电力电子设备传导噪声抑制措施研究综述
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
同济大学电子与信息工程学院的研究人员张逸成、叶尚斌、张佳佳、姚勇涛，在2017年第14期《电工技术学报》上撰文指出，电力电子设备广泛应用于工业环境中，其传导噪声可通过设备端口传导至系统其他设备中，因此设备传导噪声的抑制研究对系统整体的可靠工作非常关键。
本文系统地分析电力电子设备传导噪声的抑制方法，分别从滤波技术、主电路拓扑优化、控制策略优化三种方法总结各类措施的工作原理、实施手段与研究现状，并指出了现有抑制措施的研究方向与关键问题，为抑制方法的进一步发展与实际应用提供参考。
与传统电能转换装置相比，电力电子设备在功能、效率、体积质量等方面具有显著的优势，因此在许多行业领域得到了广泛应用，如电力系统输电、交流调速、高性能交直流电源[1]等，同时也成为了电气领域的研究热点。
各类电力电子设备在其有源开关器件高速导通与关断时，将在设备内部产生较高的du/dt和di/dt，通过器件与传输线的寄生参数形成寄生振荡，产生强烈的电磁干扰。这些噪声不仅影响设备本身及其控制电路的正常工作，还将通过设备端口传导至系统其他电气装备，对系统整体的可靠性造成威胁[2]。因此，需要采取对应的措施抑制大功率电力电子设备传导噪声的产生与传播，从而保证系统整体的正常工作。
以电动汽车采用Boost型DC-DC变换器为例，图1给出了其内部主要干扰源与敏感受扰源，以及耦合路径中的部分器件。其中，干扰源主要是系统内部的有源器件，这些器件在开关过程的非理想特性将导致电压、电流出现丰富的高频分量；受扰源主要是控制电路与采样电路等弱电电路，它们很容易受到主电路传导噪声的干扰。
干扰源与受扰源之间的耦合通路则较为复杂，磁性元件与稳压电容等无源器件的高频寄生参数为噪声的传播提供了有效通路，母排杂散参数同样对噪声传播通路产生影响，可能使设备整体噪声发射更加恶化。此外，作为大电流（该电流包含丰富的高频分量）的载体，母排结构也是主要的辐射干扰源之一。
图1 Boost型变换器内部干扰源与受扰源
由于干扰源、耦合路径与受扰源共同组成了电磁兼容问题的三要素，因此设备传导噪声抑制措施的设计与实施也围绕这三个方面展开。从降低设备端口传导干扰的角度出发，基本思路包括切断耦合路径与减少干扰源发射两种，并由此衍生出不同的措施。
最常见的方法是在设备端口加装电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）滤波器。这种方法是将设备整体视为“黑盒子”，不考虑其内部的噪声产生和耦合机理，利用设备噪声源阻抗与滤波器阻抗不匹配的原理[3,4]，切断设备之间的耦合路径，实现传导噪声的抑制[5]。这种方法通用性很强，但无法从根本上改善变换器内部的噪声发射。
从噪声产生机理的角度考虑，开关型功率变换器的核心干扰源是开关器件周期工作导致的非理想电压和电流波形。因此，第二类噪声抑制方法是对主电路拓扑或结构进行优化[6-8]，采用吸收、补偿高频噪声分量或平衡噪声耦合路径阻抗等手段，降低非理想的电压、电流尖峰，从而使传播到变换器端口的噪声得到抑制。此外，有源器件的优化选型[9]和磁性元件的优化设计[10]也可实现类似效果。
第三类噪声抑制方法是在不改变主电路拓扑的情况下，通过调整控制策略降低噪声水平。根据Parseval定理，只要保证信号时域的能量不变，则频域的能量是守恒的。这意味着若扩展开关频率及其谐波频率处的频带[11]，可降低扩展后的分量峰值，从而降低EMI的峰值水平。
本文分析了以上三类噪声抑制措施的研究进展，并归纳了各类措施的主要核心技术，对其基本原理、实现方法与特点进行了总结，同时在此基础上讨论了设备传导噪声抑制措施的研究不足与未来发展方向。
1 滤波技术
滤波技术是最常见的传导噪声抑制手段。综合考虑电路复杂程度、功率等级和频率限制[12,13]等因素，无源电磁干扰（EMI）滤波器的应用范围比有源EMI滤波器更为广泛。无源EMI滤波器的基本结构和设计方法已经比较成熟，一般根据差模（DifferentialMode, DM）和共模（Common Mode, CM）所需的衰减量、转折频率[14]以及阻抗最大不匹配[15,16]原则进行设计。目前，无源EMI滤波器的研究热点是高频性能优化，具体的措施包括平面磁集成和寄生参数消除。
平面磁集成技术的核心是通过由铜箔、介质层、隔离层的多层绕组[17]或平面结构[18,19]组成滤波器，并等效为分布LC网络。这种方案可以改善整体滤波器的高频性能，并且可以减小体积，但是对磁心性能与绕组材质的要求较高[20]。此外，由于绕组位于磁心内部，所以不易于散热[20]，特别是在大电流场合，磁性元件的饱和、温升效应等[21]问题难以处理。在现有的案例中，电流等级一般不超过十几安培，该技术尚未在大电流场合广泛应用。
分立式滤波器高频性能的提高主要依赖于寄生参数的消除，相关研究分别针对电容器等效串联电感（EquivalentSerial Inductor, ESL）、电容等效串联电阻（Equivalent SerialResistance, ESR）、电感等效并联电容（Equivalent Parallel Capacitor, EPC）和元件间或元件与线路间的近场耦合参数展开。
ESL的消除方法主要有两种：①采用图2a所示的电容交叉结构[22]，将电路进行等效变换，发现图2b中电容支路的ESL被消除；②构造电感与其他器件的互感，使其恰好等于ESL，那么在解耦后的等效电路中，电容支路的ESL得到消除。互感结构包括端口型和中心型两种，如图3[23]所示。
电感寄生电容的消除一般是通过添加补偿电容的方式实现，常见的添加方式主要有三种：①引入匝比为m∶1的耦合线圈并在一端连接补偿电容Ccomp，如图4a[24]所示。那么在图4b的等效电路中，当m(1m)Ccomp=Cp时，注入寄生电容Cp的电流ip被耦合电感电流ipri补偿，即消除了Cp的影响；②在电感器绕组中间抽头与地之间增加补偿电容[25]，若电容值为EPC的4倍，理论上可完全消除EPC；③利用两个电容之间的正向耦合互电容[26]，若互电容的值正好等于EPC的一半，可完全消除EPC。
图2 利用交叉结构的ESL消除方法
图3 利用电感器互感的ESL消除方法
图4 EPC消除示意图
关于近场耦合效应消除方法，研究对象大多集中在近场磁场耦合导致的互感参数[23,27]。最直接的方式是阻断磁路[28,29]，如将CM绕组旋转90°，以及对关键磁性元件施加屏蔽等。另一种方式是利用互感解耦后的负电感作用[30]。图5a给出了一种互感构造电路[26]，将该电路中互感解耦后，如图5b所示，利用等效负电感MA抑制原有互感M3的影响。
图5 利用互感消除磁场耦合参数的示意图
2 主电路优化方法
最常见的主电路优化方式是增加缓冲电路吸收开关动作时产生的尖峰[31]。图6为一种典型的吸收MOSFET开关尖峰的RCD缓冲电路。当MOSFET由导通转换为关断状态，由于吸收电容两端的电压不会突变，因此尖峰电压的上升速度得到限制，同时过电压产生的能量通过二极管向吸收电容充电，并在MOSFET重新导通时通过电阻得到释放。RCD缓冲电路可有效抑制开关管关断时的尖峰，且这种吸收电路是无源的，器件少、可靠性高。
图6 MOSFET的RCD缓冲电路
二极管的反向恢复电流也可采用适当的辅助电路实现抑制。以Boost电路为例，如图7[32]所示，将辅助二极管VD2、辅助电感L2与主功率电感L1的部分线圈串联，然后与主二极管VD1并联。在Q1开通时，利用辅助电感及辅助二极管构成的辅助电路进行分流，使主二极管VD1上的电流降为零，并维持到Q1关断。由于电感L2的作用，辅助二极管VD2上的反向恢复电流较小，可以忽略。这种方法还可以用于抑制输入、输出整流二极管恢复电流。
图7 二极管的反向恢复电流抑制电路
软开关技术可以视作一种复杂的缓冲网络，通过改善开关器件波形[33,34]使开关管在零电压或零电流条件下开通或关断，从而有效抑制du/dt和di/dt，降低噪声、改善电磁环境。以变换器零电压关断（Zero VoltageSwitching, ZVS）为例[35]，其噪声抑制与工作原理是：在主开关管关断过程中，利用并联缓冲电容限制主开关管关断时电压的上升率；在主开关管开通前，利用辅助电路实现缓冲电容上电荷的释放，当主开关管开通后，辅助电路就会停止运行。
值得注意的是，该类方法需要施加额外的辅助电路[36]，可能对主电路的稳定性产生影响[37]。同时，辅助器件可能引入额外的噪声源与噪声耦合通路。因此，电路（特别是软开关电路）总体电磁噪声是否能得到改善，需要有针对性地进行考察。
第二种主电路优化方案的核心思想是噪声耦合通路的补偿与平衡，较为典型的实现方式是共模反相消除技术[38]。以Boost电路为例，增加如图8[38]所示的反相补偿线圈和补偿电容，对流过Cg的电流进行反向补偿，使其无法传递到电源端口，进而降低共模干扰。该方法可应用于多种变换器，如半桥和反激变换器[39]等。
图8 Boost共模干扰反相消除电路
稳态节点共模EMI抑制技术可视作该方法的扩展，如图9[40]所示，将Boost电路的储能电感放置到电源负极与MOSFET的源极之间，进而在电路中构造稳态节点，利用二极管对散热器的电容实现对开关管漏极与散热器之间寄生电容的补偿，使其对开关管漏极与散热器之间寄生电容实现补偿，从而有效地降低共模干扰。在此基础上，还可以将变换器储能电感更换为连接于正线与负线的两端口耦合电感，强化电路的阻抗平衡性，使噪声抑制的效果更加理想[41]。
图9 构造稳态节点共模EMI抑制技术
平衡电桥补偿法[42]同样是利用噪声耦合路径的平衡补偿原理，通过在系统共模电压源与设备端口之间插入阻抗平衡电桥，使电桥中一条路径产生的共模电流能被另一条路径产生的电流所抵消，从而抑制整个系统的共模噪声。
需要说明的是，现有的基于补偿和平衡思想的噪声抑制措施主要针对共模噪声通路，特别是对开关器件与散热器之间的等效共模电容导致的噪声通路，进行补偿和平衡处理，对于差模噪声则难以采用类似的方式。并且，由于器件寄生效应的影响[42]，此类方法一般只能在中低频段内实现共模噪声的抑制。此外，通过调节开关器件与散热器之间导热硅脂的材质与厚度[43]，或对散热器结构进行合理隔离[44]，也能够在一定程度上实现类似的抑制效果。
第三种主电路优化是通过器件的优化选型和设计实现，其中，优化选型主要针对有源器件。与传统Si材料的有源器件相比，SiC材料的JFET[45]或二极管[46]恢复速度快，电压、电流尖峰较低。实验测试发现，使用SiC材料的开关器件可以较为显著的在宽频率范围内降低EMI水平[9]。
器件的优化设计则主要针对磁性元件，通过改变磁心材质、绕组结构、绝缘层的厚度[47]，可以有效降低磁性元件的集总杂散电容[48]，从而降低某些频段的噪声等级。此外，可以在储能耦合电感上附加额外耦合线圈，通过改变CM、DM噪声源阻抗，提升滤波器性能[49]，或使解耦后设备CM噪声等效电路形式发生改变，达到降低设备在储能电感与通路杂散电容谐振频段附近噪声水平的效果[50]。
需要指出的是，由于不同拓扑下各器件对传导噪声耦合路径的影响有明显差异，因此器件优化选型与优化设计对噪声的抑制效果也可能随拓扑改变而变化，需要结合具体实例进行验证。
3 控制策略优化
频率抖动（frequency jittering）技术[51]是一种典型的利用扩散频谱能量而降低谐波幅值的解决方案。其核心思想是在脉宽调制的同时，通过控制载波频率和频率偏移，使得开关频率围绕某个固定频率周期性变化[52]。
图10为频率抖动技术的原理，根据实现难易程度、边带重叠效应[53]等选取调制波和调制系数。调制频率和频率偏移的选择依据是在保证能量有效传递的同时，避免闭环振荡和磁性元件噪声。该技术可使谐波幅值明显降低[53]且变得平滑，高次谐波特性接近连续响应[54]。
图10 频率抖动技术原理
另一种降低EMI的控制策略优化方式是随机调制[55]。在随机调制技术中，随机数[56]应当有理想的随机性，这种随机性也被认为是随机调制技术优于频率抖动技术的所在。已有的研究成功地将随机调制技术应用于Buck型DC-DC变换器[56]、AC-DC反激变换器[57]、DC-AC逆变器等。通过对比功率谱密度、输出脉冲信号的频谱等，对调制技术的EMI抑制效果进行了对比分析[58]，但是缺乏对电源端口噪声特性的分析。
此外，利用混沌的宽频特性控制变换器的电磁干扰和提高变换器的电磁兼容能力[59,60]，也成为人们关注的重点。由于混沌序列的无规则及遍历性，混沌扩频后的PWM驱动脉冲功率谱密度连续化，因此，混沌控制技术在扩展频带抑制EMI方面优势明显。
一种经典的混沌PWM实现方式如图11所示[61]，通过蔡氏电路中电感器两端电压和一个与开关频率有关的直流量确定实际的开关频率，并将误差放大器的输出信号与锯齿波信号进行比较，由此产生PWM信号。
事实上，在考察控制策略对EMI性能的优化效果时，分辨率带宽（Resolution Bandwidth,RBW）的影响不可忽略[62]。现有的理论研究中，RBW通常未定义或者是非常窄，如300Hz[63]。这与通常EMC测试标准中规定的RBW相差很远，会导致对EMI抑制能力的过度估计。已有研究结果显示，若按照EMC标准规定的RBW进行检测，那么噪声抑制效果不如理论分析（低RBW）时理想[58]。
图11 一种混沌PWM控制结构示意图
另一个问题是，控制策略的优化是从频谱管理的角度将原有固定频率的噪声尖峰分散在其周围频段，并没有改变有源器件开关过程的电压、电流变化率，也并没有改变电路中的寄生参数。因此，这种优化效果在中低频段相对明显，但在高频段，特别是30MHz以上频段，寄生振荡的频谱能量占主导地位，控制策略的优化效果无法直接判断。
4 关键问题与研究方向
4.1 高频段噪声抑制
普通工业采用电力电子设备EMC标准要求的传导噪声频段为150kHz～30MHz[64]，其中较低频段的噪声虽然一般幅值较强，但大多数抑制措施都能在该频段内降低设备噪声发射水平。与此相对的，10MHz以上的中高频段噪声的产生机理及其耦合路径较为复杂，对抑制措施的设计与实施都提出了很高的要求。同时，一些抑制措施在原理上可能具有很好的抑制效果，但由于其在实施时存在各类非理想因素的影响，在中高频段的实际效果可能与理论分析出现较大差距，甚至产生负面效应。
器件寄生参数是一种抑制措施设计中常忽略的典型非理想因素。以滤波器无源器件寄生参数抑制为例，该方法通常需引入其他无源器件，而引入器件的自身寄生参数一方面可能会削弱噪声抑制的实际效果，另一方面为噪声引入了额外的通路，带来额外寄生效应，导致噪声实际抑制效果与理论分析不符。
又如，利用平衡电桥法抑制CM噪声时[42]，理论上当电桥阻抗高度对称时，可完全消除传导共模噪声，但电桥阻抗由于器件寄生效应产生的轻微不对称性即会显著影响抑制效果。因此在高频噪声抑制研究中，需要综合考虑非理想因素影响，更加合理的对传导噪声抑制措施进行设计与评估。
值得一提的是，车载环境设备传导噪声标准[65]检测要求的频段范围为150kHz～108MHz，而适用于该标准更高频段的抑制措施研究目前有所不足。鉴于电动汽车的快速发展，电力电子设备对高频噪声的抑制需求将会逐渐增大，已有抑制手段的改进或新型抑制方法的研究应当将高频噪声抑制的效果作为重要指标之一。
4.2 复杂工况对抑制措施的影响
现有电力电子设备抑制措施的实验验证大多在某种特定工况下进行，但在实际工业环境下，设备的工况往往较为复杂，需要对已有抑制措施在各种工况下的有效性进行分析。如变换器的工况改变时，设备整体端口源阻抗将发生显著变化，将对滤波器的实际抑制效果产生影响[15]。在输入输出电压变化范围较宽时，软开关技术的有效性也难以得到保证[36]。
设备运行中工作温度的动态变化会显著影响器件自身的特性[66]，使得宽温度范围下设备的噪声特征更加复杂[9]，增加了相应抑制措施的设计难度。为了保证设备噪声抑制措施的有效性，需要根据实际可能的工作条件，对特定抑制措施的抑制效果与影响分析进行深入研究，对该措施的适用范围进行界定，这将有利于噪声抑制研究的工程实际应用。
4.3 基于仿真的抑制措施设计及效能评估
目前部分抑制措施存在相应的定量仿真设计方法与抑制效果仿真手段的研究不足，具体表现为两方面：
一方面缺乏抑制措施设计中，相应指标的仿真方法，如部分抑制措施需要在储能电感的磁心引入额外线圈形成一定的自电感或与原线圈之间的互感量[38,50]，但由于缺乏对不同线圈绕制产生电感量的精确计算或仿真方法，可能需要多次实际尝试进行调整，不利于抑制措施的预设计；
另一方面表现在抑制手段对整体电路传导噪声抑制效果的仿真评估，例如针对频率抖动等控制策略与软开关技术的噪声抑制研究虽然从理论上进行了分析，但尚无法准确计算特定策略在整个频段内的抑制效果的方法，难以实现抑制措施在特定对象环境的调试与优化仿真工作。
同时，虽然前人研究中对各自独立的抑制措施效果进行了实测验证，但由于抑制措施的准确定量仿真手段的研究不足，难以对多个抑制手段针对同一设备对象的共同作用效果进行准确分析与估计，对设备级电磁兼容性整改工作造成了不便。
因此为了更好地设计与研究电力电子设备传导噪声抑制措施，需要结合数值计算方法与设备传导噪声发射仿真平台，进行抑制措施准确定量仿真方法的研究工作，从而为实现抑制措施的预设计与准确评估提供依据。
5 结论
本文根据大功率电力电子设备传导噪声抑制方法的不同，将其分为滤波技术、主电路拓扑优化、控制策略优化三类，并对每类抑制措施具体的实施手段进行了归纳与阐述，对其工作原理、特点与研究进展进行了详细分析，提出了目前抑制措施研究中在高频噪声抑制与非理想效应影响、复杂工况下抑制措施的适用性以及基于仿真的抑制措施设计与预估方法的不足与问题。
鉴于目前大功率电力电子设备研究发展规模与前景，其传导噪声抑制措施的深入研究仍然是该领域的重要科研内容。