Високе фреквенције и велики капацитет енергетских електронских уређаја не само да доводе до повећања електричног напона и прекидачког губитка уређаја, већ производе и широкопојасне електромагнетне сметње које је тешко сузбити [1-3], узрокујући озбиљно електромагнетно загађење електричну мрежу и животну средину, па чак и угрожавају нормалан рад себе и друге електронске опреме повезане с њом. Овај чланак започиње механизмом извора електромагнетних сметњи електронских уређаја снаге, резимира најновије иностране резултате истраживања последњих година и фокусира се на анализу и упоређивање карактеристика електромагнетних сметњи тврдог пребацивања и меког пребацивања. Кључне речи: прекидачки претварач, електромагнетна компатибилност, чврсто пребацивање, меко пребацивање 1 Увод Електронски уређаји са снагом познати су по својој високој ефикасности за претварање снаге и све се више користе у индустријској и цивилној претворби електричне енергије и управљању погоном. Процењује се да се 70% електричне енергије у индустријској производњи претвара у електронске уређаје пре него што их људи употребе. Крајем 1980-их, практични уређаји за контролу поља снаге великог капацитета учинили су да електронски уређаји улазе у еру високофреквентних и великих капацитета. Због врло стрмих предњих и задњих ивица (ди / дт до 1А / нс, дв / дт до 3В / нс) импулса током процеса електронске комутације снаге, настају озбиљне електромагнетне сметње. Ове интерференције формирају проводљивост и интерференцију зрачења кроз спрегу блиског и далеког поља, што озбиљно загађује околно електромагнетно окружење и систем напајања. Ово не само да смањује поузданост самог претварачког кола, већ такође озбиљно утиче на квалитет рада електричне мреже и суседне опреме. Развојем електронске информационе индустрије, моћни електронски уређаји са комутационим претварачима као језгром се широко користе у готово свим електронским уређајима као што су различита терминална опрема и комуникациона опрема коју воде електронски рачунари. У годишњем извештају Виргиниа Повер Елецтрониц Центер (ВПЕЦ) из 1997. године писало је на следећи начин: Ако је напредак микропроцесорске технологије оно што промовише развој рачунарске фреквенције од 16 МХз у 1985. до данас 200 МХз, онда следећи скок на ГХз углавном је одређен развојем технологије енергетске електронике [4]. Када чип ради на ГХз, напајање мора напајати логичку капију довољно великом брзином подударања (у случају Пентиумпро, стопа напајања струјом оптерећења мора бити 30А / μс), због чега Интел има за успоравање такта Пентиум микропроцесора Важан разлог за ово [4]. Због тога треба хитно решити проблем електромагнетне компатибилности енергетских електронских уређаја. Последњих година, развојем технологије енергетске електронике, капацитет уређаја за пребацивање снаге постаје све већи и већи (на пример, СЦР (Силицон Цонтроллабле Рецтифиер) има производе од 4000А / 8000В, а ИГБТ (Исолатед Гате Бип олар Трансистор) има 3500В / 2400А модули се продају), фреквенција комутирања је све већа и већа, до неколико МХз, а величина уређаја је све мања и мања. Узимајући за пример ДЦ-ДЦ напајање, тренутни домаћи ниво је 30В / ин3, док је међународни ниво 120В / ин3, а очекује се да ће достићи 240В / ин3 у 2000. години. Ови фактори захтевају даље јачање истраживања на карактеристике електромагнетних сметњи и спречавање електронских уређаја снаге. Нарочито је у фази пројектовања постало кључно питање процене карактеристика сметњи нових уређаја, скраћивања њиховог развојног циклуса и побољшања електромагнетне компатибилности енергетских електронских уређаја. 2 Истраживачко истраживање извора електромагнетних сметњи енергетских електронских уређаја У процесу истраживања извора електромагнетних сметњи електронских уређаја снаге, људи су спровели велики број експеримената и непрестано сумирали нова искуства. Већ 1983. године, Сцхнеидер је развио технику за испитивање карактеристика импедансе извора преклопног напајања у раду. Ово је техника која користи скаларну методу за мерење спектра буке за одређивање стварних и замишљених делова импеданције извора. Ова технологија бира замишљени део осцилације између реактивног оптерећења и извора буке, а реактивни део извора буке може се одредити фреквенцијом осциловања. Стварни део импедансе извора одређен је вршном вредношћу струје осцилирајућег шума. Испитивање импеданце се углавном врши у фреквенцијском опсегу од 10кХз ～ 1МХз. На основу резултата испитивања, Сцхнеидер је предложио еквивалентно коло уобичајеног и диференцијалног режима шума описујући карактеристике бочног извора буке наизменичне струје преклопног напајања [5]. Будући да је ефекат зрачења струје уобичајеног модуса обично много већи од ефекта диференцијалне струје [6], неопходно је разликовати сметње уобичајеног начина рада и сметње диференцијалног режима у систему. Истраживачки центар ВПЕЦ предложио је комбинацију снаге [7], квантитативно мерење интерференције проводљивости заједничког и диференцијалног начина у систему. У енергетским електронским уређајима, унутрашњи механизми буке у уобичајеном моду и буке у диференцијалном режиму су такође различити. Шум диференцијалног режима углавном је узрокован пулсирајућом струјом прекидачког претварача; шум уобичајеног режима углавном је узрокован високофреквентним осцилацијама изазваним интеракцијом између већих дв / дт и лажних параметара. Као што је приказано на слици 1, струја заједничког начина рада иЦМ укључује струју померања повезану са равнином земље. Истовремено, с обзиром да је дв / дт на терминалу склопног уређаја највећи, залутали капацитет Цк између преклопног уређаја и хладњака такође ће се генерисати. Цоммон моде цуррент. За различите системе специфични узроци сметњи у уобичајеном режиму и диференцијалном режиму нису исти. Према различитим путањама ширења, електромагнетне сметње су подељене на спроведене сметње и зрачене сметње, о чему се расправља одвојено, а објашњено је проучавање карактеристика блиског поља претварача прекидача.
Слика 1 Путања струје уобичајеног начина рада ванмрежног претварача
Слика 1 Путања струје заједничког режима рада у офф-лине претварачу
2.1 Истраживање провођења проведених извора сметњи важан је начин ширења сметњи у електронским уређајима. Различити електронски уређаји са напајањем имају различите специфичне узроке спроведених сметњи. На пример, у СЦР исправљачком систему, стварање интерференције проводљивости диференцијалног режима углавном се заснива на два фактора [8]: један је феномен комутационог преклапања изазван индуктивитетом далековода; друга су полупроводничке преклопне карактеристике и физичке карактеристике које одређују његове тренутне карактеристике. . Истовремено, феномен опоравка тиристора у СЦР исправљачком систему може имати два резултата: један је продужење времена преклапања комутације; други је да се тиристору дода експоненцијално распаднута струја. Измерени феномен опоравка тиристора може повећати укупне сметње за 4 ~ 5дБ. Као други пример, Сиеменс 'Клотз ет ал. [9] проучавао је уобичајени начин рада ИГБТ претварача од 5-10кВА под различитим радним напонима, радним струјама, преклопним фреквенцијама, паковањем модула, мрежним круговима, температуром, условима уземљења и додатним компонентама. У поређењу са извором интерференције проводљивости диференцијалног режима, закључено је да је главни извор интерференције диференцијалног режима реверзна струја опоравка диоде слободног окретаја. Истовремено се истиче да ће лажни параметри оптерећења имати одређени утицај на интерференцијски спектар. Истраживање Теулинга, Сцхнаена и Роудета из француске Гренобле лабораторије за електротехнику (у даљем тексту ЛЕГ) [10] засновано на експерименталном моделу 400В круга хеликоптера састављеног од МОСФЕТ-ова и преклопне фреквенције од 100кХз показује да је шум уобичајеног начина рада везано за пребацивање напона. Шум у режиму повезан је са пребацивањем струје и оба се могу појавити истовремено. На пример, када је МОСФЕТ искључен у овом моделу, струја се искључује и напон показује ослабљено осциловање. Због тога у овом тренутку коегзистирају шум уобичајеног начина рада и шум диференцијалног режима. Обично су доминантне интерференције у режиму временске разлике са ниским фреквенцијама, а високе фреквенције су интерференције у уобичајеном моду. Махдави са Технолошког универзитета СХАРИФ и Роудет и Сцхеицх из ЛЕГ и сар. [11] је успоставио модел једнофазног претварача АЦ / ДЦ претварача снаге 500 В (ПФП). У истраживању механизма емисије, симулациони софтвер МЦ2 користи се за израчунавање тренутних хармоника убризганих у напајање. Модел се добро слаже са резултатима испитивања у фреквенцијском опсегу 10 пута већој од фреквенције пребацивања. У студији диференцијалног режима ПФП [ГГ] # 39, спроведеног ЕМИ, Реис је предвидео да када се претварач ради у различитим режимима, ЕМИ карактеристике су такође различите [13]. Еркуан Зхонг и Лип са Универзитета Висцонсин-Мадисон у Сједињеним Државама [12] користили су 8кВА ПВМ инвертерски систем који покреће индукциони мотор од 7,46кВ (10хп) као експериментални модел. Студија је открила да систем претварача ПВМ погоњен брзим мотором велике снаге напаја напајање. У пулсирајућу струју до неколико А, што доводи до озбиљно спроведених ЕМИ (у овом експерименталном моделу до 120дБμВ) и изобличења таласног напона напајања (зарезни напон до 50В, 20% више од називног напона), фреквенцијски опсег интерференцијских сигнала је прилично широк. Не укључује само компоненте сметњи преклопне фреквенције и њене хармонике, већ се протеже и на опсег радио фреквенција. Дв / дт (до 3кВ / μс, у трајању од неколико нс) које генерише уређај за напајање током процеса пребацивања у интеракцију са залуталом капацитивношћу између преклопног уређаја и земље, што генерише струје пуњења и пражњења на терминалу за напајање, изазивајући електромагнетне сметње. У исто време, нелинеарне преклопне карактеристике преклопних уређаја генеришу пуно хармоника. Такође су истакли да је повратна струја опоравка диоде главни извор интерференције у диференцијалном режиму у систему. Истраживање о спроведеним сметњама енергетских електронских уређаја, посебно уобичајеном режиму и ометању диференцијалним режимом, пружа основу за дизајн ЕМИ филтера. 2.2 Истраживање извора зрачених сметњи У поређењу са спроведеним сметњама, зрачене сметње електронских уређаја снаге су сложеније. То је зато што се као претварач енергије капацитет претворбе креће од миливата до мегавата, а главна петља и управљачка петља често су састављене од различитих компоненти. У поређењу са електронским уређајима концентрисаним на штампаној плочи, просторна структура је сложенија. Због тога су анализа и израчунавање одговарајућих лажних параметара и зрачене сметње сложеније [2], а тренутно нема много повезаних истраживања. Међу њима су Орланди и Сцхеицх [14] проучавали извор интерференције зрачења у кругу исправљача СЦР. Фокусирали су се на анализу односа између струје уобичајеног модуса (временски домен и фреквентни домен) и поља зрачења, и веровали су да је струја заједничког модуса повезана са погонским импулсом и параметрима залуталог управљачког дела. Градијент напона између залуталих капацитета повисује струју уобичајеног режима. Ширењем, градијент напона на растућој ивици импулса генерише струју уобичајеног модуса у залуталом капацитету. Штавише, импулс брзе струје индукује непотребан напон на металним деловима СЦР-а (кућиште и радијатор) и постаје извор зрачења. Да би одредили модел зрачења преклопног претварача, професори Антонини и Цристина и професор Орланди са Универзитета у Риму успоставили су модел диполног зрачења за претварачки део прекидачког напајања са преклопном фреквенцијом од 75кХз односно 150кХз [15]. . Међутим, при одређивању расподеле струје на линији користи се модел далековода еквивалентног хомогеног медија. Резултатски модел се добро слаже са експерименталним закључцима у фреквенцијском опсегу нижем од 10МХз, али у фреквенцијском опсегу већем од 10МХз доминира заједничко модално зрачење због утицаја различитих неистинитих параметара. При одређивању уобичајене дистрибуције струје, модел далековода више није важећи. Заправо, карактеристике електромагнетног зрачења енергетских електронских уређаја нису ограничене на ово. На пример, радијатори који се широко користе у енергетским електронским уређајима често показују карактеристике електромагнетних осцилација, које појачавају РФ електромагнетно зрачење енергетских електронских уређаја. Расхладни хладњак обично има сложену геометрију, има карактеристике РФ опсега са више опсега и инсталиран је изван уређаја. Стога ће хладњак вероватно деловати као ефикасна антена за зрачење на једном или више хармоника преклопне фреквенције. Такође је у току истраживачки рад у овој области, као што су Риан, Стоне и Цхамберс [16] применом ФДТД методе како би се направило прелиминарно предвиђање узорка РФ електромагнетног зрачења из радијатора у облику пераје. 2.3 [ГГ] куот; Истраживање карактеристика блиског поља [ГГ] куот; Према ИЕЦ22Г-ВГ4-11, енергетски електронски уређаји се обично састоје од два дела, и то јединице за претворбу снаге и управљачке јединице. Учесталост комутирања склопног претварачког кола углавном је десетине кХз до стотине кХз. Прелазни напони и струја генерисани током процеса пребацивања су извори интерференције који производе интерференцију проводљивости и интерференцију зрачења. Енергија електромагнетног зрачења коју генерише јединица за претварање снаге довољна је да угрози нормалан рад оближње контролне јединице [15]. Због тога је предвиђање карактеристика блиског поља јединице за претворбу снаге и осигуравање нормалног рада управљачког кола од великог значаја за ЕМЦ дизајн уређаја за електронску претворбу снаге. Да би истражили карактеристике блиског поља комутационог напајања (СМПС), Атонини ет ал. [15] је успоставио једноставан СМПС експериментални модел заснован на штампаној плочи. Када су вршили прорачуне у близини поља, поделили су сваки сегмент експерименталног кола у више херцијевих дипола у низу. Будући да електростатички појам игра доминантну улогу у близини поља, он представља поље генерисано електростатичким набојем акумулираним на једном диполу; када је више дипола повезано у серију, јер је растојање р између центра дипола и испитне тачке. Стога се електростатички појмови не могу поништити, што резултира великим електростатичким пољем, због чега је предвиђена вредност већа од стварне вредност. Због тога се приликом интегрисања једначине зрачења дуж кола, посебном обрадом, елиминише ефекат лажног електростатичког наелектрисања изазван интеграцијом диполне једначине и успоставља се тачнији модел блиског поља (електричног и магнетног поља). Прорачуни показују да је на удаљености од 3м од експерименталног модела разлика електричног поља између коригованог модела и модела пре корекције 40дБ у опсегу ниских фреквенција, а та два се подударају у опсегу високих фреквенција. Резултати теста показују да је у фреквенцијском опсегу испод 10МХз, израчуната вредност врло у складу са измереном вредношћу. У фреквенцијском опсегу вишем од 10 МХз, утицај струје уобичајеног начина је доминантан, а горњи модел прорачуна више није важећи. Главни утицај на карактеристике блиског поља енергетских електронских уређаја је главно коло дела за претварање снаге. Цристина и сар. [17] проучавао је промене обрасца зрачења, просторну расподелу блиског поља и карактеристике зрачења претварача под различитим условима оптерећења, и закључио да под различитим условима оптерећења, прекидачко напајање може показивати електричне диполе. Или карактеристике магнетног дипола. Ово је веома важно за одабир и дизајнирање одговарајуће шеме заштите. ЛЕГ [ГГ] # 39; с Иоуссеф и Роудет и сар. [18] је користио МОСФЕТ као преклопни елемент за успостављање једноставног модела претварача. Они претпостављају да је коло приближно танколинијска структура, и претпостављају да је струја у сваком делу кола иста, и израчунавају расподелу блиског поља на основу таласног облика струје у временској домени током операције пребацивања. Истовремено, методом зрцалне слике користи се за проучавање промена електромагнетног зрачења када је уземљена проводна раван испод кола интерференцијског извора и закључује се да се електромагнетно зрачење смањује под утицајем проводне равне земље. Може се видети да је истраживање блиских карактеристика енергетских електронских уређаја тек започело, а потпун и тачан модел још увек није успостављен. Нарочито у опсегу високих фреквенција, карактеристике блиског поља су сложеније под утицајем различитих параметара лутања. Да сумирамо, у истраживању извора електромагнетних сметњи за енергетске електронске уређаје, већина студија користи комбинацију експеримента и анализе. И моделирајте карактеристике електромагнетних сметњи под одређеним радним условима. Међутим, мало је студија о карактеристикама извора електромагнетних сметњи електроенергетских уређаја велике снаге и сложене структуре [2]. За стварни енергетски електронски уређај то је често уобичајени начин рада и диференцијал
Интерференција режима коегзистира, интерференција проводљивости и зрачења истовремено. За различите системе, доминантни фактори сметњи су такође различити. Правилна анализа и предвиђање главних извора сметњи у систему је кључ дизајна електромагнетне компатибилности енергетских електронских уређаја. 3 Истраживање карактеристика електромагнетне компатибилности високофреквентних претварача са меким пребацивањем Да би се задовољили захтеви високих фреквенција, људи нису само побољшали издржљивост самог уређаја, већ су уложили много напора да побољшају топологију кола како би ослабити електрични стрес на уређају и смањити Мали прекидачки губитак, елиминишући пренапонски пренапонски и напонски напон. Главни разлог за ометање енергетских електронских уређаја су високи ди / дт и дв / дт генерисани током процеса комутације енергетских електронских уређаја и залутали параметри у колу делују заједно да би изазвали високофреквентне осцилације. Ако се процес конверзије високих ди / дт и дв / дт може смањити што је више могуће избором одговарајуће топологије кола и технологије управљања, могуће је побољшати карактеристике електромагнетне компатибилности енергетских електронских уређаја. Тако неки људи претпостављају да би у смислу спроведеног ЕМИ претварач меког пребацивања који користи прелаз нултог напона (ЗВТ) требао да ради боље од претварача тврдог пребацивања [9, 19]. Главна основа је да у кругу ЗВТ главни прекидач ради у преклопном стању нултог напона, а диода у меком преклопном стању. На овај начин нема брзог пребацивања напона у главном прекидачу и брзог пребацивања струје у диоди, чиме се смањује високи напон у колу. Хармоники фреквенције. Да ли је то заиста тако? Из перспективе генерације ЕМИ, резонантни претварачи (укључујући претвараче са меким пребацивањем) имају неупоредиве предности у односу на претвараче са чврстим пребацивањем ПВМ, што се може разматрати из следећих аспеката: (1) ПВМ технологија прекида проток снаге и метода контрола радног циклуса трансформише снагу, што резултира импулсном струјом и импулсним напоном; док резонантна технологија трансформише снагу у облику синусног таласа, а њен фреквенцијски спектар је обично ужи од фреквенцијског спектра ПВМ претварача. Због тога, у поређењу са ПВМ претварачем, улаз треба да има мање хармонијске сметње и већу амплитуду основне компоненте. (2) Радни таласни облик резонантног комутационог претварача је квази-синусни талас, са малим ди / дт и дв / дт. (3) Резонантни комутациони претварач користи спојни капацитет уређаја и индуктивитет цурења трансформатора као део резонантног ЛЦ кола и није осетљив на штетне параметре лутања. (4) Резонантни комутацијски претварач ради на вишој фреквенцији, што је погодно за интеграцију и минимизацију, па обично има већу густину снаге, што је врло корисно за смањење петље кола и скраћивање дужине ожичења. (5) ПВМ претварачи често користе снубер-кругове који троше енергију да би ограничили стрес на уређају, а истовремено игра и корисну улогу у сузбијању електромагнетних сметњи. Резонантни претварачи са меким пребацивањем могу смањити или елиминисати одбојнике који троше енергију, побољшавајући тиме ефикасност развоја. На основу горње анализе, може ли се лако извести закључак? 1996. истраживачи из Истраживачког центра ВПЕЦ спровели су упоредни експеримент на проводној интерференцији два експериментална модела једнофазног 400ВПФЦ појачала претварача користећи кола са претворбом нултог напона (тј. ЗВТ) и кругове са јаким пребацивањем [21]. Резултат теста је неочекиван. Разлика у ЕМИ између претварача меког пребацивања и претварача тврдог пребацивања који користе ЗВТ технологију је врло мала, па чак и ако је претходно ожичење додатних кола неправилно, перформансе ће бити лошије. Разлика у литератури [20] је у томе што су одвојено упоређивали интерференцију заједничког и диференцијалног начина два експериментална модела. Резултат је: у погледу шума уобичајеног начина рада, карактеристике опсега ниских фреквенција су сличне. Када фреквенција пређе неколико МХз, тврдо пребацивање Бука ЗВТ модела је за неколико дБ већа од буке ЗВТ модела; на високим фреквенцијама, шум уобичајеног режима ЗВТ модела је нижи, али у неким случајевима врхунац буке ЗВТ модела на појединим тачкама фреквенције премашује модел са тешким пребацивањем; у погледу буке диференцијалног режима, бука тврдог пребацивања јача је од буке ЗВТ модела. Наведени експериментални резултати могу се разумети као: шум уобичајеног режима углавном се повезује кроз залуталу капацитивност кућишта уређаја, док је главни прекидач у ЗВТ претварачу меко пребацивање, а дв / дт генерисани током процеса пребацивања су мали. Због тога су високофреквентне сметње у уобичајеном моду ЗВТ претварача [ГГ] # 39 мање од оне код претварача са јаким пребацивањем; а врхови буке ЗВТ претварача на одређеним тачкама фреквенције узроковани су неправилним ожичењем помоћних компонената у ЗВТ претварачима. Поред тога, због већег ди / дт изазваног повратном струјом опоравка диоде у претварачу са тврдим пребацивањем, шум диференцијалног начина рада са преклопним претварачем већи је од звука ЗВТ претварача у високофреквентном опсегу, али високи ди / дт обично не утиче на нискофреквентне компоненте. Стога су карактеристике сметњи ове две сличне у фреквенцији комутације и њеним хармоникама ниског реда. Може се видети да су, иако су карактеристике високофреквентних сметњи ЗВТ претварача боље од јаког пребацивања за неколико дБ, ЕМИ карактеристике два су углавном сличне. Што се тиче буке диференцијалног режима, ЗВТ конверзија је боља од претварача са тврдом комутацијом, што је аспект меког пребацивања бољи од тврдог пребацивања. У погледу шума у уобичајеном моду, проблем је сложенији. Разлика између ЗВТ претварача и претварача са тврдом комутацијом је у томе што први има помоћне меко-прекидачке елементе, укључујући помоћне преклопне елементе који пролазе веће вршне струје. Овај преклопни елемент може издржати тврде и тврде преклопне елементе. Иста напон има и главна прекидачка цев у преклопном претварачу. Помоћни преклопни елемент у ЗВТ претварачу је тешко преклопљен, што значи да се чврсти прекидач у преклопном претварачу преноси на помоћни прекидач ЗВТ претварача. Због тога су у топологији склопа меког пребацивања помоћни преклопни елементи важни извори сметњи, а њихов положај и ожичење су посебно важни [21]. [ГГ] Куот; У основи, ПВМ претварач са снубер склопом не мора нужно имати лошије карактеристике шума од претварача са меким пребацивањем. Али да ли је меко пребацивање или тврдо пребацивање боље, зависи од почетне фазе дизајна кола, одговарајућег избора топологије кола и технологије управљања у складу са апликацијом, успостављања модела предвиђања проводљивости и сметњи зрачења и смерница правилног распореда кола. 4 Закључак Укратко, електромагнетна компатибилност енергетских електроничких уређаја привлачи све већу пажњу научника из земље и иностранства. Од 1980-их, многе експерименталне студије и радови на аналитичком моделирању завршени су у иностранству; извршена су домаћа истраживања у овој области. Још нема пуно посла, а још зрелији технички извештаји још нису виђени. Нарочито у данашњем брзом развоју технологије енергетске електронике [ГГ] # 39, како разбити прошла искуства и хеуристику у дизајну електромагнетне компатибилности и направити дизајн електромагнетне компатибилности енергетских електроничких уређаја на колосеку систематског дизајна са којим се суочавају домаће и стране научници. То ће постати једна од централних тема у истраживању електромагнетне компатибилности енергетских електронских уређаја. Само на основу дубинске анализе извора електромагнетних сметњи различитих енергетских електронских уређаја, одређивања осетљивости различитих параметара, проучавања карактеристика електромагнетне компатибилности различитих преклопних топологија и управљачких шема и успостављања предиктивних модела може доћи до електромагнетске компатибилности енергетских електронских уређаја постићи. Систематски дизајн и прилагодити се брзом развоју саме технологије енергетске електронике