基于并行擴(kuò)頻技術(shù)降低電力通信電源的電磁干擾研究

劉影，謝馳

（1.電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 611731；2.四川大學(xué)錦城學(xué)院，四川成都 611731）

智能電網(wǎng)是建立在集成的高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)傳感和測(cè)量技術(shù)，控制電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行[1-2]。因此，在電力通信信息平臺(tái)設(shè)備中，通信電源的穩(wěn)定性就尤為重要。高頻開關(guān)式脈沖寬度調(diào)制DC/DC電源轉(zhuǎn)換器因其效率高、體積小，現(xiàn)已成為智能電網(wǎng)通信設(shè)備的首選電源。可是，這類通信開關(guān)電源有一個(gè)不足之處：其開關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)時(shí)，它會(huì)在開關(guān)頻率和諧振頻率下產(chǎn)生電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）。電磁干擾信號(hào)有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會(huì)污染電力通信環(huán)境，嚴(yán)重影響通信設(shè)備的正常工作。特別是對(duì)高鐵牽引變電站中的程控交換設(shè)備，電磁干擾在數(shù)據(jù)通信傳輸中會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)性干擾，會(huì)造成傳輸信號(hào)畸變而引起行車安全事故[3-7]。

針對(duì)電力通信系統(tǒng)電源設(shè)備的電磁干擾問題，本文首先分析通信開關(guān)電源產(chǎn)生電磁噪聲干擾的機(jī)理，通過(guò)與映射序列擴(kuò)頻方式的結(jié)合，構(gòu)建了一種新的并行擴(kuò)頻調(diào)制方法，建立了并行擴(kuò)頻解調(diào)后信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)斷續(xù)電流模式的Boost PFC變流器進(jìn)行電磁干擾抑制，以減少傳導(dǎo)電磁干擾。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析，表明：隨著擴(kuò)頻倍數(shù)的增大，電力通信系統(tǒng)在電源開關(guān)調(diào)頻中的諧波干擾頻幅得到降低，其抗電磁干擾能力得到提高。

1 高頻開關(guān)電源的電磁干擾分析

電力通信系統(tǒng)電源設(shè)備中的高頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)如圖1所示，在結(jié)構(gòu)圖中，交流電經(jīng)整流橋進(jìn)入DC/DC變換器進(jìn)行直流斬波，DC/DC變換是高頻開關(guān)電源的核心部分，產(chǎn)生電磁干擾（EMI）的主要原因有3種情況。

圖1 高頻開關(guān)電源的基本組成Fig.1 The com position of high-frequency sw itching power supply

1.1 功率開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生電磁干擾

通常高頻開關(guān)電源的輸入電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似為矩形波，含有豐富的高次諧波分量。這些諧波分量和開關(guān)電源基頻分量一起通過(guò)電源本身的電路或者電纜時(shí)，會(huì)發(fā)射出較強(qiáng)的電磁脈沖干擾。另外，功率開關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈，是感性負(fù)載。在導(dǎo)通瞬間，初級(jí)線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級(jí)線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓。功率開關(guān)管在截止期間，由于高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰。這種電源電壓中斷會(huì)產(chǎn)生與初級(jí)線圈接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個(gè)電磁噪聲會(huì)傳導(dǎo)到電力通信系統(tǒng)的輸入輸出端，形成電磁傳導(dǎo)干擾。

1.2 二極管的反向恢復(fù)引起電磁干擾

在高頻開關(guān)電源中，常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管和續(xù)流二極管等。由于這些二極管都工作在開關(guān)狀態(tài)，如圖2和圖3所示；在二極管由阻斷狀態(tài)到導(dǎo)通工作過(guò)程中，將產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓尖峰VFP；在二極管由導(dǎo)通狀態(tài)到阻斷工作過(guò)程中，存在一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間trr；在反向恢復(fù)過(guò)程中，由于存在二極管封裝電感及引線電感，將產(chǎn)生一個(gè)反向電壓尖峰VRP。由于電子的存儲(chǔ)與復(fù)合效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生瞬變的反向恢復(fù)電流IRP，這種快速的電流和電壓突變是對(duì)電力通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的根源。

1.3 電感、變壓器等磁性元件引起電磁干擾

在高頻開關(guān)電源中存在輸入濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器和輸出濾波電感等磁性元件。隔離變壓器原副邊之間存在寄生電容，高頻干擾信號(hào)會(huì)通過(guò)寄生電容耦合到副邊；功率變壓器由于繞制工藝等原因，原副邊耦合不理想而存在漏感，漏電感將會(huì)對(duì)電力通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁輻射干擾。

圖2 二極管正向?qū)ㄟ^(guò)程電流電壓波形Fig.2 Current and voltage waveform s of diode forward conduction

圖3 二極管反向恢復(fù)過(guò)程電流電壓波形Fig.3 Current and voltage waveforms of diode reverse recovery

2 并行擴(kuò)頻技術(shù)原理

由于電力通信開關(guān)電源內(nèi)部的功率開關(guān)管、整流或續(xù)流二極管及主功率變壓器在高壓、大電流及高頻開關(guān)的方式下工作，其電壓電流波形多為方波[8-9]。在高壓大電流的方波切換過(guò)程中，方波電壓電流將產(chǎn)生豐富的諧波電壓及諧波電流。對(duì)于一個(gè)周期信號(hào)尤其是方波來(lái)說(shuō)，其能量主要分布在基頻信號(hào)和諧波分量中，諧波能量隨頻率的增加呈級(jí)數(shù)降低[10-12]。

由于次諧波的帶寬是基頻帶寬的倍數(shù)，可以通過(guò)并行擴(kuò)頻技術(shù)將諧波能量分布在一個(gè)更寬的頻率范圍上。并行擴(kuò)頻技術(shù)是一種具有較高的傳輸效率和頻帶利用率的軟擴(kuò)頻通信方式[13]。由于基頻和各次諧波能量減少，其發(fā)射強(qiáng)度也應(yīng)該相應(yīng)降低。根據(jù)擴(kuò)頻技術(shù)的基本公式:

式中，C為信道容量，bit/s；W為信道帶寬；N為噪聲功率；S為信號(hào)功率。對(duì)任意給定的信噪比，只要增加用于傳輸信息的帶寬，理論上就可以增加在信道中無(wú)誤差的信息率。因此，只要對(duì)電磁傳導(dǎo)干擾擴(kuò)展其頻譜，再把擴(kuò)頻信號(hào)變換到原始信息帶寬，信噪比就可以提高。

并行擴(kuò)頻系統(tǒng)是從M個(gè)擴(kuò)頻信號(hào)中選取r個(gè)與其各自的相位極性狀態(tài)相同分量，這樣系統(tǒng)的信號(hào)量k表示為

圖4 并行擴(kuò)頻系統(tǒng)的原理圖Fig.4 Principle chart of parallel spread-spectrum system

設(shè)k比特信息數(shù)據(jù)為d1，d2，…，dk，信號(hào)送入擴(kuò)頻序列器，從M個(gè)正交擴(kuò)頻序列中選出r個(gè)擴(kuò)頻序列和其相位極性，并等副相加，經(jīng)過(guò)載波調(diào)制后，信號(hào)可表示為

式中，P相當(dāng)于一個(gè)序列的功率。

在并行擴(kuò)頻器中使用M個(gè)解調(diào)器，將去載波之后的信號(hào)分別用本地?cái)U(kuò)頻序列PN（it）（i=1，2，…，k）做解擴(kuò)處理。在載波頻率和擴(kuò)頻序列已精確同步的情況下，第i條支路擴(kuò)頻解調(diào)器輸出可以表示為

式中，τ為傳播延時(shí)。由于并行擴(kuò)頻序列的正交特性，所以解調(diào)器輸出為

3 仿真實(shí)驗(yàn)

用一個(gè)頻率較低的正弦信號(hào)（三角波或其他方式）對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制而使被測(cè)信號(hào)的輸出頻率存在微小的變化，把能量集中的頻譜變成分散在以被測(cè)頻率為中心的一個(gè)較寬的頻帶上。雖然輻射出的總能量不變，但頻譜幅度降低了，從而減少電力通信開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾。

將單頻功率分到整個(gè)擴(kuò)展諧波頻段：

式中，F(xiàn)0是擴(kuò)頻之前的頻率；a是相對(duì)于非擴(kuò)展頻率的擴(kuò)頻幅度；Vu是擴(kuò)展頻帶內(nèi)每個(gè)頻譜的電壓；Fd是擴(kuò)展頻率。

電力通信開關(guān)電源中高頻變流器產(chǎn)生的電流高次諧波干擾和變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾是產(chǎn)生電磁干擾的主要原因。為了排除續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流引起的電磁干擾噪聲的影響，實(shí)驗(yàn)通過(guò)并行擴(kuò)頻方法對(duì)斷續(xù)電流模式的Boost PFC變流器（在變流器的交流輸入端接入了線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN）進(jìn)行電磁干擾分析，如圖5所示。

圖5 并行擴(kuò)頻系統(tǒng)的電路原理圖Fig.5 Circuit principle chart of parallel spread-spectrum system

對(duì)不同倍數(shù)的并行擴(kuò)頻抗干擾的能力仿真，其仿真得到的干擾頻譜曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著擴(kuò)頻倍數(shù)的增加，通信開關(guān)電源的干擾頻譜曲線的變化趨勢(shì)也有相應(yīng)的調(diào)整。隨著擴(kuò)頻倍數(shù)的增大，其諧波干擾的頻譜幅度降低了很多，電磁干擾對(duì)電力通信系統(tǒng)的影響隨著擴(kuò)頻倍數(shù)的增加而減小。當(dāng)然如果擴(kuò)頻倍數(shù)增加過(guò)多，雖然諧波干擾的頻譜幅度得到降低，但是其自身運(yùn)算帶來(lái)的誤差和干擾也會(huì)對(duì)電力通信系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)影響。

圖6 干擾頻譜曲線圖Fig.6 Interference spectrum curve chart

4 結(jié)論

并行擴(kuò)頻技術(shù)是一種抑制DC/DC電路電磁干擾的有效方法，并能夠有效降低因多路信號(hào)疊加而導(dǎo)致峰值平均功率比升高引起的一系列信號(hào)干擾。采用并行擴(kuò)頻技術(shù)能夠有效地降低電力通信電源的電磁干擾，無(wú)需在電路上加入體積龐大的濾波器和繁瑣的屏蔽處理，也不會(huì)影響高頻開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。因此，并行擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用于降低電力通信電源的電磁干擾是一種高效低成本方法，特別適用于為智能電網(wǎng)建成的電力通信系統(tǒng)中的設(shè)備電源降噪。

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