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数字有源电磁干扰滤波器在电弧焊逆变器中的延时解耦分析
摘要：由于具有控制性好，体积小，效率高等优点，开关和数字控制的抽象弧焊逆变电源得到了广泛的应用。随着开关频率的不断提高和电弧焊机尺寸的减小，传导电磁干扰（EMI）变得严重，尤其是共模（CM）传导EMI。同时，随着数字处理技术的发展，采用数字控制和嵌入式的数字有源EMI滤波器（DAEF）技术已成为一个热门研究课题。然而，传统的DAEF没有考虑时间延迟效应。其模型无法准确描述DAEF过滤行为。而且，去耦电路缺乏科学的设计方法。为了解决这些问题，本文提出了一种考虑数字处理部分的时延和无源元件寄生参数的精确DAEF模型。此外，基于阻抗匹配原理，提出了解耦电路的详细科学的设计方法。同时，对嵌入DAEF的弧焊逆变器系统进行设计，建模和补偿。最后，实验结果表明，所提出的精确模型能够准确预测系统滤波性能。所提出的去耦电路设计方法对抑制CM传导EMI非常有效。嵌入式DAEF可以提高系统稳定性和动态性能。
索引术语 - 电磁干扰，数字有源EMI滤波器，延迟模型，去耦，CM传导EMI，嵌入式。
- 导言
具有开关功率变换和数字控制的弧焊机是目前电弧焊技术领域的研究热点[1]。 现在正朝着数字化和智能化的方向发展。 这对弧焊逆变器电源提出了更高的要求，如稳定的控制能力[2]，[3]，灵活的动态响应能力[1] - [4]和良好的EMI性能[5] - [7]等。随着开关频率的不断提高和电弧焊机尺寸的减小，电磁干扰问题不可避免地成为一个严重的问题[8]，[9]，特别是对于CM传导EMI。 CM传导EMI不仅影响公共电网，还影响周边电子设备的运行。而且，弧焊逆变器本身的稳定性和可靠性也会受到影响。面对这些严重的EMI问题，EMI最小化方法的任务变得越来越重要。为了抑制传导EMI，最常用的方法是设置EMI滤波器。传统EMI滤波器可分为：无源EMI滤波器（PEF），有源EMI滤波器（AEF）和混合有源EMI滤波器（HAEF）。 PEF因其简单性和可靠性而被广泛使用[10] - [18]。然而，它们具有体积大，重量大，不可接受的部件损失和高频率性能差等缺点。这些使他们很难满足电力电子设备的关键设计要求。 AEF利用EMI灵敏度，反向放大和高灵活性注入的闭环控制[19] - [25]。他们克服了与PEF相关的规模和损失的缺陷。但由于增益带宽的限制，AEF不善于抑制高频噪声和高幅度电流噪声。考虑到PEF和AEF的特点，HAEF被引入以充分利用无源滤波元件和有源放大电路[26] - [31]。但是，增益带宽问题依然存在。很难在很宽的频率范围内获得更好的抑制效果。而且，放大器的附加电压供应仍然是一个应用瓶颈。尽管如此，这些贡献对电力电子和EMI研究来说非常重要。人们普遍认为，这一研究线尚未达到其大多数。众所周知，随着高速高精度FPGA（现场可编程门阵列），模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）等数字处理技术的进步，使用DAEF技术的梦想减少传导EMI已成为现实。如[32]中所述，DAEF的概念在2012年由皇后大学首先提出。它是一种使用数字信号处理技术的有源EMI滤波器。由于信号不再是传统的模拟信号，重建过程可以通过各种数字控制方法更加精确。更重要的是，它打开了一个新的想法，它使用数字主动控制器来抑制传导EMI。
在过去几年中，DAEF的有效性已在光伏并网逆变器[33]，电动车辆转换器[34]和其他开关功率转换器[35]中得到验证。根据CM EMI和DM EMI的实际情况，可以选择性地抑制CM和DM EMI的方案在[36]，[37]中报道。 DAEF通过感应EMI，ADC采样，数字补偿计算，DAC输出和注入EMI消除，形成数字闭环控制系统。但是，这些DAEF技术仍然存在一些问题。首先，传统模型忽略了时间延迟（数字处理部分）对EMI滤波性能的影响。它无法准确描述DAEF过滤器的行为。其次，感应点与注入点之间的解耦机制尚不明确。因此解耦电路缺乏科学的设计方法。针对上述问题，本文提出了一种精确的数字有源EMI滤波模型，以减少电弧焊逆变器的CM传导EMI。数字有源滤波方法的主要贡献如下：1）提出了一种嵌入式DAEF精确模型。该模型考虑了数字处理部分的时间延迟和无源部件的寄生参数。详细分析了时延对EMI滤波性能的影响。 2）基于阻抗匹配原理，提出了传感与注入点之间的解耦机制。并提出了解耦电路的详细科学设计方法。 3）设计了嵌入DAEF控制器的弧焊逆变器数字控制系统。分析了弧焊逆变器的控制系统稳定性和动态性能。所提出的DAEF控制器具有以下优点：1）由于同时考虑寄生参数和延迟效应，所提出的嵌入式DAEF精确模型能够准确描述DAEF滤波行为。 2）所提出的去耦电路的主电源电路中只有一个单匝电感。而且没有其他元件与电弧焊逆变器的电源电路串联。因此，嵌入式DAEF弧焊逆变器的尺寸和损耗可以大大降低。 3）所提出的DAEF控制器不仅可以有选择地抑制CM EMI和DM EMI，还可以有效地防止CM和DM干扰之间的相互转换。 4）由于DAEF嵌入在变频器中，因此高频时弧焊逆变器的控制系统性能得到了提高。本文组织如下。第二部分介绍了带有时间延迟和寄生参数的嵌入式DAEF精确模型。然后推导出嵌入式DAEF的弧焊逆变器控制系统模型。第三部分分析了嵌入式DAEF控制器的延迟效应。第四节提出了DAEF解耦电路的科学设计方法。第V节设计了嵌入式DAEF的电弧焊逆变器补偿器。实验结果在第六节中给出和讨论。然后，第七部分给出了一些主要结论。
二,埋弧焊接逆变器嵌入式焊接控制系统设计
嵌入式弧焊逆变器的DAEF控制系统如图1所示。DAEF控制器嵌入弧焊逆变器的数字控制器系统中。 DAEF设置在弧焊逆变器的前端，以抑制传导EMI。
图1.嵌入在弧焊逆变器中的建议DAEF控制系统。
- DAEF拓扑和原理
如图1所示，所提出的嵌入式DAEF的电路拓扑结构包括6个类别：EMI感测电路，EMI注入电路，ADC采样电路，DAC输出电路，数字控制器以及注入点和感测点之间的解耦电路。对于L线和N线供电，传导EMI的抑制原理是相同的。 EMI传感电路由一个电阻和一个电容组成，实际上是一个RC高通滤波器，用于检测由电弧焊逆变器产生的传导EMI信号。而EMI注入电路实际上是一个低通滤波器，它注入由数字控制器重建的EMI信号来消除EMI噪声源。 ADC采样电路将感测到的EMI信号转换为DAEF控制器的数字信号。 DAC输出电路将重建的数字EMI信号传送到模拟EMI信号。 ADC和DAC通常需要高采样率来提高高频段的数据转换精度。 DAEF控制器嵌入在弧焊逆变器的数字控制器中。它不仅可以节省电力转换器的总成本，而且可以轻松实施DAEF的协调和灵活的控制策略。 DAEF控制器通常以FPGA为控制单元，采用硬件描述语言进行编程，具有并行处理能力，可以提高系统的速度和过滤性能。去耦电路减少了感应点和注入点之间的高频耦合，提高了滤波性能。嵌入式DAEF控制系统的信号流向如图2所示。EMI传感电路从L和N电源线上采集传导EMI信号LEMI V和NEMI V作为ADC采样电路。 ADC采样电路采集感测到的传导EMI信号LEMI V和NEMI V，并将它们转换为DAEF控制器的数字信号。 DAEF控制器通过编程重构感测的数字EMI信号以生成EMI注入信号，用于以某种控制算法消除EMI源。并且控制器将它们输出到DAC输出电路。 DAC输出电路将重建后的EMI信号转换成可消除120dB mu;VEMI噪声源的0〜20mA EMI信号LEMI I（NEMI I）。 LEMII（NEMI I）通过EMI注入电路消除电弧焊逆变器产生的L（N）电源线上的EMI信号作为EMI噪声源。
图2.带DAEF的弧焊逆变器控制系统的控制信号流向图
- 提议的嵌入式DAEF精确模型
嵌入式DAEF的反馈系统框图如图3所示。（）X s是电弧焊逆变器产生的EMI噪声，从L（N）电源线上拾取。 #39;（）X s是基于感测到的EMI噪声（）Y s，是由DAC发送的注入EMI噪声消除噪声源（）X s。 （）Y s是通过解耦由#39;（）X s到（）X s消除的EMI噪声，它通过沿着L（N）电源线进行模式流向电网。 这是使（）Y s等于零的理想目标。
图3.嵌入式DAEF控制系统的控制框图。
所以，DAEF的闭环系统传递函数可以写成
嵌入式DAEF的滤波性能受到数字处理部分的时间延迟和无源元件的寄生参数的影响很大，特别是在高频段。 只有考虑到这两个因素，嵌入式DAEF的精确模型才能准确地描述DAEF的过滤行为。 因此，对于ADC采样电路，DAC输出电路和数字控制器，应考虑它们的延迟特性; 对于EMI检测电路，EMI注入电路和去耦电路的模型，应考虑它们的高频寄生参数。 在本节中，将嵌入式DAEF系统应用于L电力线上，构建嵌入式DAEF的精确模型。 DAEF的数字处理部分包括ADC采样电路，DAC输出电路和数字控制器。 每个电路都有其延迟时间。 时间ADd t是ADC采样电路的延迟时间。 它是关于采样电压s V的非线性函数。
它可以描述为
其中AD K是一个常数，取决于器件或工艺参数以及栅极的容性负载。 （1.5-2）的值也取决于工艺技术。 th V是阈值电压。 s V是采样信号电压[38]，[39]。 对于L电源线上的DAEF控制系统，LEMI V V。 因此，考虑延迟时间ADd t，DAEF ADC采样电路的传递函数（）ADG s可表示为
sp T是采样周期。 一般来说，DAC是一个零订单持有人。 当考虑DAC输出电路的延迟时间和非线性部分时，DAC的传递函数（）DAG s可表示为
其中（）zohD s是零阶保持器的传递函数[34]，[35]，（）B s表示延迟时间和非线性部分，可以描述为
DAd t是DAC延迟时间，DA
是一个关于非线性部分的常数[40]。 因此，通过将（4）中的（）B s替换为（5），具有延迟时间和非线性特性的DAC的传递函数（）DAG s可以表示为
DAEF的数字控制器通过编程以某种控制算法补偿EMI信号。 补偿器通常是根据系统指标要求设计的。 在本文中，选择了一个反比例补偿器。此外，运行时间的程序不能被忽略。 因此，具有延迟时间的DAEF数字控制器的传递函数（）CG s可以描述为
其中K是一个比例系数，con是延迟时间。由数字控制器程序[41]介绍。 EMI传感电路实际上是一个RC高通滤波器，其高频等效模型的L电源线显示在高通滤波器中。 根据标准CISPR11 [45]，sen f应为150 kHz，以拾取150 kHz以上的EMI噪声信号。 EMI注入电路是一个RC低通滤波器。 其L电源线的高频等效电路模型如图4（b）所示，其中iL CR和iL CL分别为电容器iL C的ESR和ESL，其中LRL和CRL
是拐角频率。低通滤波器。 根据标准CISPR11 [45]，注入f应为30MHz，以注入低于30MHz的EMI噪声。
图4.高频等效电路模型：（a）感测电路，（b）注入电路，（c）去耦电路
图4（a）中，sL CR和sL CL分别为电容sL C的等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL），其中sL RL和sL RC分别为等效串联电感（ESL）和等效并联电容sL R的电容（EPC）。因此，具有寄生参数的EMI传感电路的传递函数（）H s可表示为
分别是电容器iL R的ESL和EPC。 EMI注入电路的电容CiL主要防止L（N）电源线上的50Hz电流及其谐波电流破坏DAC采样电路。由于电容CiL的值在nF级别，因此对于50Hz电流以及其谐波电流，它呈现高阻抗M级别。因此，具有寄生参数的EMI注入电路的传递函数可以表示为
去耦电路位于注入点与感应点之间，单匝电感用作去耦元件。其L电源线上的高频等效电路模型如图4（c）所示，其中jL LR和jLLC分别为电感器的ESR和EPC。电感JL L主要降低EMI感应点和注入点之间的耦合。具有寄生参数的去耦电路的传递函数（）J s可表示为
（3），（6），（7），（7），（8）中的（）ADG s，（）DAG s，（）CG s，（）H s， （8），（9）和（10）分别得到了具有时滞，寄生和非线性特征的嵌入DAEF精确模型的传递函数（）DAEF sG。 DAEF精密模型和没有寄生和延迟特性的传统模型的闭环传递函数的频率响应曲线如图5所示。其中：32 1/2 150 10s en s sL sL f RC（）L s的转折频率：6 2 1/2 30 10i nj inj iL iL f RC。 （）J s的JL L是0.63 uH。 1 K，0.3 con ns，ADC和DAC的采样率均为1G SPS，sp T的最大值为1ns。 0.8 s DAdt n，1 s ADdt n，0.2 s DA n。水平轴是频率范围（150 kHz至30 MHz），垂直轴表示嵌入式DAEF的闭环传递函数的幅度和相位。整个曲线显示嵌入式DAEF的频率闭环传递函数的幅度和相位变化。同时，这些曲线也反映了DAEF对EMI噪声的衰减性能。例如，在2MHz的频率点，具有精确模型的DAEF可以将EMI噪声降低到30dB，但不会改变EMI噪声的相位。在图5中，黑色实线所示的传统模型曲线基于[35]中提出的原理和方程。总的来说，图5显示DAEF精确模型的衰减性能低于传统模型。这种衰减性能在中频段只能达到-30dB，在低频段和高频段弱得多。
图5. DAEF精密模型和传统模型的闭环传递函数的频率响应曲线
- DAEF的数据转换分辨率设计
嵌入式DAEF
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