如何減少逆變器中的電磁干擾

本文要點(diǎn)

逆變器是用于將輸入直流電轉(zhuǎn)換為輸出交流電的一種電路。

在高頻開關(guān)操作時(shí)，電源開關(guān)會產(chǎn)生較大的 dv/dt 和 di/dt 值，從而導(dǎo)致逆變器中產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。

使用軟開關(guān)的逆變器稱為諧振逆變器。

逆變器是用于將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為輸出交流電的一種電路。逆變器可用于電池供電系統(tǒng)、可再生能源系統(tǒng)、不間斷電源、電機(jī)驅(qū)動等。逆變器是一種電力電子轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⑤斎氲闹绷麟娹D(zhuǎn)換為具有所需振幅和頻率的交流電。

逆變器使用開關(guān)器件，無論在何處使用，逆變器都是電磁干擾的主要來源，因此，如何減少逆變器的電磁干擾是工業(yè)系統(tǒng)工程師面臨的一大難題。在本文中，我們將討論逆變器如何產(chǎn)生電磁干擾，以及可用于降低電磁干擾的軟開關(guān)方法。

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逆變器的運(yùn)行和電磁干擾的產(chǎn)生

逆變器的輸入可以是電池、光伏板、燃料電池或任何直流電源。通過正確控制 BJT、MOSFET 或 IGBT 等開關(guān)器件，可在輸出端獲得具有所需振幅和頻率的交流電壓。根據(jù)開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷的頻率（開關(guān)頻率），輸出電壓將更接近正弦波。

通常，逆變器采用脈寬調(diào)制 (PWM) 方案來控制開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。較高的開關(guān)頻率可降低輸出電壓中的諧波含量（即總諧波失真，THD），并向連接的負(fù)載提供正弦波形。然而，在選擇高開關(guān)頻率來降低 THD 的過程中，會導(dǎo)致逆變器中產(chǎn)生電磁干擾。

逆變器

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逆變器硬開關(guān)產(chǎn)生的電磁干擾

硬開關(guān)是指逆變器中的開關(guān)器件。當(dāng)電源開關(guān)接通時(shí)，其兩端的電壓為零，并有一定的電流流過。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電流停止流動，其兩端電壓有一個(gè)確定的值。器件從接通到關(guān)斷，其兩端電壓變化很大。同樣，從關(guān)斷到接通也會導(dǎo)致電流發(fā)生劇烈變化。這種類型的開關(guān)稱為硬開關(guān)。

在硬開關(guān)操作時(shí)，電源開關(guān)會出現(xiàn)較大的 dv/dt 和 di/dt 值，從而產(chǎn)生電磁干擾。逆變器工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾會誤觸發(fā)自身的控制電路，或干擾附近的電路。因此，減少與硬開關(guān) PWM 逆變器相關(guān)的電磁干擾非常重要。

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如何減少逆變器中的電磁干擾

確定如何減少逆變器中的電磁干擾是設(shè)計(jì)人員必須高度重視的問題。在這方面，有多種技術(shù)可供選擇；EMI 濾波器就是其中一種方法，通常用于逆變器的輸入端和輸出端，以減少 EMI。

EMI 濾波器有很多類型，包括共模 EMI 濾波器和差分 EMI 濾波器，用于最大限度地降低逆變器直流側(cè)和交流側(cè)的電磁干擾。然而，即便這些濾波器能減少電磁干擾，硬開關(guān)仍會產(chǎn)生電磁干擾。因此，我們要使用軟開關(guān)來減少電磁干擾的產(chǎn)生。

軟開關(guān)

當(dāng)逆變器中電源開關(guān)兩端的電壓和/或通過的電流為零時(shí)，其開關(guān)狀態(tài)會發(fā)生變化（由接通變成斷開，反之亦然），這種逆變器就是軟開關(guān)逆變器。逆變器的軟開關(guān)不僅能減少電磁干擾，還能減輕開關(guān)應(yīng)力和開關(guān)功率損耗。

在開關(guān)兩端電壓為零的一瞬間接通或斷開開關(guān)，就屬于一種軟開關(guān)，稱為零電壓開關(guān) (ZVS)。零電流開關(guān) (ZCS) 是另一種軟開關(guān)，它們在通過開關(guān)的電流為零的一瞬間改變開關(guān)狀態(tài)。使用軟開關(guān)的逆變器統(tǒng)稱為諧振逆變器。

隨著軟開關(guān)的引入，減少逆變器中的電磁干擾變得更加輕松。而如果想減少EMI，Cadence Clarity 3D Transient Solver 采用突破性的電磁仿真技術(shù)，以及近乎無限的容量和測量級精準(zhǔn)度，可將系統(tǒng)級 EMI 仿真速度最高提升10倍，完成之前非常耗時(shí)且需要昂貴的消聲實(shí)驗(yàn)室才能進(jìn)行的產(chǎn)品原型機(jī)電磁兼容性（EMC）測試，仿真之前被視為不切實(shí)際或無法求解的大型設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期并加速產(chǎn)品上市。

上述特性讓 Clarity 3D Transient Solver 成為超大規(guī)模計(jì)算、汽車、移動和航空市場很多復(fù)雜應(yīng)用的理想選擇。