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    提高DC/DC轉(zhuǎn)換器EMC性能的新策略

    發(fā)布時(shí)間:2008-10-09

    中心議題:

    • 基于混沌現(xiàn)象的寬頻譜特性提出一種新的DC/DC轉(zhuǎn)換器控制策略
    • 推導(dǎo)能夠產(chǎn)生可控幅度混沌序列的Logistic映射形式
    • 利用混沌序列對(duì)電流滯環(huán)控制策略的電流參考值進(jìn)行擾動(dòng)
    • 仿真研究證明該控制策略可以改善的DC/DC轉(zhuǎn)換器電磁兼容性能

    解決方案:

    • 通過擴(kuò)展頻譜的方法,降低DC/DC在開關(guān)頻率及其諧波頻率上的EMI
    • 電流設(shè)定值在原有值基礎(chǔ)疊加一個(gè)在ΔImax內(nèi)波動(dòng)的混沌序列,擴(kuò)展電流波形頻譜
    • 利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)觀察在兩種控制策略下,Boost變換器電感電流功率譜的變化

    近年來由于各種電氣、電子設(shè)備數(shù)量的急劇增加,使設(shè)備間的電磁兼容性(EMC)日益受到了人們的重視。歐共體已經(jīng)規(guī)定,從1996年1月1日起進(jìn)入歐共體市場(chǎng)的電子、電氣產(chǎn)品必須符合相關(guān)的EMC標(biāo)準(zhǔn),否則不允許在歐洲市場(chǎng)流通。因此,為了提高電子、電氣產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力,EMC性能是一個(gè)不容忽視的問題。

    采用脈寬調(diào)制(PWM)模式控制的DC/DC電源模塊在正常工作時(shí),所有的電壓電流波形都是周期的。因此,在開關(guān)頻率及其諧波頻率上會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾(EMI),從而使整個(gè)設(shè)備不能滿足相關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)的要求。
    [page]  
    混沌現(xiàn)象是近年來非線性理論研究的一個(gè)熱點(diǎn)?;煦缧蛄芯哂蓄愃齐S機(jī)序列的寬頻譜特性,且易于產(chǎn)生。本文利用混沌序列的特點(diǎn),提出了一種新的DC/DC轉(zhuǎn)換器控制策略,該控制策略降低了變換器在開關(guān)頻率及其高次諧波頻率上的EMI。

              
    Logistic映射有多種表達(dá)式,如式1所示是常見的一種。 
     
    把u做為分叉參數(shù),由分叉理論可知,當(dāng)u=3和 時(shí)系統(tǒng)分別產(chǎn)生周期2和周期4不動(dòng)點(diǎn)。系統(tǒng)發(fā)生混沌的臨界值 
     
    式中δ≈4.6692為Feigenbaum常數(shù)。代入數(shù)值計(jì)算,uc≈3.5714,如圖1a所示。由圖可知,當(dāng)分叉參數(shù)u=4時(shí),x系統(tǒng)處于混沌狀態(tài),變量x在區(qū)間(0,1)內(nèi)取值。

    為了得到可在任意范圍內(nèi)取值,且其均值為0的混沌序列,做如下變換: 
     
    代入式(1),令u=4并且在滿足迭代序列平均值為0條件下,整理得到 
     
    為了便于表述,稱式(4)為變形Losgistic映射。利用變形Losgistic映射得到的混沌序列,其取值圍由參數(shù)a控制,且均值為零。當(dāng)a=0.4時(shí)得到的在(-0.2,0.2)內(nèi)取值的混沌序列如圖1c所示。 
     

     
    (a)Logistic映射分叉圖
     


    (b)Logistic映射產(chǎn)生的混沌序列(u=4) 
     


    (c)變形Logistic映射產(chǎn)生的混沌序列(a=0.4)

    圖1Logistic映射

    新控制策略的原理
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    如圖2所示為一種常見的DC/DC控制策略——滯環(huán)控制策略。該控制策略限定了電感電流波動(dòng)的最大值ITop和最小值Ibotton,電感電流波形如圖3a所示。此時(shí),電感電流為周期的,變換器有固定的開關(guān)周期T。設(shè)電感電流為ILp(t),則 
     
    式中T為開關(guān)周期。對(duì)式(5)做傅里葉變化,應(yīng)用移位定理并整理得 
     
    式中ILp(w)是ILp(t)的傅里葉變換。因?yàn)?nbsp;
     
    可以看到,由于在該工作模式下電流波形是一個(gè)周期波形,從頻域的角度,電流的頻譜是離散的,所以電流的能量集中在開關(guān)頻率及其高次諧波上,使這些頻率上的電流分量較大,頻率的EMI也較大。 
     

     

     

    通過分析相應(yīng)的EMC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn),該標(biāo)準(zhǔn)往往是對(duì)在一定范圍內(nèi)的EMI的最大值進(jìn)行了規(guī)定,而工作在周期狀態(tài)下的DC/DC模塊在開關(guān)頻率或其諧波頻率上的EMI可能會(huì)超過規(guī)定值,從而使該DC/DC模塊不能遵守該EMC標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí),可以通過擴(kuò)展頻譜的方法來提高降低DC/DC在開關(guān)頻率及其諧波頻率上的EMI來滿足相應(yīng)的EMC標(biāo)準(zhǔn)?;诖吮疚奶岢龅男碌目刂撇呗裕?/p>

    為了擴(kuò)展電流波形的頻譜,讓電流設(shè)定值(IBottom與ITop)在原有值的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)在ΔImax內(nèi)波動(dòng)的混沌序列,如圖3b所示。此時(shí)電感電流的波形不再是周期波形,式(5)、(6)也不成立,電感電流的頻譜由離散狀態(tài)變?yōu)檫B續(xù)狀態(tài)。這樣,集中在開關(guān)頻率及其諧波上的能量得到擴(kuò)散,大大減低了在這些頻率上的電流分量,使DC/DC模塊更容易滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)的要求。

    仿真研究
    采用新控制策略的Boost變換器其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。 
     

     

    為了驗(yàn)證新方法的有效性,利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)觀察在兩種控制策略下,Boost變換器電感電流功率譜的變化。令兩種控制策略下的Boost變換器,其各元件值相同:R=10Ω,L=1mH,C=47μF,us=10V。又令I(lǐng)Top=0.4A,IBottom=0.38A,ΔImax=0.005A。

    仿真結(jié)果如圖5所示,為了便于同EMC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照,電流功率譜采用對(duì)數(shù)表示。在開關(guān)頻率fs及各次諧波上電流的減小如表1所示。 
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    (a)滯環(huán)控制策略的電感電流及其功率譜
      

     


    (b)新控制策略的電感電流及其功率譜
    圖5仿真結(jié)果

    結(jié)論
    本文指出DC/DC變換器在開關(guān)頻率及其高次諧波上有著較強(qiáng)的電磁干擾發(fā)射,其主要原因是電路中的電流波形是周期的。為了擴(kuò)展電路中電流的頻譜,利用混沌序列對(duì)滯環(huán)控制策略的電流參考值進(jìn)行擾動(dòng),破壞了電路中電流的周期性。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明,這種控制策略擴(kuò)展了電感電流的頻譜,降低了在開關(guān)頻率及其各次諧波頻率上的電磁干擾發(fā)射,因此新控制策略可以提高DC/DC變換電源的電磁兼容性。
     

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