CN113330675A - 通过相位偏移的动态调节在并联且相位偏移的时钟转换器中降低无线电噪声电压频谱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开关单元装置(1)和一种用于降低电子换向装置的无线电噪声电压的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于降低电子换向装置的无线电噪声电压的开关单元和方法。
背景技术
开关电源和换向设备由于其高频脉冲会产生无线电噪声。所述无线电噪声通过电磁场在自由空间中以高频电压和电流的形式通过电源连接导线以有线方式传播。高频开关设备会发出无线电噪声辐射。这是作为无线电噪声场强度以(μV/rn)测量的。无线电噪声的强度取决于例如接通电流和电压的边缘陡度，并且在很大程度上取决于电路结构。从现有技术中已知为此尝试降低干扰电压的装置和解决方案。
在开关电源领域中例如已知，为了减少从电源网汲取的电流的失真，即为了减少从电网汲取的电流中电源频率的谐波，所述开关电源必须直接连接到由电网馈电的桥式整流器，而无需中间接通滤波电容器。通过适当地控制所述开关电源中高频脉冲开关的接通和断开时间，可以从电网中提取至少很大程度上无谐波的、在电源频率下为正弦波的电流。然而所述电路的缺点是，其接收的功率除了包含恒定分量之外，还包含以两倍电源频率波动的分量，这是不希望的。
从EP 0 223 315 81已知一种用于从正弦输入电压产生直流电压的电路装置，通过所述电路装置在低频下降低干扰电压。已知的电路装置包括一个包括二极管、线圈、电容器和晶体管的开关电源，所述开关电源通过整流器施加基本为正弦的输入电压，并且其元件布置为，当晶体管处于导通状态时二极管被阻断，线圈电流至少流过所述晶体管，并且在阻断状态下流过二极管以及负载和电容器的并联连接。在脉冲发生器中，晶体管的开关脉冲由输入电压产生，所述开关脉冲的频率随时间在整流输入电压最大值处的最小频率和最小值处的最大频率之间连续变化。在所述电路布置中，在整流器和电容器之间连通了非电隔离的另外的开关电源，这意味着高电路复杂性。
从DE 35 37 536 A中已知衰减器，利用所述衰减器可以在高频开关上执行反向振荡脉冲的有损阻尼。这种电路特别可以用于减少高频干扰，因为它们限制了高频开关处反向电压的上升速率。切换到阻断状态时，高频开关上的电压上升得越快，在始终存在于高频开关周围的寄生电容中流动的电容性干扰电流就越大，例如高频开关和地面连接到散热器的连接点。如果不从一开始就消除此类干扰，则可能需要复杂的电源滤波器来抑制它们。然而，所描述的衰减器也意味着额外的电路复杂度。如果必须在电源电路中同时使用所描述的已知的抑制低频干扰和高频干扰的措施，则电路复杂度会变得特别高。
发明内容
本发明的目的是提供一种电路装置，其以很小的电路复杂性降低无线电噪声电压，特别是降低开关频率的谐波和高次谐波。
本发明的基本构思是，动态改变电路的相移，特别是通过由功率电子开关单元调制的载波信号的针对性动态相移而并行操作至少两个时钟驱动的功率电子开关单元，有针对性地降低无线电噪声电压。
通过使用交错(即至少两个换向单元的延时控制)，波谱中的各个谐波根据控制信号的相移而减少，这意味着，通过根据本发明的动态相移对谐波产生动态影响，然后由于测量接收器的脉冲带宽有限而导致在其检测器级别测量到较低的电平。
为此，开关单元装置的至少一个开关单元的调制方案的载波器特别地发生相位偏移。另一实施例规定，开关单元装置的至少一个开关单元通过相位偏移的变化并通过调制方案的频率抖动来执行。
根据本发明，为此提出具有以下特性的开关单元装置：
电路的相位偏移动态变化，从而降低无线电噪声电压频谱(FSS)。
可以根据预定函数改变相位偏移。
所述电路设计成使得相移快速发生，以使得因测量接收器的脉冲宽度有限而使得无线电噪声电压频谱(FSS)降低。
根据本发明，开关单元装置为此具有以下特征：
a.具有至少两个并联布置的线路路径的第一导体回路，所述线路路径的共同线路节点与相应的第一输入侧共同接口连接，用于馈入交流输入电压Uein，并且所述线路路径的第二共同线路节点与相应的第一输出侧共同接口连接，用于提供交流输出电压Uaus，以及
b.具有至少两个并联布置的线路路径的第二导体回路，，所述线路路径的共同线路节点与相应的第二输入侧共同接口连接，用于馈入交流输入电压Uein，所述线路路径的第二共同线路节点与相应的第二输出侧共同接口连接，用于提供交流输出电压Uaus，
c.在两个导体回路之间设置分别具有至少一个开关的线路路径，
d.控制电路，其设计成相继地以二次偏移的方式打开和关闭开关，使通过线路路径的电流的相位彼此偏移，从而使电流i1至in中包含的电流峰值、高次谐波或谐波的一者或多者在总电流iges＝i1+i2+...+in中通过叠加部分电流而降低或消除。
在本发明的特别有利的实施例中规定，所述控制电路设计成除了电流i1...in的相移
之外还叠加频率抖动以改变所实现相移的频率。
还特别有利的是，为此将第一开关布置在第一导体回路的第一线路路径和第二导体回路的第一线路路径之间的导电路径中。
有利地，为此将第二开关布置在第一导体回路的第二线路路径和第二导体回路的第二线路路径之间的导电路径中。
还有利的实施例是，第一二极管布置在第二导体回路的第一导电路径中，并且此外第二二极管布置在第二导体回路的第二导电路径中。
在本发明的另一有利实施例中规定，开关是电子开关，特别是功率半导体开关。
本发明的另一方面(除了上文所述的装置的描述之外)涉及一种用于通过上述开关单元装置来降低电子换向装置的无线电噪声电压的方法，其至少具有以下步骤。控制电路相继延时地(快速交替)切换两个开关，使得通过线路路径的电流i1的相位和通过第二线路路径的电流i2的相位彼此存在相位偏移，从而使电流i1和i2中包含的电流峰值或谐波中的一者或多者在总电流iges＝i1+i2中通过叠加部分电流而降低或消除。
本发明的核心涉及动态改变相移
的方面。
这通过使用控制电路在相移
上叠加频率抖动以快速改变频率来实现。当变化在13kHz范围内时，在此使用的相移变化特别有效。
在本发明的另一有利实施例中规定，相位位置通过相位抖动从180°改变到90°，或从90°改变到45°。
附图说明
本发明的其它有利的改进方案在从属权利要求中限定，或在下文中参照附图连同本发明的优选实施例的描述一起更详细地示出。
其中示出：
图1为示例性开关单元装置；
图2为总电流i9es的示意图；
图3为第一测量曲线(交错180°)的视图；
图4为第二测量曲线(交错90°)的视图；
图5为第三测量曲线(交错45°)的视图；
图6为第四测量曲线(交错抖动)的视图。
具体实施方式
下面参照图1至图6更详细地阐述本发明，其中相同的附图标记表示相同的结构和/或功能特征。
图1示出了示例性开关单元装置1。所述开关单元装置1由具有两个平行布置的线路路径12、13的第一导体回路LS1组成，线路路径的共同线路节点10相应地连接到第一输入侧共同接口Ue1以用于馈入交流输入电压Uein。线路路径的第二共同线路节点11相应地连接到第一输出侧共同接口Ua1用于提供交流输出电压Uaus。
在本实施例中输入电压低于输出电压，并且使用类似于升压转换器的装置。
第二导体回路LS2具有两个平行布置的线路路径22、23，线路路径的共同线路节点20相应地连接到第二输入侧共同接口Ue2以馈入交流输入电压Uein。
从图1中可以看出，线路路径的第二共同线路节点21相应地连接到第二输出侧共同接口Ua2以提供交流输出电压Uaus。
在两个导体回路LS1、LS2之间设置分别具有开关S1、S2的线路路径30、31。
此外，在到线路路径30的分支节点之后，第一二极管D1被布置在第二导体回路LS2的第一导电路径22中，并且在到线路路径31的分支节点25之后，第二二极管D2同样被布置在第二导体回路LS2的第二导电路径23中。在到线路路径30的分支节点之前，线圈L1也布置在第二导体回路LS2的第一线路路径22中，并且在到线路路径31的分支节点之前，线圈L2也布置在第二导体回路LS2的第二线路路径23中。
当开关S1接通时，线圈L1中的电流i1增加。如果随后在所述升压转换器操作中再次打开所述开关S1，则电流i1连续流过所述线圈L1和二极管D1，并且在此过程中再次下降。当开关S2接通时，线圈L2中的电流i2增加。如果随后在所述升压转换器操作中再次打开所述开关S2，则电流i2连续流过所述线圈L2和二极管D2，并且在此过程中再次下降。如果使用更多相同的换向单元，则输入电流在各个级之间分配。
如果开关S1和S2的控制信号相互偏移相位位置
如图2所示的高频电流波纹会部分相互抵消。
这些措施对EMV有以下影响。对于无线电噪声电压的频谱，150kHz以上的频率特别重要。脉冲频率fPwM为130kHz时，这些都是二次谐波以上的频率。
如果总电流iges分解为其频谱分量，则显示，根据相位位置某些谐波及其倍数在频谱中会相互抵消。相移为180°时，这些是1、3、5、...谐波。相移为90°时，2、5、7、...谐波相互抵消。通过每个额外的换向单元，可以根据相位偏移屏蔽掉另外的谐波及其倍数。
为此可以分别设置另外的第一和第二导体回路，它们与分别相邻的导体回路一起形成两个平行布置的线路路径，线路路径的共同线路节点相应地与输入侧的共同接口连接，用于馈入交流输入电压，线路路径的第二共同线路节点相应地与输出侧的共同接口连接，并且在所述导体回路之间分别设置分别具有另外的开关的另外的线路路径，使得这种开关单元形成级联式并联。
为了切换开关S1、S2设置了控制电路，所述控制电路被设计成相继延迟地打开和关闭所述两个开关S1、S2，使得通过线路路径22的电流i1的相位和通过第二线路路径23的电流i2彼此偏移，从而在电流i1或i2中包含的电流峰值、高次谐波或谐波的一者或多者通过叠加部分电流在总电流iges＝i1+i2中减少或消除。
然而，完全屏蔽单个谐波是没有意义的，因为更高或更低频率的谐波将决定是否符合限值。
如果考虑使用根据CISPR16测量无线电噪声电压的无线电噪声测量接收器，所述无线电噪声测量接收器具有定义的脉冲带宽，所述脉冲带宽根据测量频率分为不同的范围，在150kHz-30MHz范围内具有9kHz的带宽。如果电路产生频率大于9kHz的脉冲，由于缺乏脉冲带宽，这些脉冲只能被接收器部分感知。
现在的解决方案包括快速改变各个换向单元互相的相位位置(分别由上下导体回路中的线路路径、上路径中的相应线圈和二极管以及具有连接路径的开关组成)，使得通过相移脉冲出现的谐波始终交替。所述相位位置变化快速发生，以至于这种变化超过了测量接收器脉冲带宽的一半，从而减少了测量干扰。脉冲频率和相位位置变化频率的商优选对应于整数倍，这对控制行为具有积极影响。
例如，在130kHz的脉冲频率和13kHz的相位位置变化频率下，相位位置从180°变为90°(或者如测量中所示从90°变为45°)，并再次变回。由此产生的受相应交错影响的谐波减少，并且可以减少满足EMV标准所需的滤波器。
根据本发明的构思，现在可以同时影响多个谐波及其幅度分布。下面的图3至6中的图示例性地示出了标准化的无中值电流的频谱，所述电流通过信号发生器输出到测量接收器的输入端。在具有180°交错值的图3中，缺少二次谐波，因为仅130kHz及其倍数被屏蔽掉。在具有90°交错值的图4中，在260kHz处缺少三次谐波。在具有45°交错值的图5的情况下，缺少四次谐波。动态相位位置变化的优点由图6中的最小幅度清楚地示出，其中示出了“具有13kHz相位位置变化频率的从45°到90°交错抖动”的模式。
所述方法也可以与频率变化结合操作，以实现频谱的进一步磨平。当并联运行例如两个或多个逆变器时，所述方法也可用于电机换向。可以通过数学函数控制相位位置的变化，因此可以使用具有不同转变(跳跃，恒定变换等)以及连续变化相位的多个相位位置。各个相位位置中的相应时间跨度也可以选择为不同的长度。根据本发明的方法不仅对输入电流有影响，而且对由开关单元共同引起的干扰也有影响。
Claims (14)
1.一种用于降低电子换向装置的无线电噪声电压频谱的开关单元装置(1)，其具有用于动态改变交流电流i1到in的彼此相位偏移的装置，所述相位偏移的装置具有n个开关单元回路的相应相位，使得无线电噪声电压频谱降低，其中
并且n≥2。
2.根据权利要求1所述的开关单元装置(1)，其特征在于，所述相位偏移根据固定函数而变化。
3.根据权利要求1或2所述的开关单元装置(1)，其特征在于，所述相位偏移随时间的变化快速发生，使得由于测量接收器的脉冲宽度有限而使得无线电噪声电压频谱降低。
4.一种用于降低电子换向装置的无线电噪声电压的开关单元装置(1)，其优选地根据权利要求1至3中任一项所述，具有以下特征：
a.具有至少两个平行布置的线路路径(12、13)的至少一个第一导体回路(LS1)，所述线路路径的共同线路节点(10)与相应的第一输入侧共同接口(Ue1)连接，以用于馈入交流输入电压Uein，并且所述线路路径的第二共同线路节点(11)与相应的第一输出侧共同接口(Ua1)连接，以用于提供交流输出电压Uaus，并且
b.具有至少两条平行布置的线路路径(22、23)的至少一个第二导体回路(LS2)，所述线路路径的共同线路节点(20)与相应的第二输入侧共同接口(Ue2)连接，以用于馈入交流输入电压Uein，并且所述线路路径的第二共同线路节点(21)与相应的第二输出侧共接口(Ua2)连接，以用于提供交流输出电压Uaus，
c.在导体回路(LS1、LS2)之间提供分别具有至少一个开关(S1、S2)的线路路径(30、31)，
d.控制电路，其设计成用于相继地以二次偏移的方式打开和关闭开关，使电流的相位通过线路路径彼此偏移，以使在电流i1至in中包含的电流峰值、高次谐波或谐波的一者或多者通过叠加部分电流而在总电流iges＝i1+i2+...+in中减少或消除。
5.根据权利要求3所述的开关单元装置(1)，其特征在于，所述控制电路设计成除了电流i1...in的相移
之外还叠加频率抖动以改变相移的频率。
6.根据权利要求4或5所述的开关单元装置(1)，其特征在于，所述第一开关(S1)布置在所述第一导体回路(LS1)的第一线路路径(12)和所述第二导体回路(LS2)的第一线路路径(22)之间的导电路径(30)中。
7.根据权利要求4、5或6的开关单元装置(1)，其特征在于，所述第二开关(S2)布置在所述第一导体回路(LS1)的第二线路路径(13)和所述第二导体回路(LS2)的第二线路路径(23)之间的导电路径(31)中。
8.根据前述权利要求4至7中任一项所述的开关单元装置(1)，其特征在于，第一二极管(D1)布置在所述第二导体回路(LS2)的第一导电路径(22)中。
9.根据前述权利要求4至8中任一项所述的开关单元装置(1)，其特征在于，第二二极管(D2)布置在所述第二导体回路(LS2)的第二导电路径(23)中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的开关单元装置(1)，其特征在于，所述开关(S1、S2)是电子开关，特别是功率半导体开关。
11.一种通过根据前述权利要求任一项所述的开关单元装置(1)降低电子换向装置的无线电噪声电压的方法，其至少包括以下步骤：
-控制电路相继地以二次偏移的方式切换开关(S1、S2)，使得通过线路路径(22)的电流i1的相位和通过第二线路路径(23)的电流i2的相位彼此偏移，以使得电流i1和i2中包含的电流峰值或谐波的一者或多者通过叠加部分电流而在总电流iges＝i1+i2中减少或消除。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过所述控制电路，在相移
上叠加频率抖动以快速改变频率。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中相位位置变化的频率在13kHz的范围内。
14.根据权利要求11或12所述的方法，通过频率抖动将相位位置从180°改变到90°，或从90°改变到45°。
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