ความคืบหน้าการวิจัยความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง

ความถี่สูงและความจุขนาดใหญ่ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไม่เพียง แต่นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความเครียดทางไฟฟ้าและการสูญเสียการสลับของอุปกรณ์ แต่ยังก่อให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าแบบบรอดแบนด์ที่ยากต่อการระงับ [1-3] ทำให้เกิดมลพิษทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรงต่อ สายส่งไฟฟ้าและสิ่งแวดล้อม และแม้กระทั่งคุกคามการทำงานปกติของตัวเองและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง บทความนี้เริ่มต้นด้วยกลไกของแหล่งสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง สรุปผลการวิจัยล่าสุดจากต่างประเทศในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา และเน้นที่การวิเคราะห์และเปรียบเทียบลักษณะการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าของการสลับฮาร์ดและซอฟต์สวิตชิ่ง คำสำคัญ: ตัวแปลงสวิตชิ่ง, ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า, ฮาร์ดสวิตชิ่ง, ซอฟต์สวิตชิ่ง 1 บทนำ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเป็นที่รู้จักสำหรับประสิทธิภาพสูงในการแปลงพลังงาน และใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นในการแปลงพลังงานทางแพ่งและทางแพ่งและการควบคุมไดรฟ์ คาดว่า 70% ของพลังงานไฟฟ้าในการผลิตภาคอุตสาหกรรมจะถูกแปลงโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังก่อนที่จะถูกใช้โดยมนุษย์ ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 อุปกรณ์ควบคุมสนามไฟฟ้าที่มีความจุสูงและใช้งานได้จริงทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเข้าสู่ยุคของความถี่สูงและความจุสูง เนื่องจากขอบด้านหน้าและด้านหลังชันมาก (di/dt สูงถึง 1A/ns, dv/dt สูงถึง 3V/ns) พัลส์ระหว่างกระบวนการเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์ จึงเกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างร้ายแรง การรบกวนเหล่านี้ก่อให้เกิดการนำและการรบกวนการแผ่รังสีผ่านคัปปลิ้งระยะใกล้และระยะไกล ซึ่งสร้างมลพิษอย่างร้ายแรงต่อสภาพแวดล้อมทางแม่เหล็กไฟฟ้าและระบบจ่ายไฟโดยรอบ สิ่งนี้ไม่เพียงแต่ลดความน่าเชื่อถือของวงจรการแปลงเท่านั้น แต่ยังส่งผลกระทบอย่างจริงจังต่อคุณภาพการทำงานของโครงข่ายไฟฟ้าและอุปกรณ์ที่อยู่ติดกัน ด้วยการพัฒนาของอุตสาหกรรมข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่มีตัวแปลงสวิตชิ่งเป็นแกนหลักจึงถูกใช้อย่างกว้างขวางในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทั้งหมด เช่น อุปกรณ์ปลายทางต่างๆ และอุปกรณ์สื่อสารที่นำโดยคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ ในรายงานประจำปี 1997 ของ Virginia Power Electronic Center (VPEC) ได้เขียนไว้ดังนี้: หากเป็นความก้าวหน้าของเทคโนโลยีไมโครโปรเซสเซอร์ที่ส่งเสริมการพัฒนาความถี่คอมพิวเตอร์จาก 16MHz ในปี 1985 ถึงปัจจุบัน 200MHz ให้ก้าวกระโดดต่อไปเป็น GHz ถูกกำหนดโดยหลักการพัฒนาเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลัง [4] เมื่อชิปทำงานที่ GHz พาวเวอร์ซัพพลายจะต้องจ่ายพลังงานให้กับลอจิกเกทด้วยความเร็วการจับคู่ที่สูงเพียงพอ (ในกรณีของ Pentiumpro อัตราการจ่ายกระแสไฟจะต้องอยู่ที่ 30A/μs) ซึ่งเป็นสาเหตุที่ Intel มี เพื่อชะลอความเร็วสัญญาณนาฬิกาของไมโครโปรเซสเซอร์ Pentium เหตุผลสำคัญสำหรับสิ่งนี้ [4] ดังนั้นปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังจำเป็นต้องได้รับการแก้ไขอย่างเร่งด่วน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ความสามารถของอุปกรณ์สวิตช์กำลังจึงใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ (เช่น SCR (Silicon Controllable Rectifier) ​​มีผลิตภัณฑ์ 4000A/8000V และ IGBT (Insulated Gate Bip olar Transistor) มี 3500V / ขายโมดูล 2400A) ความถี่สวิตชิ่งเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ สูงถึงไม่กี่ MHz และขนาดของอุปกรณ์มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ ยกตัวอย่างแหล่งจ่ายไฟ DC-DC ระดับภายในประเทศปัจจุบันคือ 30W/in3 ในขณะที่ระดับสากลคือ 120W/in3 และคาดว่าจะสูงถึง 240W/in3 ในปี 2543 ปัจจัยเหล่านี้ต้องการการเสริมความแข็งแกร่งของการวิจัยใน ลักษณะการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและการป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในขั้นตอนการออกแบบ การประเมินลักษณะการรบกวนของอุปกรณ์ใหม่ ทำให้วงจรการพัฒนาสั้นลง และปรับปรุงความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังกลายเป็นประเด็นสำคัญ 2 การวิจัยเชิงสำรวจเกี่ยวกับแหล่งสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ในกระบวนการสำรวจแหล่งสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ผู้คนได้ทำการทดลองจำนวนมากและสรุปประสบการณ์ใหม่อย่างต่อเนื่อง เร็วเท่าที่ปี 1983 ชไนเดอร์ได้พัฒนาเทคนิคสำหรับการทดสอบคุณลักษณะอิมพีแดนซ์ต้นทางของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ที่ทำงานอยู่ นี่เป็นเทคนิคที่ใช้วิธีการสเกลาร์ในการวัดสเปกตรัมของสัญญาณรบกวนเพื่อกำหนดส่วนจริงและส่วนจินตภาพของอิมพีแดนซ์ต้นทาง เทคโนโลยีนี้เลือกการสั่นของส่วนจินตภาพระหว่างโหลดปฏิกิริยาและแหล่งกำเนิดเสียง และส่วนปฏิกิริยาของแหล่งกำเนิดเสียงสามารถกำหนดได้โดยความถี่การสั่น ส่วนที่แท้จริงของอิมพีแดนซ์ต้นทางถูกกำหนดโดยค่าสูงสุดของกระแสสัญญาณรบกวนที่สั่น การทดสอบอิมพีแดนซ์ส่วนใหญ่ดำเนินการในย่านความถี่ 10kHz~1MHz จากผลการทดสอบ ชไนเดอร์ได้เสนอวงจรเทียบเท่าของโหมดทั่วไปและสัญญาณรบกวนในโหมดดิฟเฟอเรนเชียล ซึ่งอธิบายลักษณะของแหล่งสัญญาณรบกวนด้าน AC ของแหล่งจ่ายไฟสลับ [5] เนื่องจากผลกระทบของการแผ่รังสีของกระแสโหมดทั่วไปมักจะมากกว่ากระแสโหมดดิฟเฟอเรนเชียล [6] อย่างมาก จึงจำเป็นต้องแยกแยะระหว่างการรบกวนโหมดทั่วไปและการรบกวนโหมดดิฟเฟอเรนเชียลในระบบ ศูนย์วิจัย VPEC เสนอตัวรวมกำลัง [7] การวัดเชิงปริมาณของโหมดทั่วไปและการรบกวนการนำโหมดดิฟเฟอเรนเชียลในระบบ ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง กลไกภายในของสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปและสัญญาณรบกวนในโหมดดิฟเฟอเรนเชียลก็ต่างกันเช่นกัน เสียงในโหมดดิฟเฟอเรนเชียลส่วนใหญ่เกิดจากกระแสพัลซิ่งของตัวแปลงสวิตชิ่ง สัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปส่วนใหญ่เกิดจากการสั่นของความถี่สูงที่เกิดจากการทำงานร่วมกันระหว่าง dv/dt ที่สูงกว่าและพารามิเตอร์ปลอม ดังแสดงในรูปที่ 1 iCM ของโหมดทั่วไปในปัจจุบันรวมถึงกระแสการกระจัดที่เชื่อมต่อกับระนาบพื้น ในเวลาเดียวกัน เนื่องจาก dv/dt บนเทอร์มินัลของอุปกรณ์สวิตชิ่งนั้นใหญ่ที่สุด ความจุ stray capacitance Ck ระหว่างอุปกรณ์สวิตชิ่งและฮีตซิงก์จะถูกสร้างขึ้นด้วย โหมดทั่วไปในปัจจุบัน สำหรับระบบที่แตกต่างกัน สาเหตุเฉพาะของโหมดทั่วไปและการรบกวนโหมดส่วนต่างนั้นไม่เหมือนกัน ตามเส้นทางการแพร่กระจายที่แตกต่างกัน การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าแบ่งออกเป็นสัญญาณรบกวนที่ดำเนินการและการรบกวนแบบแผ่รังสี โดยจะอภิปรายแยกกัน และอธิบายการศึกษาลักษณะระยะใกล้ของตัวแปลงสวิตช์

รูปที่ 1 เส้นทางของโหมดทั่วไปปัจจุบันของตัวแปลงออฟไลน์

รูปที่ 1 เส้นทางปัจจุบันของโหมดทั่วไปในตัวแปลงออฟไลน์

2.1 การวิจัยการนำแหล่งสัญญาณรบกวนที่ดำเนินการเป็นวิธีที่สำคัญในการแพร่สัญญาณรบกวนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังต่างกันมีสาเหตุเฉพาะของสัญญาณรบกวน ตัวอย่างเช่น ในระบบวงจรเรียงกระแส SCR การสร้างสัญญาณรบกวนการนำโหมดดิฟเฟอเรนเชียลนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยสองประการ [8] ส่วนใหญ่: หนึ่งคือปรากฏการณ์ทับซ้อนของการสลับที่เกิดจากการเหนี่ยวนำของสายไฟ อีกประการหนึ่งคือคุณลักษณะการเปลี่ยนสารกึ่งตัวนำและลักษณะทางกายภาพที่กำหนดคุณลักษณะปัจจุบัน . ในเวลาเดียวกัน ปรากฏการณ์การกู้คืนของไทริสเตอร์ในระบบเรียงกระแส SCR อาจมีผลลัพธ์สองประการ: หนึ่งคือการขยายเวลาทับซ้อนของการแลกเปลี่ยน อีกอย่างคือการเพิ่มกระแสที่สลายตัวแบบทวีคูณให้กับไทริสเตอร์ ปรากฏการณ์การกู้คืนไทริสเตอร์ที่วัดได้สามารถเพิ่มการรบกวนทั้งหมดได้ 4 ~ 5dB ตัวอย่างเช่น Klotz et al. ของ Siemens [9] ศึกษาโหมดทั่วไปของตัวแปลง IGBT 5-10kVA ภายใต้แรงดันไฟฟ้าในการทำงาน กระแสการทำงาน ความถี่สวิตชิ่ง บรรจุภัณฑ์โมดูล วงจรเกต อุณหภูมิ สภาพการลงกราวด์ และส่วนประกอบเพิ่มเติม เมื่อเทียบกับแหล่งสัญญาณรบกวนการนำโหมดดิฟเฟอเรนเชียล สรุปได้ว่าแหล่งสัญญาณรบกวนในโหมดดิฟเฟอเรนเชียลหลักคือกระแสไฟย้อนกลับของไดโอดอิสระ ในขณะเดียวกันก็ชี้ให้เห็นว่าพารามิเตอร์ปลอมของโหลดจะมีอิทธิพลบางอย่างต่อสเปกตรัมการรบกวน การวิจัยของ Teuling, Schnaen และ Roudet ของห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีไฟฟ้า Grenoble ของฝรั่งเศส (ต่อไปนี้จะเรียกว่า LEG) [10] ตามแบบจำลองการทดลองของวงจรชอปเปอร์ 400W ที่ประกอบด้วย MOSFET และความถี่สวิตชิ่งที่ 100kHz แสดงให้เห็นว่าสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปคือ ที่เกี่ยวข้องกับการสลับแรงดันไฟฟ้า สัญญาณรบกวนของโหมดเกี่ยวข้องกับการสลับกระแส และทั้งสองอย่างอาจเกิดขึ้นพร้อมกัน ตัวอย่างเช่น เมื่อปิด MOSFET ในรุ่นนี้ กระแสไฟจะถูกปิดและแรงดันไฟฟ้าแสดงการสั่นที่ลดทอน ดังนั้น สัญญาณรบกวนของโหมดทั่วไปและสัญญาณรบกวนของโหมดส่วนต่างจึงอยู่ร่วมกันในเวลานี้ โดยปกติแล้ว การรบกวนโหมดความแตกต่างของเวลาความถี่ต่ำจะมีผลเหนือกว่า และการรบกวนของโหมดทั่วไปจะมีผลเหนือกว่าที่ความถี่สูง Mahdavi จาก SHARIF University of Technology และ Roudet และ Scheich จาก LEG et al [11] ได้ก่อตั้งโมเดลคอนเวอร์เตอร์ AC/DC เฟสเดียว 500W Power Factor Preregulator (PFP) ในการวิจัยกลไกการปล่อยก๊าซ ซอฟต์แวร์จำลอง MC2 ใช้เพื่อคำนวณฮาร์โมนิกปัจจุบันที่ฉีดเข้าไปในแหล่งจ่ายไฟ โมเดลนี้เข้ากันได้ดีกับผลการทดสอบในช่วงความถี่ 10 เท่าของความถี่สวิตชิ่ง ในการศึกษาของโหมดดิฟเฟอเรนเชียลของ PFP' ดำเนินการ EMI ไรส์คาดการณ์ว่าเมื่อตัวแปลงทำงานในโหมดต่างๆ ลักษณะของอีเอ็มไอก็ต่างกัน [13] Erkuan Zhong และ Lip จากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสันในสหรัฐอเมริกา [12] ใช้ระบบอินเวอร์เตอร์ PWM ขนาด 8kVA ซึ่งขับเคลื่อนมอเตอร์เหนี่ยวนำขนาด 7.46kW (10 แรงม้า) เป็นแบบทดลอง ผลการศึกษาพบว่าระบบอินเวอร์เตอร์ PWM ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ความเร็วสูงกำลังสูงป้อนแหล่งจ่ายไฟ เข้าสู่กระแสพัลซิ่งสูงถึงหลาย A นำไปสู่ ​​EMI ที่ดำเนินการอย่างรุนแรง (ในแบบจำลองการทดลองนี้ สูงถึง120dBμV) และการบิดเบือนของรูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ (แรงดันบากสูงถึง 50V มากกว่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด 20%) แถบความถี่ ของสัญญาณรบกวนค่อนข้างกว้าง ไม่เพียงแต่รวมถึงส่วนประกอบรบกวนของความถี่สวิตชิ่งและฮาร์โมนิกเท่านั้น แต่ยังขยายไปถึงช่วงความถี่วิทยุอีกด้วย dv/dt (สูงสุด 3kV/μs, นานสองสาม ns) ที่สร้างขึ้นโดยอุปกรณ์จ่ายไฟระหว่างกระบวนการสวิตชิ่งโต้ตอบกับความจุที่หลงทางระหว่างอุปกรณ์สวิตชิ่งกับกราวด์ ซึ่งสร้างกระแสการชาร์จและการคายประจุที่ขั้วแหล่งจ่ายไฟ ทำให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ในเวลาเดียวกัน ลักษณะการสวิตชิ่งแบบไม่เชิงเส้นของอุปกรณ์สวิตชิ่งจะสร้างฮาร์โมนิกจำนวนมาก พวกเขายังชี้ให้เห็นว่ากระแสการกู้คืนแบบย้อนกลับของไดโอดเป็นแหล่งหลักของการรบกวนโหมดดิฟเฟอเรนเชียลในระบบ การวิจัยเกี่ยวกับการรบกวนการดำเนินการของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง โดยเฉพาะอย่างยิ่งโหมดทั่วไปและโหมดดิฟเฟอเรนเชียลทำให้เกิดการรบกวน เป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบตัวกรอง EMI 2.2 การวิจัยเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนที่แผ่รังสี เมื่อเทียบกับการรบกวนแบบนำ การรบกวนแบบแผ่รังสีของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังนั้นซับซ้อนกว่า เนื่องจากเป็นอุปกรณ์แปลงพลังงาน ความสามารถในการแปลงมีตั้งแต่มิลลิวัตต์ถึงเมกะวัตต์ และลูปหลักและลูปควบคุมมักประกอบด้วยส่วนประกอบที่แตกต่างกัน เมื่อเทียบกับอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์ที่เน้นไปที่แผงวงจรพิมพ์ โครงสร้างเชิงพื้นที่ มีความซับซ้อนมากกว่า ดังนั้น การวิเคราะห์และการคำนวณพารามิเตอร์ปลอมที่สอดคล้องกันและการรบกวนแบบแผ่รังสีจึงซับซ้อนกว่า [2] และปัจจุบันยังไม่มีงานวิจัยที่เกี่ยวข้องมากนัก ในหมู่พวกเขา Orlandi และ Scheich [14] ศึกษาแหล่งสัญญาณรบกวนรังสีของวงจรเรียงกระแส SCR พวกเขามุ่งเน้นไปที่การวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสโหมดทั่วไป (โดเมนเวลาและโดเมนความถี่) และสนามรังสี และเชื่อว่ากระแสโหมดทั่วไปเกี่ยวข้องกับพัลส์ขับและพารามิเตอร์หลงทางจากส่วนควบคุม การไล่ระดับแรงดันไฟฟ้าระหว่างความจุจรจัดส่งเสริมกระแสโหมดทั่วไป การขยายพันธุ์ การไล่ระดับแรงดันไฟฟ้าบนขอบที่เพิ่มขึ้นของพัลส์จะสร้างกระแสโหมดทั่วไปในความจุจรจัด นอกจากนี้พัลส์กระแสไฟที่รวดเร็วจะกระตุ้นแรงดันไฟฟ้าที่ไม่จำเป็นบนชิ้นส่วนโลหะของ SCR (เคสและหม้อน้ำ) และกลายเป็นแหล่งกำเนิดรังสี เพื่อกำหนดรูปแบบการแผ่รังสีของตัวแปลงสวิตชิ่ง ศาสตราจารย์ Antonini และ Cristina และศาสตราจารย์ Orlandi แห่งมหาวิทยาลัยโรมได้สร้างแบบจำลองการแผ่รังสีไดโพลสำหรับส่วนคอนเวอร์เตอร์ของแหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่งด้วยความถี่สวิตชิ่ง 75kHz และ 150kHz ตามลำดับ [15] . อย่างไรก็ตาม เมื่อกำหนดการกระจายกระแสของสาย จะใช้แบบจำลองสายส่งของตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันที่เทียบเท่ากัน แบบจำลองผลลัพธ์เป็นไปตามข้อตกลงที่ดีกับข้อสรุปการทดลองในช่วงความถี่ที่ต่ำกว่า 10MHz แต่ในช่วงความถี่ที่สูงกว่า 10MHz การแผ่รังสีของโหมดทั่วไปมีผลเหนือกว่าเนื่องจากอิทธิพลของพารามิเตอร์ปลอมต่างๆ เมื่อพิจารณาการกระจายกระแสโหมดทั่วไป โมเดลสายส่งจะใช้ไม่ได้อีกต่อไป อันที่จริง ลักษณะการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไม่ได้จำกัดอยู่เพียงเท่านี้ ตัวอย่างเช่น หม้อน้ำที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังมักจะแสดงลักษณะการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งช่วยเพิ่มการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า RF ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง แผ่นระบายความร้อนมักจะมีรูปทรงที่ซับซ้อน มีลักษณะการแผ่รังสี RF แบบหลายแถบความถี่ และติดตั้งภายนอกอุปกรณ์ ดังนั้นฮีตซิงก์จึงน่าจะทำหน้าที่เป็นเสาอากาศการแผ่รังสีที่มีประสิทธิภาพบนฮาร์โมนิกของความถี่สวิตชิ่งตั้งแต่หนึ่งความถี่ขึ้นไป งานวิจัยในพื้นที่นี้ยังอยู่ระหว่างดำเนินการ เช่น Ryan, Stone และ Chambers [16] โดยใช้วิธี FDTD ในการทำนายเบื้องต้นของรูปแบบการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า RF จากหม้อน้ำรูปครีบ 2.3"การวิจัยเกี่ยวกับคุณลักษณะระยะใกล้"ตาม IEC22G-WG4-11 อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังมักจะประกอบด้วยสองส่วน คือ หน่วยแปลงกำลังและหน่วยควบคุม ความถี่สวิตชิ่งของวงจรแปลงสวิตชิ่งโดยทั่วไปมีค่าตั้งแต่สิบ kHz ถึง หลายร้อย kHz แรงดันไฟและกระแสชั่วคราวที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการสวิตชิ่งเป็นแหล่งสัญญาณรบกวนที่สร้างการรบกวนการนำไฟฟ้าและการรบกวนทางรังสี พลังงานของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยหน่วยแปลงกำลังเพียงพอที่จะเป็นอันตรายต่อการทำงานปกติของหน่วยควบคุมที่อยู่ใกล้เคียง [15] ดังนั้น การทำนายลักษณะระยะใกล้ของหน่วยแปลงกำลังและการทำงานปกติของวงจรควบคุมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบ EMC ของอุปกรณ์แปลงกำลังไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อสำรวจลักษณะระยะใกล้ของแหล่งจ่ายไฟสลับ (SMPS) Atonini et al. [15] สร้างแบบจำลองการทดลอง SMPS อย่างง่ายโดยใช้แผงวงจรพิมพ์ เมื่อทำการคำนวณระยะใกล้ พวกเขาแบ่งแต่ละส่วนของวงจรทดลองออกเป็นไดโพลของเฮิรตเซียนหลายชุดตามลำดับ เนื่องจากระยะไฟฟ้าสถิตมีบทบาทสำคัญในพื้นที่ใกล้สนาม มันหมายถึงสนามที่เกิดจากประจุไฟฟ้าสถิตที่สะสมบนไดโพลเดี่ยว เมื่อเชื่อมต่อไดโพลหลายตัวเป็นอนุกรม เนื่องจากระยะห่าง r อยู่ระหว่างจุดศูนย์กลางของไดโพลกับจุดทดสอบ ดังนั้น เงื่อนไขไฟฟ้าสถิตจึงไม่สามารถยกเลิกได้ ส่งผลให้สนามไฟฟ้าสถิตมีขนาดใหญ่ ทำให้ค่าที่คาดการณ์ไว้สูงกว่าค่าจริง ค่า ดังนั้น เมื่อรวมสมการการแผ่รังสีไปตามวงจร ผ่านการประมวลผลพิเศษ เอฟเฟกต์ประจุไฟฟ้าสถิตที่ผิดพลาดที่เกิดจากการรวมสมการไดโพลจะถูกกำจัด และสร้างแบบจำลองระยะใกล้ (สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก) ที่แม่นยำยิ่งขึ้น การคำนวณแสดงให้เห็นว่าที่ระยะห่าง 3 เมตรจากแบบจำลองทดลอง ความต่างของสนามไฟฟ้าระหว่างแบบจำลองที่ถูกแก้ไขและแบบจำลองก่อนการแก้ไขจะอยู่ที่ 40dB ในช่วงความถี่ต่ำ และทั้งสองมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นพร้อมกันในช่วงความถี่สูง ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าในย่านความถี่ต่ำกว่า 10MHz ค่าที่คำนวณได้นั้นสอดคล้องกับค่าที่วัดได้มาก ในแถบความถี่ที่สูงกว่า 10MHz อิทธิพลของกระแสโหมดทั่วไปมีอิทธิพลเหนือกว่า และรูปแบบการคำนวณข้างต้นใช้ไม่ได้อีกต่อไป อิทธิพลหลักต่อลักษณะระยะใกล้ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังคือวงจรหลักของส่วนการแปลงกำลัง คริสตินาและคณะ [17] ศึกษาการเปลี่ยนแปลงรูปแบบการแผ่รังสี การกระจายเชิงพื้นที่ระยะใกล้ และลักษณะการแผ่รังสีของคอนเวอร์เตอร์ภายใต้สภาวะโหลดที่แตกต่างกัน และสรุปว่าภายใต้สภาวะโหลดที่แตกต่างกัน แหล่งจ่ายไฟสลับอาจแสดงไดโพลไฟฟ้า หรือลักษณะของไดโพลแม่เหล็ก นี่เป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับการเลือกและออกแบบโครงร่างการป้องกันที่เหมาะสม LEG' Youssef และ Roudet และคณะ [18] ใช้ MOSFET เป็นองค์ประกอบการสลับเพื่อสร้างโมเดลตัวแปลงบั๊กอย่างง่าย พวกเขาถือว่าวงจรนั้นมีขนาดประมาณโครงสร้างเส้นบาง และถือว่ากระแสในแต่ละส่วนของวงจรเหมือนกัน และคำนวณการแจกแจงระยะใกล้ตามรูปแบบคลื่นกระแสของโดเมนเวลาในระหว่างการดำเนินการสลับ ในเวลาเดียวกัน วิธีภาพสะท้อนในกระจกถูกใช้เพื่อศึกษาการเปลี่ยนแปลงของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อระนาบนำไฟฟ้าที่ต่อลงดินอยู่ภายใต้วงจรแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน และสรุปได้ว่าการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจะลดลงภายใต้อิทธิพลของระนาบกราวด์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า จะเห็นได้ว่าการวิจัยเกี่ยวกับคุณลักษณะระยะใกล้ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเพิ่งเริ่มต้นขึ้น และยังไม่มีการสร้างแบบจำลองที่สมบูรณ์และแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงความถี่สูง ลักษณะระยะใกล้จะซับซ้อนกว่าภายใต้อิทธิพลของพารามิเตอร์ต่าง ๆ ที่หลงทาง โดยสรุป ในการสำรวจแหล่งสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง การศึกษาส่วนใหญ่ใช้การทดลองและการวิเคราะห์ร่วมกัน และจำลองลักษณะการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าภายใต้สภาวะการทำงานบางอย่าง อย่างไรก็ตาม มีการศึกษาเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับลักษณะของแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังแรงสูงและโครงสร้างซับซ้อน [2] สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังจริง มักจะเป็นโหมดทั่วไปและส่วนต่าง

โหมดการรบกวนอยู่ร่วมกัน การนำและการรบกวนการแผ่รังสีพร้อมกัน สำหรับระบบที่แตกต่างกัน ปัจจัยการรบกวนที่โดดเด่นก็ต่างกันเช่นกัน การวิเคราะห์และคาดการณ์แหล่งสัญญาณรบกวนหลักในระบบอย่างถูกต้องเป็นกุญแจสำคัญในการออกแบบความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง 3 การวิจัยเกี่ยวกับคุณลักษณะความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวแปลงซอฟต์สวิตช์ความถี่สูง เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของความถี่สูง ผู้คนไม่เพียงแต่ปรับปรุงความสามารถในการต้านทานของอุปกรณ์เอง แต่ยังพยายามปรับปรุงโทโพโลยีของวงจร ลดความเครียดทางไฟฟ้าบนอุปกรณ์และลดการสูญเสียสวิตชิ่งขนาดเล็ก ขจัดไฟกระชากสวิตช์และแรงดันไฟสูงสุด สาเหตุหลักของการรบกวนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังคือ di/dt และ dv/dt สูงที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการเปลี่ยนค่าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและพารามิเตอร์ที่หลงทางในวงจรทำงานร่วมกันเพื่อทำให้เกิดการสั่นของความถี่สูง หากกระบวนการแปลงของ di/dt สูงและ dv/dt ลดลงได้มากที่สุดโดยการเลือกโทโพโลยีวงจรและเทคโนโลยีการควบคุมที่เหมาะสม ก็จะสามารถปรับปรุงลักษณะความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ดังนั้นบางคนคาดการณ์ว่าในแง่ของ EMI ที่ดำเนินการแล้ว ตัวแปลงซอฟต์สวิตชิ่งที่ใช้ Zero Voltage Transition (ZVT) ควรทำงานได้ดีกว่าฮาร์ดสวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์ [9, 19] พื้นฐานหลักคือในวงจร ZVT สวิตช์หลักทำงานในสถานะการสลับแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ และไดโอดทำงานในสถานะสวิตช์นุ่ม ด้วยวิธีนี้จะไม่มีการสลับแรงดันไฟฟ้าอย่างรวดเร็วในสวิตช์หลักและไม่มีการสลับกระแสอย่างรวดเร็วในไดโอด ซึ่งจะช่วยลดแรงดันไฟฟ้าสูงในวงจร ฮาร์โมนิกความถี่ เป็นอย่างนี้จริงหรือ? จากมุมมองของการสร้าง EMI ตัวแปลงเรโซแนนซ์ (รวมถึงตัวแปลงซอฟต์สวิตช์) มีข้อได้เปรียบที่หาตัวจับยากเหนือตัวแปลงสัญญาณ PWM ฮาร์ดสวิตชิ่ง ซึ่งสามารถพิจารณาได้จากแง่มุมต่อไปนี้: (1) เทคโนโลยี PWM เป็นการขัดขวางการไหลของพลังงานและวิธีการ ของการควบคุมวัฏจักรหน้าที่แปลงกำลังไฟฟ้าส่งผลให้กระแสพัลส์และแรงดันพัลส์ ในขณะที่เทคโนโลยีเรโซแนนซ์จะเปลี่ยนพลังงานในรูปของคลื่นไซน์ และสเปกตรัมความถี่มักจะแคบกว่าสเปกตรัมความถี่ของตัวแปลง PWM ดังนั้น เมื่อเปรียบเทียบกับตัวแปลง PWM อินพุตควรมีสัญญาณรบกวนฮาร์มอนิกน้อยกว่าและแอมพลิจูดที่ใหญ่กว่าของส่วนประกอบพื้นฐาน (2) รูปคลื่นในการทำงานของคอนเวอร์เตอร์สวิตชิ่งเรโซแนนซ์เป็นคลื่นกึ่งไซน์ โดยมีได/dt ต่ำ และ dv/dt (3) ตัวแปลงสวิตชิ่งเรโซแนนท์ใช้ความจุทางแยกของอุปกรณ์และการเหนี่ยวนำการรั่วไหลของหม้อแปลงเป็นส่วนหนึ่งของวงจร LC เรโซแนนซ์ และไม่ไวต่อพารามิเตอร์ที่หลงทางที่เป็นอันตราย (4) ตัวแปลงสวิตชิ่งเรโซแนนซ์ทำงานที่ความถี่สูง ซึ่งสะดวกสำหรับการรวมและการย่อให้เล็กสุด ดังนั้นจึงมักจะมีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างมากในการลดวงจรวนซ้ำและทำให้ความยาวสายไฟสั้นลง (5) ตัวแปลง PWM มักใช้วงจร snubber ที่สิ้นเปลืองพลังงานเพื่อจำกัดความเครียดบนอุปกรณ์ และในขณะเดียวกันก็มีบทบาทที่เป็นประโยชน์ในการระงับการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ตัวแปลงซอฟต์สวิตช์แบบเรโซแนนซ์สามารถลดหรือขจัดบัฟเฟอร์ที่สิ้นเปลืองพลังงาน ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการพัฒนา จากการวิเคราะห์ข้างต้น สามารถสรุปได้อย่างง่ายดายหรือไม่? ในปี พ.ศ. 2539 นักวิจัยจากศูนย์วิจัย VPEC ได้ทำการทดลองเปรียบเทียบเกี่ยวกับการรบกวนการนำไฟฟ้าของแบบจำลองการทดลองแปลงบูสต์คอนเวอร์เตอร์ 400WPFC แบบเฟสเดียวสองแบบโดยใช้วงจรการแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ (เช่น ZVT) และวงจรฮาร์ดสวิตชิ่ง [21] ผลการทดสอบไม่คาดคิด ความแตกต่างของ EMI ระหว่างซอฟต์สวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์และฮาร์ดสวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์ที่ใช้เทคโนโลยี ZVT นั้นน้อยมาก และแม้ว่าการเดินสายวงจรเพิ่มเติมของอดีตจะไม่เหมาะสม แต่ประสิทธิภาพก็จะแย่ลงไปอีก ความแตกต่างจากวรรณกรรม [20] คือพวกเขาเปรียบเทียบโหมดทั่วไปและการรบกวนโหมดดิฟเฟอเรนเชียลของแบบจำลองการทดลองทั้งสองแบบแยกกัน ผลที่ได้คือ: ในแง่ของสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไป ลักษณะของแถบความถี่ต่ำจะคล้ายกัน เมื่อความถี่เกินสองสาม MHz ฮาร์ดสวิตชิ่ง สัญญาณรบกวนของรุ่น ZVT จะสูงกว่ารุ่น ZVT หลายเดซิเบล ที่ความถี่สูง สัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปของรุ่น ZVT จะต่ำกว่า แต่ในบางกรณี ค่าสูงสุดของสัญญาณรบกวนของรุ่น ZVT ที่จุดความถี่แต่ละจุดนั้นสูงกว่ารุ่นฮาร์ดสวิตช์ ในแง่ของเสียงในโหมดดิฟเฟอเรนเชียล เสียงของฮาร์ดสวิตชิ่งนั้นแรงกว่ารุ่น ZVT ผลการทดลองข้างต้นสามารถเข้าใจได้ดังนี้: สัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปส่วนใหญ่จะเชื่อมต่อผ่านความจุที่หลงทางของตัวเครื่อง ในขณะที่สวิตช์หลักในตัวแปลง ZVT เป็นแบบซอฟต์สวิตชิ่ง และ dv/dt ที่สร้างขึ้นระหว่างกระบวนการสลับมีขนาดเล็ก ดังนั้นตัวแปลง ZVT' การรบกวนโหมดทั่วไปความถี่สูงจึงมีขนาดเล็กกว่าตัวแปลงฮาร์ดสวิตช์ และจุดสูงสุดของสัญญาณรบกวนของตัวแปลง ZVT ที่จุดความถี่บางจุดเกิดจากการเดินสายของส่วนประกอบเสริมที่ไม่ถูกต้องในตัวแปลง ZVT นอกจากนี้ เนื่องจาก di/dt ที่สูงขึ้นซึ่งเกิดจากกระแสการกู้คืนแบบย้อนกลับของไดโอดในตัวแปลงฮาร์ดสวิตช์ เสียงในโหมดดิฟเฟอเรนเชียลของตัวแปลงฮาร์ดสวิตช์จะสูงกว่าของตัวแปลง ZVT ในช่วงความถี่สูง แต่ di/dt สูงมักจะไม่ส่งผลกระทบต่อส่วนประกอบความถี่ต่ำ ดังนั้นลักษณะการรบกวนของทั้งสองจึงคล้ายกันในความถี่สวิตชิ่งและฮาร์โมนิกลำดับต่ำ จะเห็นได้ว่าแม้ว่าลักษณะการรบกวนความถี่สูงของตัวแปลง ZVT จะดีกว่าฮาร์ดสวิตชิ่งหลายเดซิเบล แต่ลักษณะ EMI ของทั้งสองโดยทั่วไปจะคล้ายกัน ในแง่ของสัญญาณรบกวนของโหมดดิฟเฟอเรนเชียล การแปลง ZVT นั้นดีกว่าฮาร์ดสวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งเป็นลักษณะของซอฟต์สวิตชิ่งที่ดีกว่าการสลับฮาร์ด ในแง่ของสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไป ปัญหานั้นซับซ้อนกว่า ความแตกต่างระหว่างคอนเวอร์เตอร์ ZVT และคอนเวอร์เตอร์แบบฮาร์ดสวิทชิ่งคือ คอนเวอร์เตอร์รุ่นก่อนมีส่วนประกอบซอฟต์สวิตชิ่งเสริม ซึ่งรวมถึงส่วนประกอบสวิตชิ่งเสริมที่ไหลกระแสสูงสุดที่มากขึ้น องค์ประกอบการสลับนี้อาจทนต่อองค์ประกอบการสลับแบบแข็งและแบบแข็ง หลอดสวิตช์หลักในตัวแปลงสวิตช์มีแรงดันเท่ากัน องค์ประกอบการสลับเสริมในตัวแปลง ZVT เป็นแบบฮาร์ดสวิตช์ ซึ่งหมายความว่าฮาร์ดสวิตช์ในตัวแปลงแบบฮาร์ดสวิตช์จะถูกโอนไปยังสวิตช์เสริมของตัวแปลง ZVT ดังนั้น ในโทโพโลยีของวงจรสวิตชิ่งแบบซอฟต์ องค์ประกอบสวิตชิ่งเสริมจึงเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนที่สำคัญ และตำแหน่งและสายไฟมีความสำคัญเป็นพิเศษ [21]"โดยพื้นฐานแล้ว ตัวแปลง PWM ที่มีวงจร snubber ไม่จำเป็นต้องมีลักษณะทางเสียงที่แย่กว่าตัวแปลงแบบซอฟต์สวิตช์ แต่การซอฟต์สวิตชิ่งหรือฮาร์ดสวิตชิ่งจะดีกว่าหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับระยะเริ่มต้นของการออกแบบวงจร การเลือกโทโพโลยีวงจรและเทคโนโลยีการควบคุมที่เหมาะสมตามการใช้งาน การสร้างแบบจำลองการทำนายการนำไฟฟ้าและสัญญาณรบกวนรังสี และแนวทางของโครงร่างวงจรที่ถูกต้อง 4 บทสรุป โดยสรุป ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังดึงดูดความสนใจจากนักวิชาการทั้งในและต่างประเทศมากขึ้นเรื่อยๆ ตั้งแต่ปี 1980 เป็นต้นมา การศึกษาทดลองและงานแบบจำลองเชิงวิเคราะห์จำนวนมากได้เสร็จสิ้นลงในต่างประเทศ ได้มีการทำการวิจัยภายในประเทศในด้านนี้แล้ว ยังไม่มีงานมากนัก และยังไม่มีรายงานทางเทคนิคที่ครบกำหนดอีกต่อไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งในวันนี้' การพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลัง วิธีทำลายประสบการณ์ที่ผ่านมาและฮิวริสติกในการออกแบบความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า และทำให้การออกแบบความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังบนเส้นทางของการออกแบบที่เป็นระบบกำลังเผชิญทั้งในประเทศและต่างประเทศ นักวิชาการ. มันจะกลายเป็นหนึ่งในหัวข้อหลักในการวิจัยความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ขึ้นอยู่กับการวิเคราะห์เชิงลึกของแหล่งสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังต่างๆ การกำหนดความไวของพารามิเตอร์ต่างๆ ศึกษาลักษณะความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของโทโพโลยีสวิตชิ่งต่างๆ และรูปแบบการควบคุม และการสร้างแบบจำลองการคาดการณ์เท่านั้นที่สามารถใช้ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง จะประสบความสำเร็จ การออกแบบอย่างเป็นระบบและปรับให้เข้ากับการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลังเอง