 率[46]等。

目前，針對(duì)PEF的研究主要集中在電磁干擾建模及其仿真分析和PEF優(yōu)化設(shè)計(jì)上。研究的主要內(nèi)容包括：對(duì)大功率、復(fù)雜結(jié)構(gòu)或基于寬禁帶半導(dǎo)體器件的功率變換系統(tǒng)進(jìn)行電磁干擾建模；解決電磁干擾模型仿真分析的精度、收斂性和速度之間的矛盾；減小PEF體積或質(zhì)量等。

1.2 有源濾波

AEF有多種分類方式，按照采樣和補(bǔ)償方式可分為電壓采樣電壓補(bǔ)償型、電壓采樣電流補(bǔ)償型、電流采樣電壓補(bǔ)償型、電流采樣電流補(bǔ)償型；按照采樣和補(bǔ)償位置可分為前饋型和反饋型；按照控制方式可分為模擬控制型和數(shù)字控制型；按照所抑制的傳導(dǎo)干擾類型可分為共模型和差模型等。文獻(xiàn)[47]對(duì)各類AEF的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用條件做了較好總結(jié)。

AEF主要由采樣電路、處理電路和補(bǔ)償電路構(gòu)成。采樣電路為電流互感器或基于RC的高通濾波器及相應(yīng)的噪聲分離電路，前者用以感測(cè)共?；虿钅ｋ娏髟肼?，后者用以感測(cè)共?；虿钅ｋ妷涸肼?；模擬控制型處理電路通常為運(yùn)放或推挽式放大器，而數(shù)字控制型處理電路由高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、基于DSP或FPGA的控制單元和高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，都用以提供增益；補(bǔ)償電路為變壓器或RC電路，分別用于注入補(bǔ)償電壓和補(bǔ)償電流。文獻(xiàn)[20]對(duì)AEF的電路結(jié)構(gòu)做了較好總結(jié)。

AEF的低頻性能較好，而PEF的高頻性能較好，因此將兩者級(jí)聯(lián)形成混合電磁干擾濾波器（Hybrid Electromagnetic interference Filter, HEF），則能綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，從而提高濾波器的整體性能，而且還能通過提高PEF的截止頻率來減小PEF的體積或質(zhì)量[48]。

文獻(xiàn)[49-50]給出了AEF/HEF的設(shè)計(jì)流程，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確了AEF/HEF抑制傳導(dǎo)干擾的作用。與PEF設(shè)計(jì)相比，AEF/HEF設(shè)計(jì)要重點(diǎn)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。AEF/HEF的低頻（小于150kHz）不穩(wěn)定性源于采樣電路引入的相移，而高頻（大于30MHz）不穩(wěn)定性源于運(yùn)放大的增益衰減以及電路的雜散效應(yīng)，不穩(wěn)定會(huì)顯著增加電路的噪聲。AEF/HEF建模的準(zhǔn)確性對(duì)穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)至關(guān)重要，AEF/HEF建模的難點(diǎn)在于提取電路高頻雜散參數(shù)和確定干擾源阻抗，文獻(xiàn)[51]討論了共模AEF、差模AEF和HEF的建模過程，并給出了穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方案。

目前，AEF/HEF的設(shè)計(jì)還存在增益帶寬矛盾、提高響應(yīng)速度、抑制浪涌電壓、降低功率損耗等問題或難點(diǎn)。另外，文獻(xiàn)[52-53]討論了數(shù)字控制型AEF的分析和設(shè)計(jì)，但相關(guān)技術(shù)仍有待進(jìn)一步發(fā)展。

2 電橋平衡與反相補(bǔ)償

直接阻斷傳導(dǎo)干擾路徑能夠有效抑制電磁干擾，除此之外，還可以采用基于電橋平衡與反相補(bǔ)償原理的策略，它們通過改變開關(guān)變換器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)或元器件分布將傳導(dǎo)噪聲束縛在內(nèi)部電路，使之不對(duì)外部電路造成干擾。

文獻(xiàn)[54-55]提出一種基于惠斯通電橋平衡原理的共模干擾抑制策略，其通過增添元器件或改進(jìn)電路設(shè)計(jì)使4個(gè)橋臂的阻抗對(duì)稱，同時(shí)使干擾源和受擾體分別處于電橋的兩個(gè)對(duì)角線上，從而抑制共模干擾。由于該策略的共模干擾抑制效果與阻抗對(duì)稱程度密切相關(guān)，其對(duì)傳導(dǎo)干擾模型的阻抗精度要求很高。

文獻(xiàn)[56]提出一種基于電流補(bǔ)償?shù)墓材８蓴_抑制策略，其通過反相變壓器獲得一個(gè)與對(duì)地共模電壓相位相反的補(bǔ)償電壓，同時(shí)在補(bǔ)償端增加電容器以接收全部的接地漏電流，從而抑制共模干擾。該策略本質(zhì)上是一種通過引入其他元件來消除功率器件對(duì)地雜散電容的方法，文獻(xiàn)[57]分析了其等效電路原理，并給出了其在幾種常見DC-DC變換器上的應(yīng)用實(shí)例。文獻(xiàn)[58]提出了基于電壓補(bǔ)償?shù)墓材８蓴_抑制策略，同時(shí)通過反相變壓器獲得與共模電壓相位相反的補(bǔ)償電壓，但是補(bǔ)償電壓和共模電壓直接串聯(lián)相消。與AEF的有源補(bǔ)償策略相比，上述補(bǔ)償策略由無源器件實(shí)現(xiàn)，且作用于開關(guān)變換器內(nèi)部電路，用以直接消除功率器件對(duì)地雜散電容的影響。上述補(bǔ)償策略主要抑制中低頻段的共模干擾，且其抑制效果受補(bǔ)償元件的雜散參數(shù)和功率器件對(duì)地雜散電容的估算精度影響。

相比于濾波策略，電橋平衡與反相補(bǔ)償策略的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單，所增加元件的體積或質(zhì)量較小，但其只能用來抑制共模干擾，且實(shí)際抑制效果難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。此外，電橋平衡與反相補(bǔ)償策略對(duì)開關(guān)變換器其他工作性能的影響仍有待研究。

3 脈寬調(diào)制

脈寬信號(hào)的主要參數(shù)如圖3所示，脈寬信號(hào)()主要由周期（或頻率f）、脈寬、位置（延遲時(shí)間）等參數(shù)確定，這些參數(shù)隨時(shí)間的變化特性很大程度上決定了開關(guān)波形的特性。常規(guī)脈寬調(diào)制主要有載波脈寬調(diào)制（Carrier-Based PWM, CBPWM）和空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector PWM, SVPWM），脈寬信號(hào)的頻率和位置在工作過程中通常固定不變，而脈寬按照周期性規(guī)律變化，因此常規(guī)脈寬信號(hào)為周期函數(shù)，這導(dǎo)致開關(guān)波形的噪聲能量主要集中在離散的諧波頻率附近[59]。該問題的一種有效解決方案是降低開關(guān)頻率，但這與電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)相違背，因此工程應(yīng)用價(jià)值不高。另一種解決方案是采用擴(kuò)頻脈寬調(diào)制（Spread Spectrum PWM, SSPWM），即通過動(dòng)態(tài)調(diào)整脈寬信號(hào)的部分或全部參數(shù)，將集中的開關(guān)頻率諧波噪聲能量分布在更寬的頻段內(nèi)，從而有效降低這些噪聲能量的幅值以滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。此外，一些基于特定優(yōu)化目標(biāo)的脈寬調(diào)制策略也能抑制部分開關(guān)波形噪聲，如旨在消除或降低開關(guān)變換器輸出波形指定部分諧波噪聲的特定消諧脈寬調(diào)制（Selective Harmonic Elimination PWM, SHEPWM）和用于降低變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共模電壓的脈寬調(diào)制等。

圖3 脈寬信號(hào)的主要參數(shù)

3.1 擴(kuò)頻脈寬調(diào)制

按照脈寬信號(hào)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整方式的不同，擴(kuò)頻脈寬調(diào)制主要分為隨機(jī)脈寬調(diào)制（Random PWM, RPWM）、混沌脈寬調(diào)制（Chaotic PWM, CPWM）和周期脈寬調(diào)制（Periodic PWM, PPWM）。設(shè)擴(kuò)頻脈寬調(diào)制的動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)為載波頻率C（即開關(guān)頻率），則次開關(guān)頻率諧波分量經(jīng)調(diào)制后可表示為

式中，An為hn(t)的幅值；DfC為載波頻率的偏移幅值；x(t)用以表征載波頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整方式，其值域?yàn)閇-1, 1]。根據(jù)卡森（Carson）法則[60]，hn(t)在功率譜上展開的帶寬約為2nDfC，圖4比較了常規(guī)和周期脈寬調(diào)制的開關(guān)頻率諧波功率譜。

文獻(xiàn)[17, 61-62]對(duì)擴(kuò)頻脈寬調(diào)制做了較好的闡述和總結(jié)，其局限性主要有：①擴(kuò)頻脈寬調(diào)制不能降低開關(guān)波形的總噪聲能量；②由于開關(guān)變換器的元器件參數(shù)與開關(guān)頻率密切相關(guān)，開關(guān)頻率動(dòng)態(tài)變化使相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)或選取變得困難；③實(shí)際應(yīng)用中難以生成真正的隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)脈寬調(diào)制抑制開關(guān)頻率諧波的效果依賴于偽隨機(jī)數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；④不能有效地控制輸出電流紋波和開關(guān)損耗等問題。

3.2 特定消諧脈寬調(diào)制

文獻(xiàn)[63-64]對(duì)特定消諧脈寬調(diào)制做了較好闡述和總結(jié)，這里簡(jiǎn)述其基本原理和作用特點(diǎn)并補(bǔ)充最新相關(guān)文獻(xiàn)。特定消諧脈寬調(diào)制的基本原理：首先，基于開關(guān)變換器輸出波形的特性，如相數(shù)、極性、對(duì)稱性、電平數(shù)及幅值等，對(duì)輸出波形進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解；其次，選擇一組擬處理諧波并確定處理目標(biāo)，如諧波消除[65]、諧波最小化[66]、總諧波畸變率最小化[67]、諧波抑制[68]等，由此得到表征基波與擬處理諧波的幅值和開關(guān)角關(guān)系的超越方程組；最后，求解目標(biāo)開關(guān)角，當(dāng)超越方程組較為簡(jiǎn)單時(shí)，可采用牛頓迭代法進(jìn)行求解，當(dāng)超越方程組較為復(fù)雜時(shí)，可采用一些先進(jìn)算法進(jìn)行求解，如差分和聲搜索[65]、帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)算法[66]、粒子群優(yōu)化[69]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[68]等，更多算法可參考文獻(xiàn)[64]。

由于每個(gè)開關(guān)角都對(duì)應(yīng)一次開關(guān)動(dòng)作，因此開關(guān)變換器輸出波形的基波角頻率不能過高，否則會(huì)出現(xiàn)相鄰開關(guān)動(dòng)作時(shí)間間隔過短的情況，使功率開關(guān)器件不能安全工作。此外，當(dāng)擬處理諧波數(shù)目較大時(shí)，開關(guān)角數(shù)目必須相應(yīng)增加，這導(dǎo)致超越方程組的求解難度劇增，需要先進(jìn)的求解算法和硬件設(shè)備，因此也限制了特定消諧脈寬調(diào)制的應(yīng)用。

3.3 用于降低共模電壓的脈寬調(diào)制

電壓源逆變器（Voltage Source Inverter, VSI）具有較高的控制質(zhì)量和能效，因此廣泛應(yīng)用于變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于常規(guī)VSI（兩電平三橋臂三相VSI），當(dāng)其采用常規(guī)脈寬調(diào)制時(shí)，中性點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生對(duì)地共模電壓，常規(guī)變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖5所示，此共模電壓可近似表示為

常規(guī)VSI的開關(guān)組合共有八種，其中零電壓矢量對(duì)應(yīng)的共模電壓為±DC/2，非零電壓矢量對(duì)應(yīng)的共模電壓為±DC/6，因此采用常規(guī)脈寬調(diào)制的共模電壓為幅值DC/2的交流電壓。此共模電壓通過電機(jī)對(duì)地雜散電容產(chǎn)生共模電流和共模干擾，或通過電機(jī)內(nèi)部雜散電容產(chǎn)生軸承電流，最終危害電機(jī)的正常工作。為減輕或消除這些危害，除特定消諧脈寬調(diào)制外，學(xué)者們還提出了諸多用于降低共模電壓的脈寬調(diào)制（Reduced Common-Mode Voltage PWM, RCMV-PWM）策略。

一類RCMV-PWM針對(duì)常規(guī)VSI而提出，其由常規(guī)脈寬調(diào)制直接改進(jìn)而來?；诔Ｒ?guī)空間矢量脈寬調(diào)制的改進(jìn)策略主要有有效零模態(tài)脈寬調(diào)制（Active Zero State PWM, AZPWM）、鄰近模態(tài)脈寬調(diào)制（Near State PWM, NSPWM）、疏遠(yuǎn)模態(tài)脈寬調(diào)制（Remote State PWM, RSPWM）等，它們的核心思想在于避免直接使用產(chǎn)生高共模電壓的零電壓矢量，而使用非零電壓矢量合成并替代零電壓矢量，從而降低共模電壓幅值?；诔Ｒ?guī)正弦脈寬調(diào)制的改進(jìn)策略主要有載波移相脈寬調(diào)制（Carrier Phase Shift PWM, CPSPWM）及載波峰值位置調(diào)制（Carrier Peak Position Modulation, CPPM）等，前者采用三個(gè)相位相差120°的正弦波與三個(gè)峰值錯(cuò)開的三角載波進(jìn)行比較，減小了零電壓矢量出現(xiàn)的概率，后者在前者的基礎(chǔ)上徹底消除了零電壓矢量。文獻(xiàn)[70-72]對(duì)這些RCMV-PWM做了較好的分析和比較。

另一類RCMV-PWM針對(duì)其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的VSI而提出，其通過中點(diǎn)鉗位、級(jí)聯(lián)、并聯(lián)、增加半橋支路等方法來增加常規(guī)VSI的電平數(shù)、橋臂數(shù)和相數(shù)等參數(shù)，進(jìn)而增加開關(guān)組合并提高脈寬調(diào)制的自由度，最終也能降低甚至消除共模電壓。按照增加參數(shù)的類型，這類RCMV-PWM的作用對(duì)象主要可分為多電平VSI[73]、多橋臂VSI[74]、多相VSI[75-76]和多電平多橋臂VSI[77]等。這類RCMV-PWM可分為兩個(gè)子類：①類似于常規(guī)VSI，上述VSI可以使用產(chǎn)生低共模電壓的電壓矢量合成并替代產(chǎn)生高共模電壓的電壓矢量，或改進(jìn)載波移相脈寬調(diào)制，從而降低共模電壓幅值；②當(dāng)電平數(shù)為偶數(shù)和相數(shù)/橋臂數(shù)為奇數(shù)不同時(shí)成立，上述VSI總存在使共模電壓為0的電壓矢量[78]，如果僅使用這些電壓矢量進(jìn)行脈寬調(diào)制，就能徹底消除共模電壓。文獻(xiàn)[73-74, 76]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確了上述部分RCMV- PWM策略抑制共模干擾的作用。

RCMV-PWM有可能使VSI的輸出電流質(zhì)量惡化、開關(guān)損耗增加以及調(diào)制比降低，一些RCMV- PWM結(jié)合了最優(yōu)化控制[79]、模型預(yù)測(cè)控制[80]等，在改善這類問題和降低共模電壓中進(jìn)行折中考慮。

總之，RCMV-PWM能夠有效降低VSI的共模電壓，而且部分RCMV-PWM能夠有效抑制共模干擾。然而，RCMV-PWM對(duì)差模干擾的影響目前尚缺乏分析，并且除共模電壓外，每個(gè)橋臂的開關(guān)電壓和開關(guān)電流也是重要干擾源，特別是當(dāng)VSI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜化后，開關(guān)器件明顯增多，由此產(chǎn)生的電磁干擾可能更加嚴(yán)重，這些問題都需要進(jìn)一步研究。

3.4 基于其他優(yōu)化目標(biāo)的調(diào)制策略

單純以降低電磁干擾為目的的調(diào)制策略可能損害開關(guān)變換器的其他性能，一些基于其他優(yōu)化目標(biāo)的調(diào)制策略能夠兼顧電磁干擾抑制功能。

文獻(xiàn)[81]提出模型預(yù)測(cè)脈寬調(diào)制，即通過建立電流紋波或電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的預(yù)測(cè)模型，來調(diào)整開關(guān)頻率或脈沖分布，以實(shí)現(xiàn)對(duì)上述預(yù)測(cè)模型參數(shù)的控制，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，中低頻傳導(dǎo)干擾得到一定程度的抑制。文獻(xiàn)[82]提出改進(jìn)的積分-微分（S-D）調(diào)制，其基于過采樣和噪聲整形技術(shù)來產(chǎn)生可變的開關(guān)頻率和占空比，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載改變的快速瞬態(tài)響應(yīng)，具有降低傳導(dǎo)干擾的作用。文獻(xiàn)[83]提出改進(jìn)的脈沖序列調(diào)制，其通過輸出電壓與參考電壓的比較結(jié)果來調(diào)整高、低頻率或占空比控制脈沖的組合方式，用以減小輸出電壓波動(dòng)和提高DC-DC變換器的輕載效率與瞬態(tài)響應(yīng)速度，具有降低傳導(dǎo)干擾的作用。

上述調(diào)制策略能夠抑制傳導(dǎo)干擾的根本原因在于脈寬信號(hào)參數(shù)不再固定或周期性變化，而是呈現(xiàn)出部分分布的特性。

4 功率器件/模塊封裝和電路板設(shè)計(jì)

開關(guān)變換器的雜散阻抗由功率器件/模塊及其封裝和電路板設(shè)計(jì)決定，主要包括驅(qū)動(dòng)回路與功率回路的雜散電感、功率器件的極間電容和功率模塊對(duì)地的雜散電容，這些雜散阻抗影響開關(guān)速度并產(chǎn)生過沖、高頻振蕩和位移電流等現(xiàn)象，進(jìn)而影響電磁干擾特性。

文獻(xiàn)[84-87]研究了驅(qū)動(dòng)回路或功率回路雜散電感對(duì)開關(guān)特性的影響。文獻(xiàn)[84]指出由于驅(qū)動(dòng)電阻的過阻尼作用，驅(qū)動(dòng)回路雜散電感對(duì)開關(guān)特性的影響較小，但驅(qū)動(dòng)回路和功率回路耦合的共源極電感對(duì)開關(guān)特性影響較大，它對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓起負(fù)反饋?zhàn)饔?，進(jìn)而能降低開關(guān)電流變化速度，對(duì)差模干擾噪聲有一定程度的抑制。一些功率開關(guān)器件通過增加開爾文源極引腳使驅(qū)動(dòng)回路和功率回路解耦，雖然略微提高了開關(guān)速度，但總體上改善了開關(guān)電壓的過沖和高頻振蕩[85]。文獻(xiàn)[86]表明通過降低開關(guān)波形的過沖幅值，可減小高頻振蕩的能量，并降低相應(yīng)振蕩頻率附近的幅值譜。文獻(xiàn)[87]表明減小功率回路的雜散電感雖然能夠降低過沖幅值，但也略微提高了開關(guān)速度，于是開關(guān)波形幅值譜在振蕩頻率附近下降，但在更高的頻段內(nèi)略有上升。

文獻(xiàn)[88-89]研究了雜散電容對(duì)開關(guān)特性的影響：文獻(xiàn)[88]分析了功率器件的各個(gè)極間電容對(duì)開關(guān)特性的影響，為功率器件選擇提供了參考；文獻(xiàn)[89]表明變化的開關(guān)電壓在功率模塊對(duì)地的雜散電容上產(chǎn)生位移電流，進(jìn)而產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。

總之，開關(guān)變換器的雜散阻抗參數(shù)眾多且部分參數(shù)對(duì)開關(guān)波形幅頻特性的影響是復(fù)雜的，但減小雜散阻抗在總體上能夠有效抑制高頻電磁干擾，此外還可以減小電壓/電流應(yīng)力、開關(guān)損耗等。特別是隨著寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展，開關(guān)速度不斷提高，過沖和高頻振蕩、位移電流等現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，減小雜散阻抗成為解決該問題并抑制部分高頻電磁干擾的可行和必要策略，而這個(gè)目標(biāo)無疑需要通過改進(jìn)功率器件/模塊封裝和電路板設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

4.1 功率器件/模塊封裝

常規(guī)的功率器件/模塊封裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，其構(gòu)成要素主要包括功率器件芯片、基板、襯板、焊層、鍵合線、端子、密封劑和塑料外殼等。功率器件/模塊封裝的雜散電感主要產(chǎn)生于襯板走線、鍵合線和端子等，表1列出了減小這些雜散電感的通用方法[90]。功率器件/模塊封裝的雜散電容主要產(chǎn)生于絕緣襯板，絕緣襯板通過散熱器和地線相接[91]。相比于分立的功率器件封裝，多芯片整合的功率模塊封裝能夠減少互連和端子、提高功率密度、增加設(shè)計(jì)自由度，因此能夠更加有效地減小雜散 電感。

圖6 常規(guī)功率模塊封裝結(jié)構(gòu)示意圖

表1 減小功率器件/模塊封裝雜散電感的通用方法

Tab.1 General methods to reduce stray inductance in power device/module package

功率模塊封裝主要通過改進(jìn)芯片、襯板走線的布局和互連方式來減小雜散電感。部分文獻(xiàn)基于引線鍵合的互連方式，設(shè)計(jì)一些新的封裝電路布局，如P-cell和N-cell[90]，雙端電源[92]等，其本質(zhì)是通過減小電流環(huán)路的長(zhǎng)度或面積來減小雜散電感。另外一些文獻(xiàn)采用新的互連方式，如在芯片焊盤上使用直接沉積銅的平面互連封裝[93]和通過襯板通孔進(jìn)行芯片互連的3D互連封裝[94]。前者通過縮短和加寬電流路徑減小雜散電感，后者通過減小電流環(huán)路的長(zhǎng)度和面積減小雜散電感。文獻(xiàn)[90, 92, 94]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，降低功率器件/模塊封裝的雜散電感能夠有效降低部分傳導(dǎo)或輻射干擾。

部分功率模塊芯片直接安裝在電路板上，并通過改進(jìn)功率回路布局來減小雜散電感。如文獻(xiàn)[95]提出多回路的概念，將常規(guī)的功率回路拆分成多個(gè)電流流向交錯(cuò)的回路，極大地減小了各回路間的互感，從而減小雜散電感。文獻(xiàn)[96]提出一種垂直于電路板平面的功率回路，有效減小回路面積，從而減小雜散電感。文獻(xiàn)[97]提出平行于電路板平面的功率回路，它能夠在襯板的接地平面層感應(yīng)出渦流，從而利用渦流效應(yīng)減小回路的雜散電感。

通過改進(jìn)功率模塊封裝也能減小雜散電容并抑制相關(guān)的電磁干擾。文獻(xiàn)[87]研究表明，半橋電路輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)地雜散電容是影響共模干擾的主要參數(shù)，相比于分立功率器件封裝，所設(shè)計(jì)半橋功率模塊封裝的輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)地雜散電容得到有效減小，對(duì)應(yīng)的共模干擾整體上下降了約10dB。文獻(xiàn)[94]提出一種雙邊冷卻的功率模塊封裝，該封裝具有3層銅質(zhì)基板，半橋電路輸出節(jié)點(diǎn)與中間層基板相連，有效地減小了對(duì)地雜散電容。文獻(xiàn)[98]提出一種平面互連和3D互連混合的半橋模塊封裝，使共模電流在10MHz以上的頻段內(nèi)至少降低了15dB。

文獻(xiàn)[99-101]對(duì)上述部分封裝策略做了總結(jié)，并指出隨著寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的應(yīng)用，高速開關(guān)、熱管理、高溫工作、高壓隔離等問題對(duì)功率器件/模塊封裝提出了更高的要求。當(dāng)前，多芯片整合的寬禁帶半導(dǎo)體功率模塊封裝逐漸成為研究主流，如何在滿足其他功能要求的基礎(chǔ)上有效減小封裝電路的雜散阻抗和抑制與之相關(guān)的傳導(dǎo)或輻射干擾成為研究熱點(diǎn)。

4.2 電路板設(shè)計(jì)

功率器件/模塊封裝外部的主要雜散阻抗為母線電感、電路走線對(duì)地的雜散電容和其他元件的高頻雜散阻抗，其中前兩者的大小和分布主要由電路板設(shè)計(jì)決定。文獻(xiàn)[102-103]給出了降低電磁干擾的電路板通用設(shè)計(jì)方法，下面主要討論減小母線電感和電路走線對(duì)地的雜散電容的設(shè)計(jì)方法。

母線電感是構(gòu)成功率回路雜散電感的重要部分，采用疊層母排是一種有效減小母線電感的方法。文獻(xiàn)[104]討論了趨膚效應(yīng)、互感效應(yīng)、功率回路長(zhǎng)度、疊層母排間距等對(duì)疊層母線雜散電感的影響。文獻(xiàn)[105]給出了雙層母排的電路模型和雜散電感計(jì)算方法，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于常規(guī)的母線設(shè)計(jì)，采用雙層母排設(shè)計(jì)使得逆變器的共模電流明顯減小。文獻(xiàn)[106-107]提出一些疊層母排的設(shè)計(jì)方案以減小母線電感，改善了開關(guān)波形的振蕩現(xiàn)象。

電路走線對(duì)地的雜散電容很大程度上決定于散熱器及其接地方式。文獻(xiàn)[108]比較了鋁質(zhì)散熱器和有機(jī)聚合物質(zhì)散熱器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，后者導(dǎo)致直流變換器共模干擾強(qiáng)度明顯小于前者。文獻(xiàn)[109]提出采用絕緣金屬襯板來直接散熱，雖然提高了功率密度，但導(dǎo)致傳導(dǎo)干擾比常規(guī)散熱器更嚴(yán)重。文獻(xiàn)[110]比較了單散熱器接地和分散式散熱器接地，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，后者導(dǎo)致的共模和差模干擾略小于前者。

5 開關(guān)過程控制

在理論分析時(shí)，常將開關(guān)波形簡(jiǎn)化為梯形波。開關(guān)速度對(duì)梯形波幅值譜及其包絡(luò)的影響如圖7所示（開關(guān)頻率為10kHz，占空比為0.5，值域?yàn)閇0, 1]，r和f分別指波形從10%上升到90%和從90%下降到10%的時(shí)間）。開關(guān)速度是影響開關(guān)波形高頻幅值譜的關(guān)鍵因素之一，降低開關(guān)速度能夠降低開關(guān)波形的高頻幅值譜，進(jìn)而從源頭上抑制開關(guān)變換器的高頻傳導(dǎo)干擾。降低開關(guān)速度的常規(guī)策略為增大驅(qū)動(dòng)電阻或在開關(guān)器件輸入/輸出側(cè)增加電容，這些策略易于實(shí)現(xiàn)且效果良好，但在抑制電磁干擾和降低開關(guān)損耗之間存在嚴(yán)重的制約關(guān)系[111]，為避免或改善這種問題，一些新的策略如增設(shè)緩沖電路、軟開關(guān)和有源門極驅(qū)動(dòng)控制等受到廣泛關(guān)注。

圖7 開關(guān)速度對(duì)梯形波幅值譜及其包絡(luò)的影響

5.1 緩沖電路和軟開關(guān)

緩沖電路能夠用來降低開關(guān)損耗、開關(guān)速度、過沖幅值和電磁干擾強(qiáng)度等，它主要由電阻、電容、電感、二極管VD和輔助開關(guān)器件等構(gòu)成，按照有無電阻和輔助開關(guān)器件可分為有損無源型、無損無源型和有源型三類。通常軟開關(guān)電路指無損無源型和有源型緩沖電路，借助于特殊控制策略，其能夠有效避免暫態(tài)開關(guān)電壓、電流的交疊。按照發(fā)展歷程，軟開關(guān)電路還可以分為準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)脈寬調(diào)制電路、零轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制電路。此外，按照暫態(tài)開關(guān)電壓、電流的變化時(shí)序，軟開關(guān)又分為零電壓軟開關(guān)和零電流軟開關(guān)。文獻(xiàn)[112]對(duì)各類緩沖電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做了簡(jiǎn)要總結(jié)。文獻(xiàn)[113-114]對(duì)軟開關(guān)電路及相應(yīng)控制技術(shù)做了較好總結(jié)，這里簡(jiǎn)述各緩沖電路的作用特點(diǎn)并補(bǔ)充相關(guān)最新文獻(xiàn)。

有損無源緩沖電路主要指RC或RCD電壓緩沖電路和RL或RLD電流緩沖電路，其中鐵氧體磁珠可以等效成一種特殊的RL電流緩沖電路。該類電路的特點(diǎn)是能夠有效衰減開關(guān)波形的高頻振蕩。文獻(xiàn)[115]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確了有損無源緩沖電路抑制高頻電磁干擾的作用。

無損無源緩沖電路為由LCD元器件組成的諧振電路，其能夠?qū)⑽盏哪芰糠答伒焦β驶芈?，從而有效減小功率損耗。該類電路的諧振周期隨輸入電壓或負(fù)載變化而改變，因此只能采用脈沖頻率調(diào)制。有源緩沖電路除LCD元器件外還有輔助開關(guān)器件，其能夠使諧振現(xiàn)象僅發(fā)生在開關(guān)暫態(tài)。該類電路能夠提高開關(guān)變換器的開關(guān)頻率和功率密度，但其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)控制較為復(fù)雜，且為進(jìn)一步降低開關(guān)損耗和抑制電磁干擾，還應(yīng)使輔助開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，這些問題限制了其工程應(yīng)用。

文獻(xiàn)[116-117]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確了軟開關(guān)技術(shù)抑制高頻電磁干擾的作用，但它們都將研究重點(diǎn)放在了軟開關(guān)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和硬件設(shè)計(jì)上，高頻電磁干擾抑制作用僅作為仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)諧振過程缺乏控制，沒能揭示諧振過程和高頻電磁干擾特性之間的深層關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)[118]提出一種軟開關(guān)輔助換向極逆變器，采用可變定時(shí)控制使輸出電壓的暫態(tài)時(shí)間不隨相電流變化，于是輸出電壓的轉(zhuǎn)折頻率可通過暫態(tài)時(shí)間進(jìn)行初步預(yù)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種預(yù)測(cè)的可行性，同時(shí)表明輸出電壓幅值譜在0.6～10MHz范圍有明顯下降。

5.2 有源門極驅(qū)動(dòng)控制

有源門極驅(qū)動(dòng)通過對(duì)開關(guān)波形的精細(xì)控制實(shí)現(xiàn)多樣的應(yīng)用目的，如減少開關(guān)延時(shí)、管理死區(qū)時(shí)間、降低開關(guān)損耗、解決電流/電壓均衡、抑制橋臂串?dāng)_、降低開關(guān)波形過沖幅值、抑制高頻電磁干擾等，這使得有源門極驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)受到廣泛關(guān)注。

有源門極驅(qū)動(dòng)控制有開環(huán)和閉環(huán)之分。有源門極驅(qū)動(dòng)開環(huán)控制即在開關(guān)器件暫態(tài)過程的不同階段，針對(duì)性地調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓[119]、驅(qū)動(dòng)電流[120]或驅(qū)動(dòng)電阻[121]，使之與參考波一致，以控制輸入電容的充放電速度，最終改善暫態(tài)特性。通常使輸入電容的充放電速度在開關(guān)電壓/電流快速變化階段放緩，而在其他階段加速。在一些有源門極驅(qū)動(dòng)器中，驅(qū)動(dòng)參數(shù)只能在有限的幾個(gè)值之間切換[119]。隨著數(shù)字驅(qū)動(dòng)器的提出，驅(qū)動(dòng)參數(shù)得到量化，微調(diào)開關(guān)波形的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)[120]。

由于開關(guān)器件暫態(tài)時(shí)間較短，為使動(dòng)態(tài)響應(yīng)足夠快，有源門極驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制多由模擬反饋電路實(shí)現(xiàn)。有源門極驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制主要分為基于d/d或d/d反饋的閉環(huán)控制和開關(guān)電壓/電流軌跡控制，后者將在下一節(jié)中闡述，前者即通過有源電路將采集到的d/d或d/d信號(hào)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電壓[122]或驅(qū)動(dòng)電流[123]，然后將此驅(qū)動(dòng)電壓或驅(qū)動(dòng)電流加到開關(guān)器件門極形成閉環(huán)反饋，以實(shí)現(xiàn)多樣的控制目的。由于驅(qū)動(dòng)電流可以直接對(duì)輸入電容充放電，因此將d/d或d/d反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電流可使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更加迅速。

文獻(xiàn)[124]對(duì)IGBT的有源門極驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)做了較好總結(jié)。隨著寬禁帶半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，開關(guān)速度明顯提高，橋臂串?dāng)_、開關(guān)波形的過沖和振蕩、高頻電磁干擾等問題愈加凸顯，這使精細(xì)控制d/d或d/d顯得更加重要，但同時(shí)對(duì)有源門極驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)提出了更高的要求。文獻(xiàn)[119]提出一種基于智能模型的軌跡優(yōu)化有源門極驅(qū)動(dòng)器，對(duì)碳化硅器件帶來的電磁干擾和開關(guān)損耗進(jìn)行優(yōu)化權(quán)衡。文獻(xiàn)[125]提出的碳化硅有源門極驅(qū)動(dòng)器降低了開關(guān)電壓過沖幅值，并將振蕩頻率附近的噪聲幅值降低約15dB。文獻(xiàn)[126]提出一種開環(huán)控制的氮化鎵數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，其時(shí)間分辨率可達(dá)150ps，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所控器件的開關(guān)電壓幅值譜在高頻范圍明顯下降，但所控器件的驅(qū)動(dòng)電壓和同一橋臂另一器件的開關(guān)電壓的幅值譜有所上升。文獻(xiàn)[127]對(duì)現(xiàn)階段針對(duì)碳化硅器件開關(guān)速度控制的有源門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)做了總結(jié)，并對(duì)碳化硅器件引起的高頻電磁干擾問題做了簡(jiǎn)要分析。

當(dāng)前，有源門極驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括可靠性和穩(wěn)定性分析、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度提升、多控制功能集成、控制參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整、新型控制策略設(shè)計(jì)以及寬禁帶半導(dǎo)體器件控制等。

5.3 暫態(tài)軌跡控制

實(shí)際上開關(guān)波形并非理想的梯形波，其暫態(tài)軌跡是非規(guī)則上升或下降的，在暫態(tài)時(shí)間相同的情況下，開關(guān)波形以不同的軌跡上升或下降，也將引起不同的高頻電磁干擾。基于此，學(xué)者們開始研究暫態(tài)軌跡對(duì)電磁干擾特性的影響，從而設(shè)計(jì)出一些特殊的暫態(tài)軌跡，并分析具有這些暫態(tài)軌跡的開關(guān)波形在時(shí)域和頻域的對(duì)應(yīng)關(guān)系，此外還通過改進(jìn)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)直接控制和生成這些暫態(tài)軌跡[128]。

如圖7所示，梯形波的幅值譜在高頻范圍的下降速度為-40dB/dec。文獻(xiàn)[129]提出了二階可導(dǎo)的“S”形暫態(tài)軌跡開關(guān)波形，其幅值譜在高頻范圍也能實(shí)現(xiàn)-60dB/dec的下降速度。文獻(xiàn)[130]將開關(guān)波形表示為脈寬調(diào)制函數(shù)和門函數(shù)卷積的形式，其中脈寬調(diào)制函數(shù)決定開關(guān)波形的周期、脈寬和脈沖位置；門函數(shù)決定所提開關(guān)波形的暫態(tài)時(shí)間和可導(dǎo)階數(shù)，其目的是通過提高暫態(tài)軌跡的可導(dǎo)階數(shù)來提升開關(guān)波形的圓滑程度，進(jìn)而降低開關(guān)波形幅值譜。文獻(xiàn)[130]利用不確定性原理證明，當(dāng)且僅當(dāng)門函數(shù)為高斯函數(shù)時(shí)，暫態(tài)軌跡無窮階可導(dǎo)且開關(guān)波形幅值譜實(shí)現(xiàn)最大程度降低。圖8所示為理想脈寬調(diào)制波形（零階）、梯形波（一階）和高斯“S”形開關(guān)波形（無窮階）的幅值譜（開關(guān)頻率為10kHz，占空比為0.5，值域?yàn)閇0, 1]，一階和無窮階開關(guān)波形的r和f皆為400ns，高斯窗的標(biāo)準(zhǔn)差為窗口長(zhǎng)度的1/8）。實(shí)際工程應(yīng)用中，經(jīng)常只有部分頻段的信號(hào)不滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)[131]提出一種通過修改局部暫態(tài)軌跡斜率來抑制特定頻段傳導(dǎo)干擾的 方法。

圖8 零階、一階和無窮階開關(guān)波形的幅值譜及其包絡(luò)

為實(shí)現(xiàn)特定暫態(tài)軌跡，需要設(shè)計(jì)有源門極驅(qū)動(dòng)控制策略。文獻(xiàn)[132]提出一種閉環(huán)控制策略，使實(shí)際開關(guān)電壓跟隨參考開關(guān)電壓，參考開關(guān)電壓中增加了通態(tài)電阻補(bǔ)償項(xiàng)，于是功率開關(guān)器件可以工作在不同的負(fù)載電流條件下。文獻(xiàn)[133]設(shè)計(jì)一種特殊的參考波形，通過比較實(shí)際開關(guān)電壓和該參考波形來輸出控制信號(hào)，該控制策略具有抑制電壓過沖和減小開關(guān)延遲的作用，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明它能夠有效抑制高頻電磁干擾。文獻(xiàn)[134]提出基于迭代學(xué)習(xí)算法的數(shù)字閉環(huán)控制，用檢測(cè)的開關(guān)電壓生成驅(qū)動(dòng)電流，有效抑制了電磁干擾噪聲，但也增加了控制復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)難度，且無法應(yīng)對(duì)突發(fā)電路故障。

暫態(tài)軌跡控制為實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻電磁干擾特性的精細(xì)化控制提供了額外選擇。當(dāng)前，暫態(tài)軌跡控制技術(shù)仍有較大的發(fā)展空間，暫態(tài)軌跡和門極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)仍是其研究重點(diǎn)。

6 問題探討和技術(shù)展望

電力電子技術(shù)仍在快速發(fā)展，開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾問題日趨復(fù)雜，其抑制技術(shù)在很多方面仍有待研究和發(fā)展。下面就主要問題進(jìn)行探討并給出相關(guān)技術(shù)展望。

（1）綜合考慮開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾問題。開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾問題的解決是個(gè)系統(tǒng)性工程，即其抑制技術(shù)不是孤立的，測(cè)量、建模、仿真和分析方法都是深入理解、研究和應(yīng)用其抑制技術(shù)的重要 基礎(chǔ)。

（2）自動(dòng)化設(shè)計(jì)電磁干擾濾波器。開關(guān)變換器傳導(dǎo)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(shè)計(jì)和優(yōu)化仍是研究重點(diǎn)。由于開關(guān)變換器的開關(guān)器件、電路拓?fù)洹⒐ぷ髫?fù)載、電路板設(shè)計(jì)等存在差異，傳統(tǒng)電磁干擾濾波器設(shè)計(jì)的通用性較差，而借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)及先進(jìn)算法進(jìn)行自動(dòng)設(shè)計(jì)，則能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)成本，因而應(yīng)成為重要研究方向[41]。

（3）結(jié)合濾波和削減干擾源傳導(dǎo)發(fā)射的策略。在干擾源處抑制傳導(dǎo)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(jié)合，能減小電磁干擾濾波器的體積或質(zhì)量，并提高開關(guān)變換器的功率密度[135-137]。

（4）開關(guān)變換器其他性能的評(píng)估。很多策略以降低開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾為唯一目的，這很可能會(huì)損害功率變換系統(tǒng)的其他性能，如功率密度、開關(guān)損耗、電流紋波、電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等，包含電磁干擾抑制能力的特定目標(biāo)優(yōu)化控制策略應(yīng)成為重要研究方向[79-81]。

（5）應(yīng)用場(chǎng)景和工作條件的要求。開關(guān)變換器用途日益廣泛，如并網(wǎng)變換器、軌道交通牽引變流器、電動(dòng)汽車牽引逆變器、航空航天開關(guān)電源等，由于它們所在電力電子系統(tǒng)的物理和電磁環(huán)境不同，除電磁兼容性外，其物理結(jié)構(gòu)、可靠性、電壓/電流等級(jí)、電能質(zhì)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[3-5]。

（6）大功率、模塊化開關(guān)變換器的電磁干擾。隨著智能電網(wǎng)/電能路由器的發(fā)展，大功率、模塊化的并網(wǎng)變換器成為研究熱點(diǎn)，該類變換器開關(guān)器件眾多、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁干擾問題也更加嚴(yán)重，當(dāng)前針對(duì)該問題的研究尚處于初級(jí)階段[32]。

（7）寬禁帶基開關(guān)變換器的電磁干擾。隨著寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用，開關(guān)變換器的開關(guān)頻率明顯提高、開關(guān)波形振蕩問題明顯加重，這導(dǎo)致開關(guān)變換器的傳導(dǎo)和輻射干擾問題更加嚴(yán)重，對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體器件特性、封裝設(shè)計(jì)的研究應(yīng)成為重 點(diǎn)[16, 31, 87, 99-101]。

（8）開關(guān)變換器內(nèi)部弱電電路的電磁干擾。傳統(tǒng)的抑制策略主要作用于開關(guān)變換器對(duì)外部電路的傳導(dǎo)干擾，而非對(duì)內(nèi)部控制、驅(qū)動(dòng)、采樣電路的傳導(dǎo)干擾[138-139]，后者應(yīng)成為重要研究方向。

7 結(jié)論

開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾抑制策略主要包括濾波、電橋平衡、反相補(bǔ)償、改進(jìn)脈寬調(diào)制、改進(jìn)功率器件/模塊封裝、優(yōu)化電路板設(shè)計(jì)、改善開關(guān)過程等。這些策略分為兩大類：一類用于傳導(dǎo)干擾耦合路徑；一類用于傳導(dǎo)干擾源。前者更加有效，但明顯增加了系統(tǒng)的體積或質(zhì)量；后者更加靈活，但控制和設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。隨著開關(guān)變換器的應(yīng)用，其傳導(dǎo)干擾抑制技術(shù)在很多方面仍有待研究和發(fā)展。

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Review of Conducted Electromagnetic Interference Suppression Strategies for Switching Converters

1121

（1. School of Automation Science and Electrical Engineering Beihang University Beijing 100083 China 2. State Key Lab of Power Systems Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China）

Switching converters are widely applied in economy fields, where the electromagnetic interference (EMI) is becoming increasingly prominent, hence the suppression of EMI in switching converters becomes more essential. A state-of-the-art review of the conducted EMI suppression strategies for switching converters is presented, focusing on their basic principles, research statuses and effectiveness. The reviewed strategies include filtering, balance, compensation, improving pulse width modulation, power device/module packaging, printed circuit board design, improving switching process, etc. These strategies can be classified into two broad categories: blocking the coupling path and reducing the electromagnetic emission from the interference source. Finally, crucial questions and development prospects of conducted EMI suppression technologies for switching converters are discussed.

Switching converters, conducted electromagnetic interference (EMI), EMI suppression, electromagnetic compatibility

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210094

TM46

何 杰 男，1995年生，碩士研究生，研究方向?yàn)镾iC器件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和功率變換器控制。E-mail: hejie_love@buaa.edu.cn

李 曉 男，1990年生，博士，研究方向?yàn)槟Ｐ皖A(yù)測(cè)控制、寬禁帶器件的應(yīng)用、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。E-mail: li_xiao@buaa.edu.cn（通信作者）

2021-01-19

2021-09-25

國(guó)家自然科學(xué)基金（52107175）、北京市科技新星計(jì)劃（Z211100002121080）和清華大學(xué)電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真實(shí)驗(yàn)室開放課題（SKLD20M05）資助項(xiàng)目。

（編輯 陳 誠(chéng)）