降低逆變器傳導(dǎo)噪聲濾波算法的選擇與驗(yàn)證

張蕾　吳娜

摘 要：軍民用逆變器產(chǎn)品在電磁兼容方面都有著嚴(yán)格的要求。傳導(dǎo)發(fā)射是電磁兼容設(shè)計(jì)中的重要問題之一。該研究根據(jù)對傳導(dǎo)噪聲和共模電壓的特性分析，并對幾種濾波算法的實(shí)現(xiàn)方式、適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，選擇了一種濾波算法，并對該濾波算法的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：傳導(dǎo)噪聲 共模電壓 濾波 逆變器

中圖分類號：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0232-02

Abstract：There is a strict requirement for both military and civilian inverter products in electromagnetic compatibility. Conducting emission is one of the important problems in the design of electromagnetic compatibility.According to the characteristic analysis of the transmission noise and common mode voltage，the paper chooses a filtering algorithm，which is based on the comparison of the implementation，the scope of application，and the advantages and disadvantages of several filtering algorithms.

Key Words：Transmission noise；Common mode voltage；Filtering algorithm；Inverter

目前，逆變器產(chǎn)品的電磁兼容越來越受到關(guān)注，軍民用逆變器產(chǎn)品在電磁兼容方面都有著嚴(yán)格的要求。傳導(dǎo)發(fā)射是電磁兼容設(shè)計(jì)中的重要問題之一。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中為了滿足標(biāo)準(zhǔn)中對傳導(dǎo)發(fā)射限制的要求，通常使用濾波技術(shù)來抑制傳導(dǎo)噪聲。選擇一種滿足需要的濾波算法是解決傳導(dǎo)噪聲的關(guān)鍵。

1 傳導(dǎo)噪聲分析

傳導(dǎo)噪聲根據(jù)傳輸特性產(chǎn)生分成兩類；包括共模噪聲和差模噪聲。差模噪聲適當(dāng)兩條電源線的電流方向互為相反時(shí)發(fā)生的，而共模噪聲適當(dāng)所有電源線的電流方向相同時(shí)同時(shí)發(fā)生的，如圖1所示[1]。

針對逆變電源的使用環(huán)境，如果電路中存在不等值的負(fù)載或線路阻抗，就會(huì)將共模電流轉(zhuǎn)化成部分共模電流和部分差模電流。當(dāng)逆變器供電時(shí)，如果電路中具有不等值阻抗，共模噪聲將差動(dòng)方式作用于電路，電路具有發(fā)生錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。所以，當(dāng)存在共模電流時(shí)，需要首先降低共模噪聲。并且根據(jù)共模和差模的特性，在實(shí)際的電源電路里，差模噪聲很像是一個(gè)電壓源，共模噪聲比較像一個(gè)電流源，使得共模噪聲更難消除。所以在逆變器濾波設(shè)計(jì)中，如何消除共模噪聲是最大的難題。

消除共模噪聲主要從硬件濾波以及軟件濾波兩部分考慮。其中硬件濾波包括：外加濾波器，增加濾波電路以及改變逆變器內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方式，但這些方法的缺點(diǎn)是逆變器的重量和體積都會(huì)有所增加，控制系統(tǒng)復(fù)雜，需要對系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)部分都進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，這樣就降低了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。所以需要從逆變器的軟件設(shè)計(jì)中找出抑制共模噪聲的方案。

2 共模電壓的傅立葉分析

該節(jié)以SPWM結(jié)構(gòu)的逆變器為例分析共模電壓的諧波成分，找到消除供模噪聲的方法。

（1） 基波成分振幅為0，即共模電壓中不含頻率為調(diào)制波頻率的成分；

（2） 諧波成分載波頻率奇數(shù)倍處存在諧波，偶數(shù)倍處無諧波；

（3） 共模電壓的諧波幅值不遂載波頻率大小的變化而變化，但隨載波頻率的變化而發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，且載波頻率出的諧波幅值最大。

3 濾波算法的選擇

在濾波設(shè)計(jì)中需從濾除電壓的高頻特性方面進(jìn)行選擇。目前主流的濾波方法主要包括：

（1）算術(shù)平均濾波法。連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。適用于一般具有隨機(jī)干擾的信號地濾波。但對于測量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用。

（2）加權(quán)遞推平均濾波法。對不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)，適用于有較大純滯后時(shí)間常數(shù)的對象和采樣周期較短的系統(tǒng)。但不能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度，濾波效果差。

（3）中位值平均濾波法。連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。適用于有較大純滯后時(shí)間常數(shù)的對象和采樣周期較短的系統(tǒng)，但測量速度較慢，比較浪費(fèi)RAM。

根據(jù)共模電壓的特點(diǎn)，針對以上算法的實(shí)現(xiàn)方式和適用范圍，中位值平均濾波法在選擇采樣數(shù)N適宜的情況下，滿足高頻濾波的功能，又避免了運(yùn)算量大的缺點(diǎn)。所以在逆變器的濾波設(shè)計(jì)中應(yīng)用了N=12的中位值平均濾波算法，并對逆變器進(jìn)行了消除傳導(dǎo)噪聲的試驗(yàn)。

4 濾波效果的驗(yàn)證

對逆變器樣機(jī)按照GJB152A進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)，濾波前后的試驗(yàn)曲線如圖2所示：

比對圖2（a）與（b）可以看出，加入N=12的中位值平均濾波算法后，逆變器在10k-10M頻率范圍內(nèi)，電源傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)dB曲線較無濾波狀態(tài)下改善效果明顯，將dB值的尖峰值大大降低，控制在國家軍用標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，滿足逆變器的設(shè)計(jì)需要。

5 結(jié)語

該研究在分析了逆變器傳導(dǎo)噪聲及共模電壓特性后，對目前使用廣泛的幾種濾波算法的實(shí)現(xiàn)方式、適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較之后，在逆變器數(shù)字控制中，加入了采樣數(shù)較小的中位值平均濾波算法，既避開了大量的運(yùn)算，又使用較為簡單的運(yùn)算方式，并通過實(shí)際的試驗(yàn)，驗(yàn)證了該濾波算法對系統(tǒng)濾波方面起到了較好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮成.傳導(dǎo)噪聲分析技術(shù)在濾波器中的應(yīng)用[J].世界電子元器件，2009（9）：59-61.

[2] 馬永健.EMC設(shè)計(jì)工程實(shí)務(wù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[3] 姜艷姝.消除PWM逆變器輸出共模電壓的有源噪聲消除器的仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2013.