开关电源类产品介绍

随着开关电源类产品的日益增多，电磁兼容设计成为开关电源开发过程中至关重要的一个环节，相应的电磁兼容标准也成为开关电源类产品必须满足的性能指标。高频开关电源是严重的电磁干扰源，很多情况下需对其安装EMI电源滤波器。传统的滤波器设计方法计算繁琐、设计过程复杂、研发时间长。为了提高滤波器性能和缩短开发时间，本文针对DC-DC开关电源介绍了一种简单且效果良好的滤波器设计方法。本文在阐述开关电源电磁干扰基本特点的基础上，提出了电源传导加固技术。文中阐述了EMI电源滤波器的基本原理、拓扑结构、设计原则和滤波器件的高频特性，分析了网络理论及其在EMI电源滤波器设计中的应用。本文以某一航空产品中的DC-DC开关电源项目为依托，设计EMI电源滤波器。通过了解开关电源需要满足的电磁兼容标准，测试分析其电磁干扰信号特点，提出滤波器性能指标。利用网络理论设计分析滤波电路，通过编程实现对滤波电路参数的设计。建立滤波器插入损耗仿真模型，编写仿真程序，对设计结果进行分析，最后通过实际测试，验证设计方法的J下确性。同时，在EMI电源滤波器设计的基础上，对滤波器进行了拓展功能的电路设计，主要针对开关动作所引起的浪涌电压。通过讨论应用于EMI电源滤波器中的软磁铁氧体材料的特性，提出了铁氧体磁芯的选择原则和应用方法，同时讨论了主要滤波器件的选择和设计。深入研究EMI电源滤波器在工程设计中的关键技术及滤波器封装技术，并提出封装过程测试方法及工程应用时安装使用应注意的主要问题。随着开关电源的迅速发展和广泛应用,它们引起的电磁泄露和电磁辐射问题越来越严重。电源EMI滤波器作为开关电源的辅助器件,可以有效地抑制开关电源中的传导干扰。无源元件的高频非理想特性使无源EMI滤波器高频特性变差,而无源元件同样影响有源EMI滤波器的高频特性。因此对EMI滤波器高频特性的研究具有现实意义。对于无源EMI滤波器,本文研究了几种改善自感寄生参数的方法的有效性,分析了元件间的互感耦合和电容的自感寄生参数分别对π型共模滤波器的影响。提出利用部分互感耦合改善电容的自感寄生参数的优化措施。对于有源EMI滤波器,本文分析了一种有源EMI滤波器在分别连接纯电阻、感性和容性负载时的插损,分析了反馈环路中各个模块的作用和影响。最后,对有源EMI滤波器注入环节中的电容进行了改进,改善了它的高频特性。本文首先介绍了利用傅立叶变换估算开关电源噪声频谱的方法,接着分别论述了开关电源中差模传导EMI噪声与共模传导EMI噪声的产生原因。在分析完EMI噪声产生原因以后,分析了噪声分离技术的现状,并指出传统噪声分离方法的缺陷。为了提高噪声分离网络的分离效果,引入传输线变压器来改善其性能。传输线变压器是用传输线绕在磁环上构成,工作时初次级之间的能量传输主要依靠线圈间分布电容的耦合作用,绕组间的分布电容与漏电感则成为传输线特性阻抗的组成部分,所以传输线变压器克服了传统变压器中漏感和分布电容对工作性能的影响。在理论分析的基础上,制作了特性阻抗为100Ω的传输线变压器,并利用该传输线变压器制作了噪声分离器样品。在分析EMI滤波器原理的基础上,分析了噪声源阻抗变化对滤波器性能的影响,从理论计算和仿真分析可以得出:对于共模EMI滤波器需要考虑噪声源阻抗的最大可能值;对于差模EMI滤波器需要考虑噪声源阻抗的最小可能值。在测量、分析共模与差模噪声的基础上,确定了EMI滤波器需要对噪声产生的衰减量,并通过实验的方法确定了噪声源阻抗的最大可能值与最小可能值。根据需求衰减量与噪声源阻抗可能值确定了EMI滤波器的拓扑结构...随着开关电源的迅速发展和广泛应用,它们引起的电磁泄露和电磁辐射问题越来越严重。电源EMI滤波器作为开关电源的辅助器件,可以有效地抑制开关电源中的传导干扰。无源元件的高频非理想特性使无源EMI滤波器高频特性变差,而无源元件同样影响有源EMI滤波器的高频特性。因此对EMI滤波器高频特性的研究具有现实意义。对于无源EMI滤波器,本文研究了几种改善自感寄生参数的方法的有效性,分析了元件间的互感耦合和电容的自感寄生参数分别对π型共模滤波器的影响。提出利用部分互感耦合改善电容的自感寄生参数的优化措施。对于有源EMI滤波器,本文分析了一种有源EMI滤波器在分别连接纯电阻、感性和容性负载时的插损,分析了反馈环路中各个模块的作用和影响。最后,对有源EMI滤波器注入环节中的电容进行了改进,改善了它的高频特性。近年来,随着电子设备及电子产品的迅速发展和普及,由于泄漏和辐射等引起的电磁干扰严重影响其他设备的正常工作。降低电子设备的电磁干扰,提高其抗扰度等问题已经广泛为电子行业所关注。在抑制电磁干扰信号的传导干扰方面,采用EMI电源干扰滤波器是非常有效的手段。但是,鉴于各厂家生产的EMI电源滤波器的实际性能往往与其标称值有较大差异,因此对EMI电源滤波器的主要性能即插入损耗的测试显得尤为重要。本文即从工程应用的角度出发,设计研制了一套基于50Ω阻抗系统的EMI电源滤波器加载测试系统,以客观、合理地评价电源滤波器的性能,从而为电源滤波器的选用提供重要的依据。本文首先介绍了EMI电源滤波器的一些基本知识,这是设计滤波器插入损耗测试系统必须考虑的问题。在此基础上,详细讨论了电源滤波器插入损耗加载测试装置的具体设计过程,包括确定总体测试电路,重要零部件如加载缓冲网络、屏蔽测试箱体、屏蔽电缆引线等的设计和制造,并借助基于有限元方法的电磁场计算软件ANSYS来进行关键部分的阻抗特性分析,通过各设计参数的不断调整、改进,结合测试手段,研制出一套完备的满足实验要求的测试系统。最后,讨论了电源滤波器插入损耗测试的相关问题,并借助本文研制的测试系统对电源滤波器进行了一系列的测试。源滤波器[浏览次数：532次]有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，它可以克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，控制精度高、治理效果好，已逐渐成为谐波治理的重要技术手段和今后谐波治理领域的发展方向。目录有源滤波器性能及参数有源滤波器优点有源滤波器的设计步骤有源滤波器控制器的设计有源滤波器性能及参数取样电流A：0～5A（CT二次电流）；单次电流谐波限值：≤2[%]；温升：电感≤40K；模块≤20K；高频滤波器≤5K；总电流谐波畸变率限值：≤4[%]THD；单模块电流峰值限制：≥84A；动态响应：≤20ms；防护等级：IP20；噪音：≤30dB；自动限流，不发生过载；保证不与系统发生谐振；可根据需要设置为：只补偿谐波、只补偿无功、同时补偿谐波和无功；采用智能型模块，内置保护有：短路、过流、过热、驱动欠压、直流母线过压，可靠性极高；执行IEEE-519标准（国际标准）、GB/T1459-93和GB/Z17625.6-2003有源滤波器优点模块化结构,集成度高；无需现场检测数据，即装即用；容量扩展容易，只需直接并联即可；采用电力级接插件，支持热拔插，安装和售后服务方便，只需直接更换损坏的模块即可；多模块并联时不存在主从关系，不会因主模块故障而陷入瘫痪；适合快速变动的负载情况，以及其他无源滤波无法治理的场合；在特殊情况下还可作为性能优异的动态无功补偿装置；有源滤波器的设计步骤在设计有源滤波器时，一般遵从以下设计步骤。1.传递函数的设计根据对滤波器特性的要求，设计某种类型的屁阶传递函数，再将n阶传递函数分解为几个低阶（如一阶、二阶或三阶）传递函数乘积的形式。在设计低通、高通、带通、带阻滤波器时，通常采用频率归一化的方法，先设计低通原形传递函数。若要求设计低通滤波器时，再将低通原形传递函数变换为低通目标传递函数；若要求设计高通滤波器时，再将低通原型传递函数变换为高通目标传递函数；若要求设计带通滤波器时，再将低通原型传递函数变换为带通目标传递函数；若要求设计带阻滤波器时，再将低通原型传递函数变换为带阻目标传递函数。2．电路设计按各个低阶传递函数的设计要求，设计和计算有源滤波器电路的基本节。先选择好电路形式，再根据所设计的传递函数，设计和计算相应的元件参数值。根据设计要求，对各电路元件提出具体的要求。3．电路装配和调试先设计和装配好各个低阶滤波器电路，再将各个低阶电路级联起来，组成整个滤波器电路。对整个滤波器电路进行相应的调整和性能测试，并检验设计结果。有源滤波器控制器的设计飞速发展的电力电子技术使各种电力电子装置在工业、交通运输及家庭中的应用日益广泛，而这些非线性负荷带来的谐波危害也日益严重。谐波使电网中元件产生谐波损耗、设备效率和功率因数降低，甚至损害电力设备如电容器等；谐波影响精密仪器和临近的通信系统，使其无法正常工作。电力系统中谐波次数和大小随系统负荷状况而变化，采用传统的LC静态滤波器无法满足要求，而采用电力有源滤波器可以对大小和频率都变化的谐波及变化的无功进行动态补偿，因此有源滤波器的研究和应用越来越受到人们的重视。有源滤波器的基本原理是：先从补偿对象中检测出谐波电流，再由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而相位相反的补偿电流，两者相互抵消而使电网电流中只含有基波分量。控制器是有源滤波器的核心部件，它通过产生并控制驱动开关器件的脉冲来控制有源滤波器的行为，完成动态补偿谐波和无功的功能。2控制系统的结构与基本功能有源滤波器的主电路采用三单相桥式电压型变流器，通过变压器与系统耦合，其结构如图1所示。采用三单相桥结构是因为三单相桥的控制可以相互解耦，同时还可用于消除零序分量及其谐波电流，实现不对称控制。该有源滤波器的控制系统采用双DSP结构，其中一个DSP处理器用来完成数据处理、控制与高层保护功能；另一个DSP处理器用来产生高精度PWM脉冲。控制器主要有以下功能：(1)控制有源滤波器的行为根据检测出的负荷电流的谐波和无功电流分量控制逆变器的输出电压，使有源滤波器输出的补偿电流与负荷谐波电流和无功电流之和相互抵消，从而使系统电流为基波正序有功电流。(2)产生触发脉冲经驱动电路控制IGBT的导通和关断产生PWM触发脉冲，使有源滤波器能输出正确的谐波补偿电流。(3)脉冲同步根据从电网取回的同步脉冲，产生出与电网电压同步的脉冲信号，使有源滤波器输出的电压与电网电压保持同步。(4)自我容错功能一旦控制器自身有些元件出现错误（如电压互感器（PT）断线等），控制器能立即发现错误并报警，同时不使装置退出运行，故障修复后可以容易地恢复。（5）保护功能当有源滤波器运行在过载或其他不正常状态下，而电流又没有超过保护动作的整定值时，控制器能通过保护功能使有源滤波器回到正常工作状态，避免其底层保护动作，从而保证了有源滤波器能够连续正常工作。3有源滤波器控制器的实现有源滤波器控制器的原理框图如图2所示。控制器以60×50Hz（或更高）的采样频率对负荷电流、装置输出的补偿电流及系统电压进行采样和A/D转换。利用谐波分离算法如dq分解法或ab分解法及其它方法对采样电流进行分解，滤除基波有功分量，保留用作补偿所需的谐波电流。然后采用控制算法据电路参数计算出逆变器应产生的谐波电压。将谐波电压瞬时值送至DSP脉冲发生器，让脉冲发生器根据谐波电压瞬时值采用SPWM算法决定逆变器开关元件的动作。脉冲发生器根据电压瞬时值进行SPWM脉冲计算以产生驱动脉冲。下面分别介绍控制器的各项功能。3.1控制算法本系统的控制算法由谐波和无功电流的检测及电流跟踪控制两部分组成。其中谐波和无功电流的计算是基于三相电路瞬时无功功率理论[3]，如图3所示。由于本文的有源滤波器要对直流侧的电压进行控制，因此在指令电流中需要包含一定的基波有功分量，以便有源滤波器的直流侧与交流侧交换能量，调节电容电压至给定值。图4所示为电流跟踪控制框图。本系统的电流跟踪控制采用PI控制，输出控制量通过双口RAM送至脉冲发生器，脉冲发生器根据得到的波形信息产生触发脉冲，脉冲经隔离、整形后驱动主电路的IGBT使逆变器输出相应电压。补偿电流是由逆变器的输出电压与交流侧电源电压的差值作用于电感而产生的。图5是用该有源滤波器对三相6脉冲整流负载产生的谐波进行补偿的A相数字仿真结果图，仿真软件采用PSCAD。由图可知补偿后的系统电流与系统电压同相位，电流波形得到大大改善，但比较负荷电流和系统电流可知，在负荷电流变化较快瞬间（对应于整流桥的换相）补偿效果差一些，这是因为要补偿快速变化的电流要求APF产生很高的谐波电压，这一方面要求有源滤波器有很快的响应速度，另一方面要求直流侧产生高压，这在实际装置中是较难实现的，因此在负载电流变化非常快时，APF的补偿能力较差。有关系统不对称对APF的影响及其对零序电流的补偿等问题仍在进一步的研究中。图6为A相系统电流的谐波分析，负载电流的谐波总畸变率THD为20.1[%]，补偿后的系统电流总畸变率为9.4[%]，5、7、9、11次谐波电流的含有率均小于5[%]。3.2数据采样与处理该DSP处理器对负荷侧的三相电流、电压信号以及有源滤波器输出的电流信号进行同步采样，然后进行数据处理。根据负荷侧的电流与电压值计算出瞬时有功、瞬时无功功率，再经过谐波检测与分离算法计算出补偿电流的参考值，该值与有源滤波器实际补偿电流的差值通过PI控制环节得到相应的控制信号。3.3控制器的高层保护与复位功能一旦有源滤波器过流或者过压，保护装置动作将IGBT封锁使有源滤波器处于封锁状态。此时控制器将根据系统状态和有源滤波器本身的状态进行判断，如果二者均恢复正常则控制器会选择适当的时机对有源滤波器进行复位，使其恢复到正常运行状态[2]。4高精度脉冲发生器过去基于单片机的脉宽调制的实现方案中，由于处理器的指令执行时间较长，而难以保证脉冲精度，且受相位抖动的影响也较显着[4]。数字信号处理器快速的运算能力使得我们有可能采用微处理器结构实现高精度的脉冲发生器，该方法修改脉冲发生部分的程序即可产生各种类型的PWM脉冲，简单灵活，有较好的通用性[5]。4.1变流器脉冲信号之间的关系图7(a)、7(b)是基于IGBT的单相桥电压型逆变器的结构图和工作原理示意图。假定图中半导体开关为理想开关，则同一桥臂的两个开关的导通与关断是互补的（因为同一桥臂的两个开关不能同时导通，否则将会因桥臂直通而导致直流电源短路）。假定上部开关（图(a)中的SL和SR）导通而下部开关（图(a)中的SL′和SR′）关断时开关状态为1，反之为0。如果任一时刻都有两只管子导通，则单相桥IGBT开关状态的可能组合只有10和01两种，输出电压分别对应＋Ed和－Ed。这样，利用一个6位的状态字即可表征三单相全桥逆变器的输出电压，如100110B表示此时输出电压为A相＋Ed，B相－Ed，C相＋Ed。4.2脉冲发生器软、硬件体系结构与实现本系统采用SPWM方式将载波与参考波的幅值进行比较，根据比较结果确定输出开关的状态。本有源滤波器系统的设计目标是消除25次（1.25kHz）以下的谐波，即参考波的最高频率为1.25kHz。由采样定理可知采样频率必须大于或等于原信号频率的2倍才能保持原信号的全部信息，因此本系统中载波（三角波）的最低频率应该是2.5kHz。考虑到提高调制波的频率使功率元件的开关频率提高，损耗变大，因而本系统中三角波的频率采用2.5kHz。由于采用数字离散化方式比较载波和参考波，因而两个信号的抽样频率越高误差就越小。考虑数字信号处理器的实时处理能力，本系统采用每隔0.3°比较一次的方法，即抽样频率为60kHz。由于周期三角波频率为2.5kHz，所以只需要24点幅值信息即可以满足要求。在实际应用时，程序中构造两张表，一张为24点的调制三角波幅值表，另一张为参考波幅值表，即0°～360°之间间隔0.3°共1200点的参考波幅值，参考波幅值由另外一个控制芯片提供，通过双口RAM提供本系统数字接口。脉冲发生器的硬件结构如图8。图中的控制器由另外一个DSP芯片（TM