電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的奧秘：如何在提高頻率的同時抑制噪聲（三）

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的“背景與方法概述”和“路徑傳導(dǎo)干擾抑制”兩部分已經(jīng)介紹完，本部分討論下“傳導(dǎo)噪聲干擾源抑制”。

01 傳導(dǎo)噪聲干擾源抑制

通過改進(jìn)開關(guān)控制方案和優(yōu)化開關(guān)過程，可以抑制源處產(chǎn)生的傳導(dǎo)擾動。

02 開關(guān)控制方案

目前，PWM高頻諧波的抑制原理大多是將特定頻率的PWM諧波轉(zhuǎn)移到附近的其他頻率，從而改變PWM的諧波分布特性，從而抑制PWM諧波。

03 高頻諧波的抑制技術(shù)概述 （1）傳統(tǒng)兩電平電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

圖 A 傳統(tǒng)兩級變流器的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

隨機(jī)PWM擴(kuò)頻技術(shù)；

周期PWN擴(kuò)頻技術(shù)。

（2）三電平電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

最優(yōu)同步調(diào)制策略SHEPWM；

最優(yōu)同步調(diào)制策略CHMPWM。

（3）高頻諧波抑制技術(shù)

改進(jìn)的空間矢量脈寬調(diào)制（MSVPWM）技術(shù)；

單面空間矢量脈寬調(diào)制器（MS-SVPWM）技術(shù)；

04 周期性PWM技術(shù) （1）周期性PWM技術(shù)基本概念

周期性PWM技術(shù)也稱為周期性頻率調(diào)制（PCFM）。逆變器的載波頻率根據(jù)周期函數(shù)變化，也可以達(dá)到分散諧波能量分布的效果，從而降低PWM諧波幅度。

（2）周期性PWM技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

與隨機(jī)調(diào)制擴(kuò)頻策略相比，周期調(diào)制擴(kuò)頻策略可以更好地控制諧波能量的分布，使其能夠有效地消除某些頻率下的諧波分量。

周期擴(kuò)頻技術(shù)中周期函數(shù)的選擇對于PCFM的擴(kuò)頻效果和諧波抑制能力至關(guān)重要。對于周期擴(kuò)頻技術(shù)中的載波頻率函數(shù)，最常用的三個周期函數(shù)是鋸齒波函數(shù)、正弦波函數(shù)和三角波函數(shù)。其中，諧波抑制效果最好的方法是根據(jù)鋸齒波變化的PCFM技術(shù)。

05 SHEPWM技術(shù) （1）SHEPWM技術(shù)基本概念

SHEPWM技術(shù)是一種用于多電平電壓源逆變器的PWM控制方法。其思想是以預(yù)定角度實(shí)現(xiàn)特定開關(guān)的切換，以產(chǎn)生所需的最優(yōu)SPWM控制，從而消除選定的特定諧波并最小化輸出電壓波形的全局諧波失真。

（2）SHEPWM技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

SHEPWM的問題是計算復(fù)雜。國內(nèi)外許多學(xué)者對SHEPWM的簡化運(yùn)算進(jìn)行了研究。目前的趨勢是將三角函數(shù)超越方程的解轉(zhuǎn)化為多項式解。開關(guān)角和調(diào)制深度之間的關(guān)系由代數(shù)方程近似，簡化了求解過程。

06 CHMPWM調(diào)制技術(shù) （1）CHMPWM調(diào)制技術(shù)基本概念

CHMPWM調(diào)制技術(shù)直接使用總電流諧波失真率作為通過開關(guān)角度計算的性能指標(biāo)。這樣，在確保逆變器的輸出基波電流為期望值的前提下，可以盡可能地減小諧波電流的有效值。從而使輸出電流具有最佳的諧波特性。

（2）CHMPWM調(diào)制技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

CHMPWM的目的是最大限度地減少輸出電流的諧波失真。同時，沒有出現(xiàn)SHEPWM中未消除的高次諧波被明顯放大的現(xiàn)象，求解的開關(guān)角也具有良好的通用性。然而，由于CHMPWM解決方案更加復(fù)雜，該方法的實(shí)際應(yīng)用不如SHEPWM方法廣泛。

07 改進(jìn)SVPWM技術(shù) （1）改進(jìn)SVPWM技術(shù)基本概念

改進(jìn)SVPWM技術(shù)的基本思想是優(yōu)化中心對稱SVPWM技術(shù)中的矢量合成時序。通過在一個載波周期內(nèi)改變原SVPWM技術(shù)的開關(guān)脈沖序列，可以降低逆變器輸出相電壓和相電流的諧波含量。

（2）改進(jìn)SVPWM技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

對于傳統(tǒng)的二電平三相電壓源逆變器，幾種改進(jìn)的SVPWM技術(shù)對PWM諧波抑制效果明顯。

·MSVPWM技術(shù)

MSVPWM方法適用于兩電平三相逆變器，以犧牲33%的開關(guān)頻率增加為代價來抑制PWM頻率的電壓噪聲和電流噪聲。

圖 B MSVPWM技術(shù)

MSVPWM技術(shù)方法通過改變有效矢量的合成時序，改變了傳統(tǒng)SVPWM技術(shù)原有的開關(guān)狀態(tài)。該方法可以抑制PWM頻率附近的高頻諧波和奇數(shù)倍諧波。但MSVPWM對PWM開關(guān)頻率的偶數(shù)倍諧波沒有抑制作用。

所提出的MSVPWM方法不改變基波的特性，也不需要使用額外的電路，這可以很容易地實(shí)現(xiàn)。MSVPWM在抑制逆變器的PWM諧波、提高LC濾波器的性能和減小濾波器尺寸方面發(fā)揮著重要作用。

·MSSVPWM技術(shù)

通過對SVPWM技術(shù)的鋸齒載波的零矢量進(jìn)行特定調(diào)整，MSSVPWM技術(shù)降低了開關(guān)損耗，增加了PWM干擾頻率，同時降低了PWM諧波含量。圖C顯示了MSSVPWM技術(shù)。

圖 C MSSVPWM技術(shù)

（3）改進(jìn)SVPWM技術(shù)小結(jié)

通過比較MS-SVPWM技術(shù)和MSVPWM技術(shù)的抑制能力，發(fā)現(xiàn)MSSVPWM技術(shù)基本上可以消除開關(guān)頻率奇數(shù)倍的諧波，而MSVPWM只能抑制諧波。然而，MSSVPWM技術(shù)仍然無法抑制開關(guān)頻率倍數(shù)的諧波振幅。

08 開關(guān)過程優(yōu)化

1 有源柵極驅(qū)動 （1）有源柵極驅(qū)動基本概念

有源柵極驅(qū)動通過精細(xì)控制開關(guān)波形來實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用目的，例如抑制橋之間的串?dāng)_、降低開關(guān)波形的過沖幅度和抑制高頻EMI。

（2）主動?xùn)艠O驅(qū)動有兩種方法

開環(huán)控制技術(shù)；

閉環(huán)控制技術(shù)。

（3）有源驅(qū)動案例

有源柵極驅(qū)動的開環(huán)控制是針對開關(guān)器件的瞬態(tài)過程，在不同階段調(diào)整驅(qū)動電壓、驅(qū)動電流或驅(qū)動電阻。以使驅(qū)動信號的波形與參考波形一致。以這種方式，控制輸入電容器的充電和放電速度。最終改善了瞬態(tài)特性。典型的主動驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖D所示。

圖D 一種典型的有源驅(qū)動方案

有源驅(qū)動案例1：提出了一種基于智能模型的軌跡優(yōu)化有源柵極驅(qū)動系統(tǒng)，以優(yōu)化SiC器件引起的EMI和開關(guān)損耗；

有源驅(qū)動案例2：總結(jié)了目前用于SiC器件開關(guān)速度控制的有源柵極驅(qū)動。同時，簡要分析了SiC器件引起的高頻EMI。

（4）有源驅(qū)動小結(jié)

盡管有源柵極驅(qū)動可以抑制由器件的開關(guān)引起的EMI，但這種方案通常會增加器件的開關(guān)時間和開關(guān)損耗。這種方法降低了系統(tǒng)效率。此外，主動?xùn)艠O驅(qū)動方案對驅(qū)動電路和控制芯片也提出了更高的要求。

2 軟開關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù) （1）軟開關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)基本概念

軟開關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)可用于減少開關(guān)損耗、通過開關(guān)器件的電壓/電流的過沖幅度和EMI。

（2）軟開關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)基本構(gòu)成

軟開關(guān)轉(zhuǎn)換電路主要由R、C、L、二極管和輔助開關(guān)器件組成。

根據(jù)所使用的電阻器和輔助開關(guān)器件，軟開關(guān)轉(zhuǎn)換電路可分為三種類型：

有損無源轉(zhuǎn)換電路；

無損無源轉(zhuǎn)換電路；

有源轉(zhuǎn)換電路。

（4）軟開關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)特點(diǎn)

軟開關(guān)轉(zhuǎn)換電路通常指無損無源和有源緩沖電路。通過一種特殊的控制方法，軟開關(guān)過渡電路可以有效地避免瞬態(tài)開關(guān)電壓和電流的重疊。

根據(jù)發(fā)展過程，軟開關(guān)轉(zhuǎn)換電路分類：

可分為準(zhǔn)諧振電路；

零開關(guān)PWM電路；

零開關(guān)PWM回路。

此外，根據(jù)瞬態(tài)開關(guān)電壓和電流的變化順序，軟開關(guān)轉(zhuǎn)換電路可以進(jìn)一步分為：

零電壓軟開關(guān)轉(zhuǎn)換；

零電流軟開關(guān)轉(zhuǎn)換。

09 開關(guān)過程優(yōu)化技術(shù)小結(jié)

對于有源柵極驅(qū)動和軟開關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)，當(dāng)與相應(yīng)的控制方法相結(jié)合時，可以很好地改善開關(guān)器件的動態(tài)特性。主要缺點(diǎn)是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和驅(qū)動器設(shè)計更加復(fù)雜。工業(yè)應(yīng)用仍然存在優(yōu)化需求。

10 干擾源抑制討論

對于改進(jìn)的開關(guān)控制方案：

（1）改進(jìn)的開關(guān)控制方案的主要優(yōu)點(diǎn)

它只是一種改進(jìn)的軟件算法，而不增加驅(qū)動系統(tǒng)的體積；

由于不添加硬件，因此驅(qū)動系統(tǒng)具有高可靠性；

同時，對于不同功率電平的系統(tǒng)，可以使用相同的調(diào)制策略來實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)干擾抑制。

（2）改進(jìn)的開關(guān)控制方案的缺點(diǎn)。

SHEPWM具有解決目標(biāo)開關(guān)角度的問題，涉及超越方程的求解，運(yùn)算更加復(fù)雜，對算法求解提出了更高的要求。

11 總結(jié)

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾抑制方法主要包括EMI濾波、拓?fù)鋬?yōu)化、改進(jìn)的開關(guān)控制方案和開關(guān)過程的優(yōu)化。

這些方法基于兩種思想：

一種是在傳播路徑上進(jìn)行干擾抑制；

另一種是源處的傳導(dǎo)干擾抑制。

前者效率更高，但顯著增加了驅(qū)動系統(tǒng)的體積或質(zhì)量。后者更靈活，但控制和設(shè)計更復(fù)雜。

在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要選擇所需的傳導(dǎo)擾動抑制方法。

抑制傳導(dǎo)干擾的常用且可靠的方法是在驅(qū)動系統(tǒng)中添加EMI濾波器

為了消除源處的傳導(dǎo)干擾，首先采用了改進(jìn)的開關(guān)控制方案

隨著驅(qū)動系統(tǒng)的不斷發(fā)展，傳導(dǎo)擾動抑制方法仍需在多個方面不斷研究。