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随机PWM可降低噪声并减少三相逆变器应用中的辐射

2019-05-24 09:30
Dialog半导体
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在功率电子中,根据特定应用,已经成功地采用了几种脉冲宽度调制(PWM)方案。大多数传统PWM方案(本质上是确定性的)生成预定的谐波含量。这可能会在实际应用中产生许多问题,如噪声、无线电干扰和机械振动。在需要减轻对环境和其他设备的干扰的应用中,例如工业电机驱动器、牵引驱动器、电动汽车,传统的PWM方案因自身原因不能高效地运行,需要添加如电磁干扰(EMI)滤波器等附加设备。有一种方法可以应对这些问题,就是增加传统PWM方案的开关频率,即> 18kHz。不过,这会导致开关损耗显著增加。在这种应用中,已经发现随机脉冲宽度调制(RPWM)可以有效地减轻这些问题,且不用显著增加开关频率。

在RPWM中,每个开关脉冲的宽度随机变化。这导致谐波簇在很大范围内扩散,从而减小了单独滤波器的尺寸,或完全避免在某些应用中使用滤波器。RPWM技术已成功用于许多功率电子应用中,例如 在需要检查噪声的工业电机控制驱动器中。

通常,使用DSP和FPGA实现用于复杂商用系统的高频PWM和RPWM信号。不过,这些器件更通用、功能更强大、且更灵活,自然也就比较贵。使用低成本的Dialog CMIC可以满足RPWM生成所需的相似精度和高频时序要求。许多合适的RPWM方案,尤其是开环应用,可以用Dialog CMIC来实现。因此,嵌入式DSP、MCU或FPGA的显式编程或编码可以由GreenPAK? designer中提供的简单接口所取代。此外,整个控制电路的尺寸也会显著减小。

有几种方法可以为三相逆变器应用生成RPWM。此应用笔记中,我们介绍了一种合适的RPWM技术,它可以使用现成的GreenPAK CMIC资源来实现。RPWM技术使用双矩阵CMIC SLG46620实现。还提供了适当的理论建议和实验结果,包括输出电压波形及其谐波含量,可以证明所建议的策略是合理的。

建议的RPWM方案

驱动三相逆变器的RPWM方案的框图如图1所示。

随机PWM可降低噪声并减少三相逆变器应用中的辐射

图1:建议方案的框图

两个锯齿信号,标记为p2和p3(值范围:0-1),相位相差180°C,与恒定值p1(值范围:0-1)进行比较,得出标记为p5和p6的不同类型的脉冲。p5和p6脉冲的波形如图2和图3所示。采用图4所示波形的二进制伪随机数发生器(标记为p4),使用上面框图中所示的逻辑运算符从信号p5和p6中随机选择一个脉冲。这会生成一系列脉冲p10,如图5所示。信号p10通过AND门,同样的还有脉冲发生器1到6所生成的10ms长脉冲,标记为p11、p12、p13、p14、p15和p16。请注意,对于完整的180?C导通模式,脉冲发生器的输出脉冲相对于彼此有60?C的相位差。最后,在AND操作之后,信号p17、p18、p19、p20、p21和p22成为三相逆变器的功率级中采用的功率开关的栅极驱动信号。

根据施加的栅极信号接通和断开开关(通常是MOSFET或IGBT),以获得逆变器输出端的三相平衡电压波形。

随机PWM可降低噪声并减少三相逆变器应用中的辐射

图2:RPWM方案中几个阶段的模拟信号波形

在Matlab/Simulink环境中对50 Hz(基波)RPWM三相逆变器系统进行仿真,相间输出波形如图3所示。输出电压波形有效地由随机信号p10调制,并实现120 ?C 的相移。

随机PWM可降低噪声并减少三相逆变器应用中的辐射

图3:模拟的输出相间电压波形

参考值的选择

参考信号p1提供了一种根据主观声响应控制特定应用的逆变器输出的频谱内容的方法。从1到0.5的参考值变化使频谱内容变平,从而减轻了开关频率倍数处的尖峰。不过,这也降低了信号基波分量的幅度。图4显示了对于Vdc = 312V和载波频率= 12.5kHz,输出相间电压的频谱内容如何在参考值从p1 = 0.8减小到p1 = 0.5时发生变化。

随机PWM可降低噪声并减少三相逆变器应用中的辐射

图4:频谱随参考值的变化而变化

不推荐将参考值进一步降低到0.5以下,因为开关频率的倍数尖峰开始增多,而且基波分量也会降低。

GreenPAK 设计

随机PWM可降低噪声并减少三相逆变器应用中的辐射

图5:SLG46620在RPWM方案中的角色

图5显示了Dialog CMIC SLG46620如何在整个方案中发挥功能。CMIC的基本操作是生成随机PWM调制信号,该信号施加在逆变器功率级中使用的开关装置的栅极端子处。

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