中圖分類(lèi)號(hào)：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797(2025)12-0014-03

D0I:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.12.004

0 引言

如今電子產(chǎn)品無(wú)處不在，無(wú)論是生活中還是工業(yè)生產(chǎn)中，都離不開(kāi)電子設(shè)備。隨著電子系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，電子器件越來(lái)越多，電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響越發(fā)不容忽視，輕則對(duì)電子元器件性能產(chǎn)生影響，重則使元器件的功能出錯(cuò)、通信中斷等等，影響整個(gè)系統(tǒng)的功能和安全。

1電磁干擾產(chǎn)生的原因和抑制方法

系統(tǒng)電磁兼容性主要有兩個(gè)方面：電磁干擾（EMD和電磁敏感度(EMS)。電磁干擾(EMD是電子設(shè)備在自身工作中產(chǎn)生的電磁波，對(duì)外發(fā)射并對(duì)設(shè)備及其他設(shè)備造成干擾。電磁干擾是會(huì)干擾系統(tǒng)性能的電磁信號(hào)，通過(guò)電磁感應(yīng)、靜電耦合或傳導(dǎo)來(lái)影響電路。而EMS指設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不受整個(gè)環(huán)境中有害電磁噪聲影響的能力。對(duì)汽車(chē)、醫(yī)療以及測(cè)量設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)，如何消除或避免EMI是設(shè)計(jì)上的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對(duì)電力電子設(shè)備的電磁兼容性問(wèn)題，人們從不同電子器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1、開(kāi)關(guān)器件的工作特性[2]、高頻開(kāi)關(guān)的物理模型[3]等角度分析了EMI產(chǎn)生的機(jī)理，提出了電磁干擾產(chǎn)生的三個(gè)主要因素：干擾源、傳播途徑、受擾對(duì)象。由于系統(tǒng)中這三個(gè)要素之間的相互作用，當(dāng)設(shè)備在高頻率、大功率環(huán)境下工作時(shí)，電壓或電流突變，會(huì)引起很高的du/dt或di/dt，此時(shí)電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁能量就會(huì)通過(guò)差模干擾回路和共模干擾回路的寄生電容和電感，耦合到其他設(shè)備或系統(tǒng)中，引起電磁場(chǎng)的劇烈變化，產(chǎn)生有害的電磁干擾信號(hào)。

降低EMI噪聲有多種途徑：一是抑制噪聲源，二是隔離噪聲耦合路徑，三是采用濾波器和屏蔽技術(shù)。在近代電力電子系統(tǒng)中，由于廣泛使用大電流、高電壓、快速運(yùn)行的功率開(kāi)關(guān)器件，其開(kāi)關(guān)波形特性給系統(tǒng)帶來(lái)了高頻傳導(dǎo)和輻射噪聲。PWM(脈寬調(diào)制)作為開(kāi)關(guān)器件的核心控制模塊，其控制方式嚴(yán)重影響著整個(gè)系統(tǒng)的EMI問(wèn)題。展頻調(diào)制(也叫抖動(dòng))，對(duì)降低系統(tǒng)的EMI有著非常明顯的作用，是一種減少電磁干擾噪聲非常有效的方式。本文介紹了常見(jiàn)的PWM的展頻調(diào)制方式，以及不同展頻方式給系統(tǒng)的EMI降低帶來(lái)的收益和不足。

2 PWM的展頻方式

信號(hào)輻射的一個(gè)關(guān)鍵因素是信號(hào)的能量，當(dāng)信號(hào)的能量過(guò)于集中時(shí)，就容易導(dǎo)致信號(hào)能量在某一個(gè)頻點(diǎn)處產(chǎn)生很大的能量發(fā)射。展頻，也就是擴(kuò)頻時(shí)鐘，通過(guò)在一定的頻譜范圍內(nèi)分散時(shí)鐘信號(hào)的頻譜能量，分散集中在載波上的能量，可以有效降低EMI的峰值能量，減少EMI的影響。

PWM的展頻方式對(duì)PWM的EMI消除有著十分重要的作用，通常分為三種主要的展頻方式：周期性調(diào)制、隨機(jī)性調(diào)制以及混沌調(diào)制。

2.1 周期性調(diào)制

常見(jiàn)的周期性調(diào)制有正弦調(diào)制、三角波調(diào)制、HersheyKiss調(diào)制。在周期性調(diào)制中，有幾個(gè)重要的參數(shù)跟調(diào)制效果緊密相關(guān)：調(diào)制速度、調(diào)制系數(shù)、調(diào)制深度等。調(diào)制速度 (M_R) 是指輸出時(shí)鐘頻率f在設(shè)定的調(diào)制頻率范圍內(nèi)的變化速度。調(diào)制速度應(yīng)該遠(yuǎn)小于載波頻率，同時(shí)應(yīng)當(dāng)高于人耳可識(shí)別的頻率范圍以免產(chǎn)生噪聲。調(diào)制深度是指展頻后時(shí)鐘輸出頻率f以調(diào)制速度 M_R 偏移源時(shí)鐘頻率f的大小，調(diào)制深度以偏移 (Δf) 源時(shí)鐘頻率的百分比來(lái)表示，而調(diào)制深度往往決定了降低EMI峰值的大小。LaxmanSolankee等人[4在論文里對(duì)周期性調(diào)制做了詳細(xì)闡述，其調(diào)制形狀如圖1所示：正弦波、三角波和指數(shù)調(diào)制。其中，指數(shù)調(diào)制波形因?yàn)橥庑魏芟馠ersheyKiss公司的巧克力，所以又稱(chēng)為HersheyKiss調(diào)制。

采用不同的周期函數(shù)對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行擴(kuò)頻，擴(kuò)頻后的頻譜會(huì)有不同的能量分布。三種調(diào)制及其對(duì)應(yīng)的調(diào)制頻譜效果如圖2所示[5]。

圖2(a)調(diào)制函數(shù)為正弦函數(shù)，圖2(b)是周期正弦函數(shù)調(diào)制后的頻譜；圖2(c調(diào)制函數(shù)為三角波，圖2(d)是調(diào)制后的頻譜；圖2(e)是非線性HersheyKiss調(diào)制波形，而圖2(f則是調(diào)制后的頻譜?？梢?jiàn)三種調(diào)制函數(shù)均能將能量分散在一個(gè)頻帶上，對(duì)降低EMI都有明顯的作用。但也可以看到，對(duì)于正弦函數(shù)，其大部分的諧波能量集中在頻譜邊緣，有明顯的旁瓣效應(yīng)；三角波也有此現(xiàn)象，但相比較正弦函數(shù)來(lái)說(shuō)，已經(jīng)有了明顯的改變；而HersheyKiss調(diào)制，在整個(gè)帶寬中頻譜表現(xiàn)得比較平坦，沒(méi)有明顯的旁瓣現(xiàn)象。

周期性調(diào)制通過(guò)選擇調(diào)制參數(shù)可以限制邊帶范圍，但邊帶內(nèi)頻譜是離散的，峰值抑制能力不強(qiáng)。

2.2 隨機(jī)性調(diào)制

隨機(jī)調(diào)制技術(shù)是按照某種概率分布的隨機(jī)信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)信號(hào)，使得定頻PWM的開(kāi)關(guān)變成非周期的隨機(jī)信號(hào)，將集中在開(kāi)關(guān)頻率及其諧波頻率上的能量分?jǐn)傇谡麄€(gè)頻域帶寬范圍內(nèi)，功率譜呈現(xiàn)連續(xù)的頻譜特性，可以明顯抑制開(kāi)關(guān)功率電路中的EMI問(wèn)題。

根據(jù)隨機(jī)的PWM參數(shù)不同，隨機(jī)性調(diào)制又分為隨機(jī)頻率、隨機(jī)相位兩種調(diào)制方式。隨機(jī)頻率，即隨機(jī)PWM周期，就是 (n+1) 的周期 T_n+1 和 n 周期的 T_n 是不同的、隨機(jī)的，但是脈沖的上升時(shí)間是固定的，即占空比不同。而隨機(jī)相位是指PWM的周期是固定的，而脈沖的上升時(shí)間是不固定的。王顥雄等人[6對(duì)這兩種隨機(jī)方式都進(jìn)行了分析和研究。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)周期調(diào)制和隨機(jī)脈沖位置調(diào)制都能降低系統(tǒng)的EMI，但隨機(jī)周期的功率譜更加連續(xù)，對(duì)EMI的抑制更加有效。

隨機(jī)脈沖和隨機(jī)頻率并不是割裂的，李堯等人[7]將隨機(jī)脈沖位置與隨機(jī)頻率結(jié)合，有效降低了開(kāi)關(guān)頻率以及倍頻處的高頻噪聲，雙隨機(jī)的電壓功率譜密度比單隨機(jī)的電壓功率譜密度更低，而且電壓功率譜密度分布更加平滑。

在工程中，隨機(jī)調(diào)制的實(shí)現(xiàn)有多種隨機(jī)化過(guò)程，薛開(kāi)昶等人[8利用通信領(lǐng)域的逆m序列，提出了一種低硬件成本和高EMI峰值抑制效果的方式，其利用了逆m序列的良好隨機(jī)性以及二進(jìn)制移相鍵控技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。為解決因隨機(jī)調(diào)制策略中的隨機(jī)程度過(guò)大導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)頻率變換器中輸出電壓波動(dòng)及精度下降問(wèn)題，王斌等人提出了結(jié)合馬爾可夫鏈的雙隨機(jī)PWM技術(shù)，在不影響連續(xù)功率頻譜特性的前提下，能夠有效改善電壓輸出精度。

2.3 混沌調(diào)制

鑒于工程中隨機(jī)調(diào)制中隨機(jī)信號(hào)都是偽隨機(jī)信號(hào)，其受序列長(zhǎng)度的限制，對(duì)隨機(jī)性能有一定的影響，而且生成方法相對(duì)復(fù)雜，所以研發(fā)人員將混沌隊(duì)列引入了PWM調(diào)制?；煦缦到y(tǒng)具有內(nèi)在隨機(jī)性，即使簡(jiǎn)單的迭代公式也可以產(chǎn)生十分復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，因此可以利用混沌信號(hào)代替?zhèn)坞S機(jī)信號(hào)，構(gòu)造混沌

PWM調(diào)制方法。李冠林等人[o]分析了logistic映射混沌隊(duì)列以及Chua's混沌隊(duì)列調(diào)制的功率譜密度，同時(shí)與傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比，由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，混沌PWM調(diào)制可以明顯降低電機(jī)發(fā)出的電磁噪聲，而且頻譜比較連續(xù)。

2.4 混合調(diào)制

無(wú)論是周期性調(diào)制、隨機(jī)性調(diào)制還是混沌調(diào)制，都不能在充分降低諧波峰值的同時(shí)又限制邊帶擴(kuò)展范圍，以減少諧波向低頻處擴(kuò)展。齊琛等人[提出了一種混合PWM調(diào)制的方法，其利用周期正弦函數(shù)疊加混沌序列，也就是用混沌序列調(diào)制正弦函數(shù)的頻率，來(lái)生成新的調(diào)制函數(shù)，利用新產(chǎn)生的調(diào)制函數(shù)來(lái)調(diào)制PWM波，論文給出了正弦、三角波以及各自結(jié)合logistic、cubic混沌信號(hào)的頻譜波形，可以看到混合調(diào)制后頻譜形狀和相應(yīng)周期性調(diào)制頻譜形狀相似，邊帶范圍基本不變，而且調(diào)制后諧波連續(xù)分布，所以其峰值下降程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周期性調(diào)制，擁有了周期調(diào)制和混沌調(diào)制各自的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了電力電子系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)電路存在的EMI問(wèn)題，同時(shí)集中介紹了PWM展頻技術(shù)在降低EMI方面的應(yīng)用，闡述了當(dāng)前常見(jiàn)的PWM展頻方式一一周期性展頻、隨機(jī)性展頻、混沌展頻等及其各自的特點(diǎn)以及存在的問(wèn)題。在了解到這些展頻方式及其特點(diǎn)后，可以根據(jù)系統(tǒng)的具體需求，結(jié)合實(shí)現(xiàn)難度、邊帶效應(yīng)、降低EMI的峰值大小等，選擇合適的展頻設(shè)計(jì)方案。

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