技術資訊 I 如何減少逆變器中的電磁干擾

耀創(chuàng)深圳

本文要點

逆變器是用于將輸入直流電轉換為輸出交流電的一種電路。

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

使用軟開關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、電機驅動等。逆變器是一種電力電子轉換器，能夠將輸入的直流電轉換為具有所需振幅和頻率的交流電。

逆變器使用開關器件，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生電磁干擾，以及可用于降低電磁干擾的軟開關方法。

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逆變器的運行和電磁干擾的產生

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。根據開關器件導通和關斷的頻率（開關頻率），輸出電壓將更接近正弦波。

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


逆變器

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逆變器硬開關產生的電磁干擾

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

在硬開關操作時，電源開關會出現較大的 dv/dt 和 di/dt 值，從而產生電磁干擾。逆變器工作時產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 PWM 逆變器相關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計人員必須高度重視的問題。在這方面，有多種技術可供選擇；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和交流側的電磁干擾。然而，即便這些濾波器能減少電磁干擾，硬開關仍會產生電磁干擾。因此，我們要使用軟開關來減少電磁干擾的產生。

軟開關


當逆變器中電源開關兩端的電壓和/或通過的電流為零時，其開關狀態(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逆變器。逆變器的軟開關不僅能減少電磁干擾，還能減輕開關應力和開關功率損耗。

在開關兩端電壓為零的一瞬間接通或斷開開關，就屬于一種軟開關，稱為零電壓開關 (ZVS)。零電流開關 (ZCS) 是另一種軟開關，它們在通過開關的電流為零的一瞬間改變開關狀態(tài)。使用軟開關的逆變器統(tǒng)稱為諧振逆變器。

隨著軟開關的引入，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，以及近乎無限的容量和測量級精準度，可將系統(tǒng)級 EMI 仿真速度最高提升10倍，完成之前非常耗時且需要昂貴的消聲實驗室才能進行的產品原型機電磁兼容性（emc）測試，仿真之前被視為不切實際或無法求解的大型設計，縮短設計周期并加速產品上市。

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原文由Cadence楷登PCB及封裝資源中心整理撰寫。
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