摘 要:電力電子裝置的高頻化和大容量化不僅導致器件所承受的電應 力的增加和開關(guān)損耗的增加，而且產(chǎn)生難以抑制的寬帶電磁干擾［1-3］，對電網(wǎng) 和環(huán)境造成嚴重的電磁污染，甚至威脅到其本身乃至與其相關(guān)的其他電子設(shè)備的正常工作。 本文從電力電子裝置的電磁干擾源產(chǎn)生的機理入手，概括了近年來國外的最新研究成果，并 著重分析對比了硬開關(guān)與軟開關(guān)的電磁干擾特性。 關(guān)鍵詞：開關(guān)變換器　電磁兼容性　硬開關(guān)　軟開關(guān) 1　引言 　　電力電子裝置以其高效率進行電能轉(zhuǎn)換著稱，正日益廣泛應用于工業(yè)與民用的電力變換與傳 動控制。據(jù)估計，工業(yè)生產(chǎn)中70％的電能都通過電力電子裝置變換后才為人類所利用。8 0年代后期，功率場控器件的實用化和大容量化，使電力電子裝置跨入高頻化、大容量時代 。由于電力電子換流過程中產(chǎn)生前后沿很陡的（di/dt可達1A/ns，dv/dt 可達3V/ns）脈沖，從而引發(fā)了嚴重的電磁干擾。這些干擾經(jīng)近場和遠場耦合形成傳導和輻 射干擾，嚴重污染周圍電磁環(huán)境和電源系統(tǒng)，這不僅會使變換電路自身的可靠性降低，而且 使電網(wǎng)及鄰近設(shè)備運行質(zhì)量受到嚴重影響。 　　隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以開關(guān)變換器為核心的電力電子裝置正廣泛應用于以電子計算機 為主導的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備。在美國佛吉尼亞電力電子研究中 心（Virginia Power Electronic Center——VPEC）1997年的年度報告上這樣寫到： 如 果說是微處理器技術(shù)的進步促使計算機主頻從1985年的16MHz發(fā)展到今天的200MHz ，那么，下一步向GHz的飛躍主要取決于電力電子技術(shù)的發(fā)展［4］。當芯片以GHz工 作時，電源必須以足夠高的匹配速度給邏輯門供電（以Pentiumpro為例，要求負載電流供 應速率為30A/μs），這也是Intel不得不放慢Pentium微處理器的時鐘速度的一個重要原 因［4］。所以說，電力電子裝置的電磁兼容性問題急待解決。 　　近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率開關(guān)器件的容量也越來越大（如光控SCR（Silicon Controllable Rectifier）已有4000A/8000V的產(chǎn)品，IGBT（Insulated GateBip olar Transistor）已有3500V/2400A的模塊出售），開關(guān)頻率越來越高，最高可達 幾MHz，而裝置的尺寸越來越小。以DC-DC電源為例，當前國內(nèi)的水平為30W/in3 ，而國際水平則為120W/in3，預計2000年可達240W/in3。這些因素都要求 更進一步地加強電力電子裝置電磁干擾特性及其防范的研究。特別是在設(shè)計階段，對新裝置 的干擾特性進行預估，縮短其開發(fā)周期，提高電力電子裝置的電磁兼容性就成為至關(guān)重要的 問題。 2　電力電子裝置電磁干擾源的探索性研究 　　在探尋電力電子裝置電磁干擾源的過程中，人們通過大量的實驗，不斷總結(jié)新的經(jīng)驗。早在 1983年，Schneider開發(fā)了用于測試運行中的開關(guān)電源的源阻抗特性的技術(shù)，這是一種 用標量法測量噪聲頻譜以確定源阻抗的實部和虛部的技術(shù)。該技術(shù)選擇電抗性負載與噪聲源 的 虛部振蕩，通過振蕩頻率可確定噪聲源的電抗部分。源阻抗的實部則由振蕩噪聲電流的峰值 確定。阻抗測試主要是在10kHz～1MHz頻段內(nèi)進行的，基于測試結(jié)果，Schneider提出描 述開關(guān)電源交流側(cè)噪聲源特性的共模和差模噪聲的等效電路［5］。 　　由于共模電流的輻射作用通常比差模電流的輻射作用要大得多［6］，區(qū)分系統(tǒng)中的 共模干擾與差模干擾是十分必要的，VPEC研究中心提出了功率合成器［7］，對 系統(tǒng)中的共模和差模傳導干擾進行定量測量。 　　在電力電子裝置中，共模噪聲與差模噪聲產(chǎn)生的內(nèi)部機制也有所不同。差模噪聲主要由開關(guān) 變換器的脈動電流引起；共模噪聲則主要由較高的dv／dt與雜散參數(shù)間相互作用而 產(chǎn)生的高頻振蕩引起。如圖1所示，共模電流iCM包含連線到接地面的位移電流 ，同 時，由于開關(guān)器件端子上的dv／dt是最大的，所以開關(guān)器件與散熱片間的雜散電容 Ck也將產(chǎn)生共模電流。針對不同系統(tǒng)，共模和差模干擾產(chǎn)生的具體原因也不盡相同。 根據(jù)傳播途徑的不同，以下將電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾，分別進行討論，并闡述開 關(guān)變換器的近場特性的研究。 2.1　傳導干擾源的研究 　　傳導是電力電子裝置中干擾傳播的重要途徑，不同的電力電子裝置，傳導干擾產(chǎn)生的具體原 因也不盡相同。 　　例如，在SCR整流系統(tǒng)中，差模傳導干擾的產(chǎn)生主要基于兩個因素［8］：一是由 電源線路電感所引起的換流重疊現(xiàn)象；二是半導體開關(guān)特性及決定其電流特征的物理特性。 同時，SCR整流系統(tǒng)中晶閘管的恢復現(xiàn)象可能產(chǎn)生兩個結(jié)果：一是延長了換向重疊時間； 二是在晶閘管上附加了指數(shù)衰減的電流。實測出晶閘管恢復現(xiàn)象可使總干擾增加4～5dB。 又如，西門子公司的Klotz等人［9］研究了5～10kVA的IGBT變換器在不同工 作電壓、工作電流、開關(guān)頻率、模塊封裝、門電路、溫度、接地狀況以及附加元件情況下 的共模與差模傳導干擾源，得出主要的差模干擾源是續(xù)流二極管的反向恢復電流。同時指出 ，負載的雜散參數(shù)會對干擾的頻譜有一定影響。 　　法國Grenoble電技術(shù)實驗室（以下簡稱LEG）的Teuling、Schnaen和Roudet［10］ 基于由MOSFET構(gòu)成的400W、開關(guān)頻率為100kHz的斬波電路實驗模型的研究 表明，共模噪聲與電壓切換相關(guān)，差模噪聲與電流切換相關(guān)，二者可能同時產(chǎn)生。如在該模 型中MOSFET關(guān)斷時，電流被關(guān)斷的同時，電壓呈現(xiàn)衰減振蕩，因而，此時共模噪聲和 差模噪聲共存。通常低頻時差模干擾占主導地位，高頻時共模干擾處于主導地位。 　　SHARIF工業(yè)大學的Mahdavi與LEG的Roudet和Scheich等人［11］建立了5 00W功率因數(shù)調(diào)節(jié)（Power Factor Preregulator——PFP）單相AC/DC變換器模型， 他們把重點放在射頻傳導干擾產(chǎn)生與發(fā)射機理的研究上，并利用仿真軟件MC2計算了注入 到電源中的電流諧波。該模型在開關(guān)頻率的10倍的頻率范圍內(nèi)與測試結(jié)果有較好的吻合。 在針對PFP的差模傳導EMI的研究中，Reis預測出，變換器工作于不同模式時，EMI 特性也有差異［13］。 　　美國Wisconsin-Madison大學的ErkuanZhong和Lip等人［12］以驅(qū)動7.46kW （10hp）感應電機的8kVAPWM逆變器系統(tǒng)為實驗模型，研究發(fā)現(xiàn)，大功率高速電機驅(qū)動 的PWM逆變器系統(tǒng)向電源饋入高達幾A的脈動電流，導致嚴重的傳導EMI（在該實驗模 型中，最高可達120dBμV）和電源電壓波形畸變（缺口電壓達50V，超過額定電壓20 ％ ），干擾信號的頻帶相當寬，不僅包括開關(guān)頻率的干擾成分及其諧波，而且延伸到射頻范圍 。功率器件在開關(guān)過程中所產(chǎn)生的dv/dt（達3kV/μs，持續(xù)幾ns）與開關(guān)器件與 地間的雜散電容作用，在電源端產(chǎn)生充放電電流，引起電磁干擾。同時，開關(guān)器件的非線性 開關(guān)特性更產(chǎn)生大量諧波。他們同時指出，二極管反向恢復電流是該系統(tǒng)主要的差模干擾源 。 　　電力電子裝置的傳導干擾的研究，尤其是共模與差模傳導干擾的研究，為EMI濾波器的設(shè) 計提供了依據(jù)。 2.2　輻射干擾源的研究 　　與傳導干擾相比，電力電子裝置的輻射干擾則更為復雜。這是因為，作為能量變換裝置， 變換容量從毫瓦級到兆瓦級，而且主回路與控制回路常常是由不同部件構(gòu)成的，與集中在印 制電路板上的電子裝置相比，空間結(jié)構(gòu)更為復雜，因此，相應的雜散參數(shù)與輻射干擾的分析 計算就更為復雜［2］，目前相關(guān)的研究還不多見。 　　其中，較具有代表性的是Orlandi和Scheich［14］對SCR整流電路的輻射干擾源 進行研究。他們重點分析了共模電流（時域與頻域）與輻射場間的聯(lián)系，認為共模電流與來 自控制部分的驅(qū)動脈沖及雜散參數(shù)相關(guān)，雜散電容間的電壓梯度促使共模電流的傳播，脈沖 上升沿的電壓梯度在雜散電容中產(chǎn)生共模電流。而且，快速電流脈沖在SCR的金屬部分（ 外殼和散熱器）上感應出無用電壓，成為輻射源。 　　為了確定開關(guān)變換器的輻射模型，羅馬大學的Antonini和Cristina教授與Orlandi教授對開 關(guān)頻率分別為75kHz，150kHz的開關(guān)電源中變換器部分建立偶極子輻射模型［15 ］。但由于在確定線路電流分布時，采用了等效均勻介質(zhì)的傳輸線模型。結(jié)果模型在低于 10MHz的頻率范圍內(nèi)與實驗結(jié)論有較好的吻合，但在高于10MHz的頻段，受各種雜散參數(shù) 的影響，共模輻射占主導地位。在確定共模電流分布時，傳輸線模型不再有效。 　　事實上，決定電力電子裝置電磁輻射特性的還不止于此，如廣泛用于電力電子裝置的散熱器 常常表現(xiàn)出電磁振蕩特性，加強了電力電子裝置的RF電磁輻射。散熱片通常具有復雜的幾 何形狀，具有多頻帶的RF輻射特性，并安裝在裝置外部，因而，散熱片很可能在一個或多 個開關(guān)頻率的諧波上起有效的輻射天線的作用。關(guān)于這方面的研究工作也正在展開，如Ryan 、Stone和Chambers［16］用FDTD法對來自鰭形散熱器的RF電磁輻射模式進 行初步預測。 2.3　近場特性的研究 　　根據(jù)IEC22G-WG4-11，電力電子裝置通常由兩部分構(gòu)成，即功率變換單元和 控制單元。開關(guān)變換電路的開關(guān)頻率一般為幾十kHz至上百kHz，在開關(guān)過程中產(chǎn)生的電壓和 電流瞬變是產(chǎn)生傳導干優(yōu)和輻射干擾的干擾源。功率變換單元所產(chǎn)生的電磁輻射的能量足以 危及到其附近控制單元的正常工作［15］。因而預測功率變換單元的近場特性，保 證控制電路的正常工作，對于電力電子變換裝置的EMC設(shè)計具有重要意義。 　　為了探尋開關(guān)電源（SMPS）的近場特性，Atonini等人［15］建立了基于印制 電路板的簡單SMPS實驗模型。在進行近場計算時，他們將實驗電路的每段導線劃分為多 個Hertzian偶極子串聯(lián)組成。由于在近場區(qū)靜電項起主導作用，代表著聚集于單個偶極子上 靜電電荷所產(chǎn)生的場；當多個偶極子串連時，由于距離r是偶極子中心與測試點間的距 離， 所以各靜電項無法抵消，從而產(chǎn)生大的靜電場，造成預測值比實際值高。因而，在對沿電路 輻射方程積分時，通過特殊處理，消除了由偶極子方程積分所引起的虛假靜電荷效應，建立 了較為精確的近場（電場和磁場）模型。計算表明，在距實驗模型3m處，較正后的模型與 較正前模型相比，低頻段電場相差40dB，高頻段二者趨于重合。測試結(jié)果表明，在低于1 0MHz的頻段內(nèi)，計算值與測量值十分吻合。高于10MHz的頻段內(nèi)，共模電流影響占主導地 位，上述計算模型不再有效。 　　影響電力電子裝置近場特的主要是功率變換部分的主回路。Cristina等人［17］就 變換器部分工作在不同負載情況下的輻射模式變化、近場空間分布和輻射特性進行了研究， 并得出在不同負載條件下，開關(guān)電源可能表現(xiàn)出電偶極子或磁偶極子的特性。這對于選擇和 設(shè)計適合的屏蔽方案是十分重要的。 　　LEG的Youssef和Roudet等人［18］利用MOSFET作為開關(guān)元件建立了簡單 的降壓變換器模型。他們以電路近似為細線結(jié)構(gòu)為前提，并假定電路中各部分電流相同，基 于開關(guān)操作過程中的時域電流波形計算了近場分布。同時利用鏡像法研究了接地導電平面處 于干擾源電路下方時電磁輻射的變化，并得出在導電地平面的影響下，電磁輻射減少的結(jié)論 。 　　由此可見，電力電子裝置的近場特性的研究剛剛起步，尚沒有完整而準確的模型建立。尤其 是在高頻段受各種雜散參數(shù)的作用，共模電流的影響下的近場特性則更為復雜。 　　綜上所述，在對電力電子裝置電磁干擾源的探索中，多數(shù)研究采用實驗與分析相結(jié)合的方法 。并對一定工作條件下的電磁干擾特性建模。然而，目前對大功率及具有復雜結(jié)構(gòu)的電力電 子裝置的電磁干擾源特性的研究還很少［2］。對于一個實際的電力電子裝置來說， 常常是共模與差模干擾共存，傳導與輻射干擾并舉，對于不同的系統(tǒng)，處于主導地位的干擾 因素也各不相同，正確分析并預測系統(tǒng)中的主要干擾源是電力電子裝置電磁兼容性設(shè)計的關(guān)鍵。 3　高頻軟開關(guān)變換器的電磁兼容特性的研究 　　為適應高頻化要求，人們除改進器件本身的承受能力外，還多次從改進電路拓撲方面下功夫 ，以削弱器件受到的電應力，減小開關(guān)損耗，消除開關(guān)浪涌和尖峰電壓。 　　由于電力電子裝置產(chǎn)生干擾的主要原因是電力電子裝置換流過程中所產(chǎn)生的高di/dt 和dv/dt與電路中的雜散參數(shù)共同作用，從而引起高頻振蕩。如果通過選擇適當 的電路拓撲與和控制技術(shù)可以作到盡可能減少高di/dt和dv/dt的變換過程 ，那么就可能提高電力電子裝置的電磁兼容特性。于是有人推測，就傳導EMI而言，采用 零電壓轉(zhuǎn)換（Zero Voltage Transition——ZVT）的軟開關(guān)變換器應當比硬開關(guān)變換器性能 好［9，19］。其主要依據(jù)是在ZVT電路中主開關(guān)工作于零電壓開關(guān)狀態(tài)，二極 管工作于軟開關(guān)狀態(tài)，這樣，主開關(guān)中無快速的電壓切換，二極管中無快速的電流切換，從 而減少了電路中的高頻諧波。事實是否果真如此呢？ 　　從EMI的產(chǎn)生來看，諧振變換器（包括軟開關(guān)變換器）的確具有PWM硬開關(guān)變換器無法 比擬的優(yōu)勢，具體可從如下幾個方面考慮： 　?。?）PWM技術(shù)是以中斷功率通量和控制占空比的方法來變換功率，結(jié)果形成脈沖電流和 脈沖電壓；而諧振技術(shù)是以正弦波形式變換功率，它的頻譜通常比PWM變換器頻譜窄。因 而，對比PWM變換器，在輸入端應當具有較小的諧波干擾和較大振幅的基分量。 　　（2）諧振開關(guān)變換器的工作波形為準正弦波，具有較低的di/dt和dv/dt 。 　?。?）諧振開關(guān)變換器利用器件結(jié)電容和變壓器漏感作諧振LC電路的一部分，對有害 雜散參數(shù)不敏感。 　?。?）諧振開關(guān)變換器工作于較高頻率，便于集成化和最小化，因而通常具有較高的功率密 度，對于減小電路回路，縮短連線長度十分有利。 　?。?）PWM變換器常采用耗能緩沖電路限制器件所受的應力，同時，對抑制電磁干擾也起 到有利作用。諧振軟開關(guān)變換器可減少或去掉耗能緩沖器，從而提高開發(fā)效率。 　　基于上述分析，是否可以輕松地得出結(jié)論呢？1996年，VPEC研究中心的研究人員對 分別采用零電壓變換（即ZVT）電路與硬開關(guān)電路的兩個單相400WPFC升壓變換 器實驗模型的傳導干擾進行對比實驗［21］。測試結(jié)果是出人意料的，采用ZVT 技術(shù)的軟開關(guān)變換器與硬開關(guān)變換器間的EMI差異很小，甚至于如果前者的附加電路布線 不當，會使性能更差。 　　與文獻［20］不同的是他們將兩實驗模型的共模與差模干擾分別進行對比，結(jié)果是：就共 模噪聲而言，低頻段二者特性相似，當頻率超過幾MHz時，硬開關(guān)的噪聲高于ZVT模型幾 個dB；在高頻段，ZVT模型的共模噪聲較低，但某些情形下，ZVT模型在個別頻率點的 噪聲峰值超過硬開關(guān)模型；就差模噪聲而言，硬開關(guān)的噪聲比ZVT模型強。 　　上述實驗結(jié)果可以理解為：共模噪聲主要通過器件外殼的雜散電容耦合，而ZVT變換器中 的主開關(guān)管為軟開關(guān)，開關(guān)過程中所產(chǎn)生的dv/dt小，所以，ZVT變換器的高頻 共 模干擾小于硬開關(guān)變換器；而ZVT變換器在某些頻點上的噪聲峰值是由于ZVT變換器中 的輔助元件的不正確的布線導致的。另外，由于硬開關(guān)變換器中二極管反向恢復電流引起較 高的di/dt，在高頻段，硬開關(guān)變換器的差模噪聲比ZVT變換器高，但di/d t高通常不影響低頻成分，所以在開關(guān)頻率及其低次諧波上，二者干擾特性相似。 　　由此可見，盡管ZVT變換器高頻干擾特性優(yōu)于硬開關(guān)幾個dB，但總體上二者的EMI特性 類似。就差模噪聲而言，ZVT變換優(yōu)于硬開關(guān)變換器，這正是軟開關(guān)優(yōu)于硬開關(guān)的一面。 就共模噪聲而言，問題較為復雜，ZVT變換器與硬開關(guān)變換器不同的是前者具有輔助軟開 關(guān)的元件，其中包括流過更大峰值電流的輔助開關(guān)元件，該開關(guān)元件可能承受與硬開關(guān)變 換器中主開關(guān)管相同的電壓。ZVT變換器中輔助開關(guān)元件是硬性開關(guān)的，這意味著硬開關(guān) 變換器中硬開關(guān)轉(zhuǎn)移到ZVT變換器的輔助開關(guān)。因而，在軟開關(guān)電路拓撲中，輔助開關(guān)元 件是重要的干擾源，它們的位置及布線尤其重要［21］。 　　實質(zhì)上，帶有緩沖器電路的PWM變換器不一定比軟開關(guān)變換器具有更壞有噪聲特性。但究 竟軟開關(guān)好還是硬開關(guān)好，還取決于電路設(shè)計初期，根據(jù)應用適當選用電路拓撲和控制技術(shù) ，建立傳導和輻射干擾預測模型，指導正確的電路布局。 4　結(jié)論 　　綜上所述，電力電子裝置的電磁兼容問題正越來越引起國內(nèi)外學者的關(guān)注，國外從80年代 至今已完成了許多實驗性研究與分析建模工作；國內(nèi)在這方面開展的研究工作還不多，尚未 見到比較成熟的技術(shù)報告。特別是在電力電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，如何打破以往在進行電 磁兼容性設(shè)計時的經(jīng)驗法和試探法，使電力電子裝置電磁兼容性設(shè)計走上的系統(tǒng)化設(shè)計的軌 道，是國內(nèi)外學者面臨的主要問題，它必將成為電力電子裝置電磁兼容性研究的中心課題之 一。只有基于對各種電力電子裝置的電磁干擾源的深入剖析，確定各種參數(shù)的敏感度，研究 各種開關(guān)拓撲和控制方案的電磁兼容特性，建立預測模型，才能實現(xiàn)電力電子裝置電磁兼容 性的系統(tǒng)化設(shè)計，并與電力電子技術(shù)自身的高速發(fā)展相適應。 參考文獻 1，Redl RPower electronics and electromagnetic compatibilityPESC96 ,15～21 2，Garlick W GEMC Analysis for power electronic equipmentIEE Colloq uium on Predicting and Assessing EMC in the Power 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