開關(guān)電源類產(chǎn)品介紹

隨著開關(guān)電源類產(chǎn)品的日益增多，電磁兼容設(shè)計成為開關(guān)電源開發(fā)過程中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，相應(yīng)的電磁兼容標準也成為開關(guān)電源類產(chǎn)品必須滿足的性能指標。高頻開關(guān)電源是嚴重的電磁干擾源，很多情況下需對其安裝EMI電源濾波器。傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計方法計算繁瑣、設(shè)計過程復(fù)雜、研發(fā)時間長。為了提高濾波器性能和縮短開發(fā)時間，本文針對DC-DC開關(guān)電源介紹了一種簡單且效果良好的濾波器設(shè)計方法。本文在闡述開關(guān)電源電磁干擾基本特點的基礎(chǔ)上，提出了電源傳導(dǎo)加固技術(shù)。文中闡述了EMI電源濾波器的基本原理、拓撲結(jié)構(gòu)、設(shè)計原則和濾波器件的高頻特性，分析了網(wǎng)絡(luò)理論及其在EMI電源濾波器設(shè)計中的應(yīng)用。本文以某一航空產(chǎn)品中的DC-DC開關(guān)電源項目為依托，設(shè)計EMI電源濾波器。通過了解開關(guān)電源需要滿足的電磁兼容標準，測試分析其電磁干擾信號特點，提出濾波器性能指標。利用網(wǎng)絡(luò)理論設(shè)計分析濾波電路，通過編程實現(xiàn)對濾波電路參數(shù)的設(shè)計。建立濾波器插入損耗仿真模型，編寫仿真程序，對設(shè)計結(jié)果進行分析，最后通過實際測試，驗證設(shè)計方法的J下確性。同時，在EMI電源濾波器設(shè)計的基礎(chǔ)上，對濾波器進行了拓展功能的電路設(shè)計，主要針對開關(guān)動作所引起的浪涌電壓。通過討論應(yīng)用于EMI電源濾波器中的軟磁鐵氧體材料的特性，提出了鐵氧體磁芯的選擇原則和應(yīng)用方法，同時討論了主要濾波器件的選擇和設(shè)計。深入研究EMI電源濾波器在工程設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)及濾波器封裝技術(shù)，并提出封裝過程測試方法及工程應(yīng)用時安裝使用應(yīng)注意的主要問題。隨著開關(guān)電源的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,它們引起的電磁泄露和電磁輻射問題越來越嚴重。電源EMI濾波器作為開關(guān)電源的輔助器件,可以有效地抑制開關(guān)電源中的傳導(dǎo)干擾。無源元件的高頻非理想特性使無源EMI濾波器高頻特性變差,而無源元件同樣影響有源EMI濾波器的高頻特性。因此對EMI濾波器高頻特性的研究具有現(xiàn)實意義。對于無源EMI濾波器,本文研究了幾種改善自感寄生參數(shù)的方法的有效性,分析了元件間的互感耦合和電容的自感寄生參數(shù)分別對π型共模濾波器的影響。提出利用部分互感耦合改善電容的自感寄生參數(shù)的優(yōu)化措施。對于有源EMI濾波器,本文分析了一種有源EMI濾波器在分別連接純電阻、感性和容性負載時的插損,分析了反饋環(huán)路中各個模塊的作用和影響。最后,對有源EMI濾波器注入環(huán)節(jié)中的電容進行了改進,改善了它的高頻特性。本文首先介紹了利用傅立葉變換估算開關(guān)電源噪聲頻譜的方法,接著分別論述了開關(guān)電源中差模傳導(dǎo)EMI噪聲與共模傳導(dǎo)EMI噪聲的產(chǎn)生原因。在分析完EMI噪聲產(chǎn)生原因以后,分析了噪聲分離技術(shù)的現(xiàn)狀,并指出傳統(tǒng)噪聲分離方法的缺陷。為了提高噪聲分離網(wǎng)絡(luò)的分離效果,引入傳輸線變壓器來改善其性能。傳輸線變壓器是用傳輸線繞在磁環(huán)上構(gòu)成,工作時初次級之間的能量傳輸主要依靠線圈間分布電容的耦合作用,繞組間的分布電容與漏電感則成為傳輸線特性阻抗的組成部分,所以傳輸線變壓器克服了傳統(tǒng)變壓器中漏感和分布電容對工作性能的影響。在理論分析的基礎(chǔ)上,制作了特性阻抗為100Ω的傳輸線變壓器,并利用該傳輸線變壓器制作了噪聲分離器樣品。在分析EMI濾波器原理的基礎(chǔ)上,分析了噪聲源阻抗變化對濾波器性能的影響,從理論計算和仿真分析可以得出:對于共模EMI濾波器需要考慮噪聲源阻抗的最大可能值;對于差模EMI濾波器需要考慮噪聲源阻抗的最小可能值。在測量、分析共模與差模噪聲的基礎(chǔ)上,確定了EMI濾波器需要對噪聲產(chǎn)生的衰減量,并通過實驗的方法確定了噪聲源阻抗的最大可能值與最小可能值。根據(jù)需求衰減量與噪聲源阻抗可能值確定了EMI濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)...隨著開關(guān)電源的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,它們引起的電磁泄露和電磁輻射問題越來越嚴重。電源EMI濾波器作為開關(guān)電源的輔助器件,可以有效地抑制開關(guān)電源中的傳導(dǎo)干擾。無源元件的高頻非理想特性使無源EMI濾波器高頻特性變差,而無源元件同樣影響有源EMI濾波器的高頻特性。因此對EMI濾波器高頻特性的研究具有現(xiàn)實意義。對于無源EMI濾波器,本文研究了幾種改善自感寄生參數(shù)的方法的有效性,分析了元件間的互感耦合和電容的自感寄生參數(shù)分別對π型共模濾波器的影響。提出利用部分互感耦合改善電容的自感寄生參數(shù)的優(yōu)化措施。對于有源EMI濾波器,本文分析了一種有源EMI濾波器在分別連接純電阻、感性和容性負載時的插損,分析了反饋環(huán)路中各個模塊的作用和影響。最后,對有源EMI濾波器注入環(huán)節(jié)中的電容進行了改進,改善了它的高頻特性。近年來,隨著電子設(shè)備及電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展和普及,由于泄漏和輻射等引起的電磁干擾嚴重影響其他設(shè)備的正常工作。降低電子設(shè)備的電磁干擾,提高其抗擾度等問題已經(jīng)廣泛為電子行業(yè)所關(guān)注。在抑制電磁干擾信號的傳導(dǎo)干擾方面,采用EMI電源干擾濾波器是非常有效的手段。但是,鑒于各廠家生產(chǎn)的EMI電源濾波器的實際性能往往與其標稱值有較大差異,因此對EMI電源濾波器的主要性能即插入損耗的測試顯得尤為重要。本文即從工程應(yīng)用的角度出發(fā),設(shè)計研制了一套基于50Ω阻抗系統(tǒng)的EMI電源濾波器加載測試系統(tǒng),以客觀、合理地評價電源濾波器的性能,從而為電源濾波器的選用提供重要的依據(jù)。本文首先介紹了EMI電源濾波器的一些基本知識,這是設(shè)計濾波器插入損耗測試系統(tǒng)必須考慮的問題。在此基礎(chǔ)上,詳細討論了電源濾波器插入損耗加載測試裝置的具體設(shè)計過程,包括確定總體測試電路,重要零部件如加載緩沖網(wǎng)絡(luò)、屏蔽測試箱體、屏蔽電纜引線等的設(shè)計和制造,并借助基于有限元方法的電磁場計算軟件ANSYS來進行關(guān)鍵部分的阻抗特性分析,通過各設(shè)計參數(shù)的不斷調(diào)整、改進,結(jié)合測試手段,研制出一套完備的滿足實驗要求的測試系統(tǒng)。最后,討論了電源濾波器插入損耗測試的相關(guān)問題,并借助本文研制的測試系統(tǒng)對電源濾波器進行了一系列的測試。源濾波器[瀏覽次數(shù)：532次]有源濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，它可以克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點，獲得比無源濾波器更好的補償特性，控制精度高、治理效果好，已逐漸成為諧波治理的重要技術(shù)手段和今后諧波治理領(lǐng)域的發(fā)展方向。目錄有源濾波器性能及參數(shù)有源濾波器優(yōu)點有源濾波器的設(shè)計步驟有源濾波器控制器的設(shè)計有源濾波器性能及參數(shù)取樣電流A：0～5A（CT二次電流）；單次電流諧波限值：≤2[%]；溫升：電感≤40K；模塊≤20K；高頻濾波器≤5K；總電流諧波畸變率限值：≤4[%]THD；單模塊電流峰值限制：≥84A；動態(tài)響應(yīng)：≤20ms；防護等級：IP20；噪音：≤30dB；自動限流，不發(fā)生過載；保證不與系統(tǒng)發(fā)生諧振；可根據(jù)需要設(shè)置為：只補償諧波、只補償無功、同時補償諧波和無功；采用智能型模塊，內(nèi)置保護有：短路、過流、過熱、驅(qū)動欠壓、直流母線過壓，可靠性極高；執(zhí)行IEEE-519標準（國際標準）、GB/T1459-93和GB/Z17625.6-2003有源濾波器優(yōu)點模塊化結(jié)構(gòu),集成度高；無需現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，即裝即用；容量擴展容易，只需直接并聯(lián)即可；采用電力級接插件，支持熱拔插，安裝和售后服務(wù)方便，只需直接更換損壞的模塊即可；多模塊并聯(lián)時不存在主從關(guān)系，不會因主模塊故障而陷入癱瘓；適合快速變動的負載情況，以及其他無源濾波無法治理的場合；在特殊情況下還可作為性能優(yōu)異的動態(tài)無功補償裝置；有源濾波器的設(shè)計步驟在設(shè)計有源濾波器時，一般遵從以下設(shè)計步驟。1.傳遞函數(shù)的設(shè)計根據(jù)對濾波器特性的要求，設(shè)計某種類型的屁階傳遞函數(shù)，再將n階傳遞函數(shù)分解為幾個低階（如一階、二階或三階）傳遞函數(shù)乘積的形式。在設(shè)計低通、高通、帶通、帶阻濾波器時，通常采用頻率歸一化的方法，先設(shè)計低通原形傳遞函數(shù)。若要求設(shè)計低通濾波器時，再將低通原形傳遞函數(shù)變換為低通目標傳遞函數(shù)；若要求設(shè)計高通濾波器時，再將低通原型傳遞函數(shù)變換為高通目標傳遞函數(shù)；若要求設(shè)計帶通濾波器時，再將低通原型傳遞函數(shù)變換為帶通目標傳遞函數(shù)；若要求設(shè)計帶阻濾波器時，再將低通原型傳遞函數(shù)變換為帶阻目標傳遞函數(shù)。2．電路設(shè)計按各個低階傳遞函數(shù)的設(shè)計要求，設(shè)計和計算有源濾波器電路的基本節(jié)。先選擇好電路形式，再根據(jù)所設(shè)計的傳遞函數(shù)，設(shè)計和計算相應(yīng)的元件參數(shù)值。根據(jù)設(shè)計要求，對各電路元件提出具體的要求。3．電路裝配和調(diào)試先設(shè)計和裝配好各個低階濾波器電路，再將各個低階電路級聯(lián)起來，組成整個濾波器電路。對整個濾波器電路進行相應(yīng)的調(diào)整和性能測試，并檢驗設(shè)計結(jié)果。有源濾波器控制器的設(shè)計飛速發(fā)展的電力電子技術(shù)使各種電力電子裝置在工業(yè)、交通運輸及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，而這些非線性負荷帶來的諧波危害也日益嚴重。諧波使電網(wǎng)中元件產(chǎn)生諧波損耗、設(shè)備效率和功率因數(shù)降低，甚至損害電力設(shè)備如電容器等；諧波影響精密儀器和臨近的通信系統(tǒng)，使其無法正常工作。電力系統(tǒng)中諧波次數(shù)和大小隨系統(tǒng)負荷狀況而變化，采用傳統(tǒng)的LC靜態(tài)濾波器無法滿足要求，而采用電力有源濾波器可以對大小和頻率都變化的諧波及變化的無功進行動態(tài)補償，因此有源濾波器的研究和應(yīng)用越來越受到人們的重視。有源濾波器的基本原理是：先從補償對象中檢測出諧波電流，再由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而相位相反的補償電流，兩者相互抵消而使電網(wǎng)電流中只含有基波分量?？刂破魇怯性礊V波器的核心部件，它通過產(chǎn)生并控制驅(qū)動開關(guān)器件的脈沖來控制有源濾波器的行為，完成動態(tài)補償諧波和無功的功能。2控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與基本功能有源濾波器的主電路采用三單相橋式電壓型變流器，通過變壓器與系統(tǒng)耦合，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用三單相橋結(jié)構(gòu)是因為三單相橋的控制可以相互解耦，同時還可用于消除零序分量及其諧波電流，實現(xiàn)不對稱控制。該有源濾波器的控制系統(tǒng)采用雙DSP結(jié)構(gòu)，其中一個DSP處理器用來完成數(shù)據(jù)處理、控制與高層保護功能；另一個DSP處理器用來產(chǎn)生高精度PWM脈沖?？刂破髦饕幸韵鹿δ埽?1)控制有源濾波器的行為根據(jù)檢測出的負荷電流的諧波和無功電流分量控制逆變器的輸出電壓，使有源濾波器輸出的補償電流與負荷諧波電流和無功電流之和相互抵消，從而使系統(tǒng)電流為基波正序有功電流。(2)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖經(jīng)驅(qū)動電路控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖，使有源濾波器能輸出正確的諧波補償電流。(3)脈沖同步根據(jù)從電網(wǎng)取回的同步脈沖，產(chǎn)生出與電網(wǎng)電壓同步的脈沖信號，使有源濾波器輸出的電壓與電網(wǎng)電壓保持同步。(4)自我容錯功能一旦控制器自身有些元件出現(xiàn)錯誤（如電壓互感器（PT）斷線等），控制器能立即發(fā)現(xiàn)錯誤并報警，同時不使裝置退出運行，故障修復(fù)后可以容易地恢復(fù)。（5）保護功能當(dāng)有源濾波器運行在過載或其他不正常狀態(tài)下，而電流又沒有超過保護動作的整定值時，控制器能通過保護功能使有源濾波器回到正常工作狀態(tài)，避免其底層保護動作，從而保證了有源濾波器能夠連續(xù)正常工作。3有源濾波器控制器的實現(xiàn)有源濾波器控制器的原理框圖如圖2所示?？刂破饕?0×50Hz（或更高）的采樣頻率對負荷電流、裝置輸出的補償電流及系統(tǒng)電壓進行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。利用諧波分離算法如dq分解法或ab分解法及其它方法對采樣電流進行分解，濾除基波有功分量，保留用作補償所需的諧波電流。然后采用控制算法據(jù)電路參數(shù)計算出逆變器應(yīng)產(chǎn)生的諧波電壓。將諧波電壓瞬時值送至DSP脈沖發(fā)生器，讓脈沖發(fā)生器根據(jù)諧波電壓瞬時值采用SPWM算法決定逆變器開關(guān)元件的動作。脈沖發(fā)生器根據(jù)電壓瞬時值進行SPWM脈沖計算以產(chǎn)生驅(qū)動脈沖。下面分別介紹控制器的各項功能。3.1控制算法本系統(tǒng)的控制算法由諧波和無功電流的檢測及電流跟蹤控制兩部分組成。其中諧波和無功電流的計算是基于三相電路瞬時無功功率理論[3]，如圖3所示。由于本文的有源濾波器要對直流側(cè)的電壓進行控制，因此在指令電流中需要包含一定的基波有功分量，以便有源濾波器的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，調(diào)節(jié)電容電壓至給定值。圖4所示為電流跟蹤控制框圖。本系統(tǒng)的電流跟蹤控制采用PI控制，輸出控制量通過雙口RAM送至脈沖發(fā)生器，脈沖發(fā)生器根據(jù)得到的波形信息產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，脈沖經(jīng)隔離、整形后驅(qū)動主電路的IGBT使逆變器輸出相應(yīng)電壓。補償電流是由逆變器的輸出電壓與交流側(cè)電源電壓的差值作用于電感而產(chǎn)生的。圖5是用該有源濾波器對三相6脈沖整流負載產(chǎn)生的諧波進行補償?shù)腁相數(shù)字仿真結(jié)果圖，仿真軟件采用PSCAD。由圖可知補償后的系統(tǒng)電流與系統(tǒng)電壓同相位，電流波形得到大大改善，但比較負荷電流和系統(tǒng)電流可知，在負荷電流變化較快瞬間（對應(yīng)于整流橋的換相）補償效果差一些，這是因為要補償快速變化的電流要求APF產(chǎn)生很高的諧波電壓，這一方面要求有源濾波器有很快的響應(yīng)速度，另一方面要求直流側(cè)產(chǎn)生高壓，這在實際裝置中是較難實現(xiàn)的，因此在負載電流變化非常快時，APF的補償能力較差。有關(guān)系統(tǒng)不對稱對APF的影響及其對零序電流的補償?shù)葐栴}仍在進一步的研究中。圖6為A相系統(tǒng)電流的諧波分析，負載電流的諧波總畸變率THD為20.1[%]，補償后的系統(tǒng)電流總畸變率為9.4[%]，5、7、9、11次諧波電流的含有率均小于5[%]。3.2數(shù)據(jù)采樣與處理該DSP處理器對負荷側(cè)的三相電流、電壓信號以及有源濾波器輸出的電流信號進行同步采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)負荷側(cè)的電流與電壓值計算出瞬時有功、瞬時無功功率，再經(jīng)過諧波檢測與分離算法計算出補償電流的參考值，該值與有源濾波器實際補償電流的差值通過PI控制環(huán)節(jié)得到相應(yīng)的控制信號。3.3控制器的高層保護與復(fù)位功能一旦有源濾波器過流或者過壓，保護裝置動作將IGBT封鎖使有源濾波器處于封鎖狀態(tài)。此時控制器將根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和有源濾波器本身的狀態(tài)進行判斷，如果二者均恢復(fù)正常則控制器會選擇適當(dāng)?shù)臅r機對有源濾波器進行復(fù)位，使其恢復(fù)到正常運行狀態(tài)[2]。4高精度脈沖發(fā)生器過去基于單片機的脈寬調(diào)制的實現(xiàn)方案中，由于處理器的指令執(zhí)行時間較長，而難以保證脈沖精度，且受相位抖動的影響也較顯著[4]。數(shù)字信號處理器快速的運算能力使得我們有可能采用微處理器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高精度的脈沖發(fā)生器，該方法修改脈沖發(fā)生部分的程序即可產(chǎn)生各種類型的PWM脈沖，簡單靈活，有較好的通用性[5]。4.1變流器脈沖信號之間的關(guān)系圖7(a)、7(b)是基于IGBT的單相橋電壓型逆變器的結(jié)構(gòu)圖和工作原理示意圖。假定圖中半導(dǎo)體開關(guān)為理想開關(guān)，則同一橋臂的兩個開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷是互補的（因為同一橋臂的兩個開關(guān)不能同時導(dǎo)通，否則將會因橋臂直通而導(dǎo)致直流電源短路）。假定上部開關(guān)（圖(a)中的SL和SR）導(dǎo)通而下部開關(guān)（圖(a)中的SL′和SR′）關(guān)斷時開關(guān)狀態(tài)為1，反之為0。如果任一時刻都有兩只管子導(dǎo)通，則單相橋IGBT開關(guān)狀態(tài)的可能組合只有10和01兩種，輸出電壓分別對應(yīng)＋Ed和－Ed。這樣，利用一個6位的狀態(tài)字即可表征三單相全橋逆變器的輸出電壓，如100110B表示此時輸出電壓為A相＋Ed，B相－Ed，C相＋Ed。4.2脈沖發(fā)生器軟、硬件體系結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)本系統(tǒng)采用SPWM方式將載波與參考波的幅值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果確定輸出開關(guān)的狀態(tài)。本有源濾波器系統(tǒng)的設(shè)計目標是消除25次（1.25kHz）以下的諧波，即參考波的最高頻率為1.25kHz。由采樣定理可知采樣頻率必須大于或等于原信號頻率的2倍才能保持原信號的全部信息，因此本系統(tǒng)中載波（三角波）的最低頻率應(yīng)該是2.5kHz?？紤]到提高調(diào)制波的頻率使功率元件的開關(guān)頻率提高，損耗變大，因而本系統(tǒng)中三角波的頻率采用2.5kHz。由于采用數(shù)字離散化方式比較載波和參考波，因而兩個信號的抽樣頻率越高誤差就越小?？紤]數(shù)字信號處理器的實時處理能力，本系統(tǒng)采用每隔0.3°比較一次的方法，即抽樣頻率為60kHz。由于周期三角波頻率為2.5kHz，所以只需要24點幅值信息即可以滿足要求。在實際應(yīng)用時，程序中構(gòu)造兩張表，一張為24點的調(diào)制三角波幅值表，另一張為參考波幅值表，即0°～360°之間間隔0.3°共1200點的參考波幅值，參考波幅值由另外一個控制芯片提供，通過雙口RAM提供本系統(tǒng)數(shù)字接口。脈沖發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)如圖8。圖中的控制器由另外一個DSP芯片（TM