论文部分内容阅读
摘 要：通过对功率MOSFET PWM驱动电路的电磁兼容性研究，利用multisim仿真软件对有无滤波器电路进行高次谐波分析，满足了传导型电磁兼容性标准的要求。
关键词：滤波电路；multisim仿真；功率MOSFET；PWM驱动
中图分类号：TP331 文献标识码：A DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.06.023
MOSFET具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高的特点。另外，由于MOSFET是双极型电子晶体管，因此它具有很好的热稳定性。这使得它被广泛应用于开关电源、工业控制、工程车辆等领域。采用PWM驱动技术，功率MOSFET管始终在开通和关断两种状态间进行切换。在PWM的高频输出达20KHZ的情况下，功率MOSFET的通断会产生很大的瞬态电压，从频域来说瞬态电压会含有丰富的谐波成分，产生较大的辐射噪声，特别是当执行器为感性负载(如比例阀)，这种现象会更加明显。[1]另外，恶劣的外部环境，PWM信号的高次谐波都是电磁干扰的主要来源。工业控制中，滤波器的使用对噪声有较为明显的衰减作用，这有助于降低高频噪声，防止高频噪声向外界辐射。本文对一种带滤波的PWM驱动电路进行了电磁兼容性研究。
POWER为12V电源输入端；PWM为信号输入端，占空比取50%；IRFR9024N型功率开关管基本参数为：VGS(th)=-2V,RDS(on)=0.175Ω，ID=-11A，VDSS=-55V,Ciss=350pF,C oss=170Pf,Crss=92pF;CO3是小容量电容用于滤除高频噪声;CO2与RO4，L1，DO1组成EMI滤波器电路;DO2是型号为SMBJ30A的TVS管，与执行器并联，实现过压保护;RC1作用是使输出电流波形平滑；F1为自恢复保险丝，实现过流保
通常采用滤波的方法能有效的抑制尖峰脉冲、谐波和多种原因产生的传导干扰，同时对射频辐射也有显著的抑制效果。此处的EMI电源滤波器的抑制对象主要是针对传导干扰信号。至于开关电源存在的辐射干扰则需要通过屏蔽或其他方法解决。[3]设计滤波电感值根据输出电压、输出电流和开关频率，以及允许的电感电流最大纹波值来计算，而且所得的电感值还应保证电感不进入不连续模式工作。滤波电容的选择应满足最大输出纹波电压的要求，并且应该并联一小容量电容以滤除高
频噪声。[4]
图5 有无滤波器时谐波电压曲线
分析电压谐波图可以看出，若取PWM的输出频率为1K，则滤波器对30kHz谐波电压的衰减到90dBuV，200KHz谐波电压的衰减到了59dBuV。若取PWM的输出频率为10K，则滤波器对100kHz谐波电压的衰减到89dBuV，600kHz谐波电压的衰减到了60dBuV。若取PWM的输出频率为20K，则滤波器对300kHz谐波电压的衰减到78dBuV，800kHz谐波电压的衰减到了59dBuV。随着频率的升高谐波电压值越低，表明抑制干扰噪声能力愈强。在国内关于传导型EMI规范GJB-151A中CE102规定频率为10kHz～10MHz的电源线传导发射极限值为94～60dBuV。
从图5可以看出无论PWM基频值多大，无滤波器的PWM驱动电路谐波电压曲线均高于CE102标准曲线，不满足电磁兼容性标准的要求。有滤波的PWM驱动电路谐波电压曲线明显低于无滤波电路，有效降低了谐波电压幅值。滤波电路PWM基频为1K的谐波电压曲线低于CE102标准曲线，完全满足了传导型电磁兼容性标准的要求。PWM基频为10K、20K的谐波电压曲线在高频800KHz以上低于CE102标准曲线，满足了电磁兼容性标准的要求。而曲线在低频段10K~800KHz时高于CE102标准曲线，不满足要求，这是研究的不足之处，电路参数需要进一步改进。
本文对PWM驱动比例阀电路进行了电磁兼容性分析。通过multisim软件分别对不同基频的控制器输出电压进行傅里叶变换,得到高次谐波电压频谱曲线，并与GJB-151A中的CE102规范进行比对：PWM基频为1K的谐波电压曲线低于CE102规定的极限值，满足电磁兼容性标准的要求；而PWM基频为10K、20K谐波电压曲线在低频800kHz以下不符合CE102规范，局部满足了电磁兼容性的标准，电路参数有待于
关键词：滤波电路；multisim仿真；功率MOSFET；PWM驱动
中图分类号：TP331 文献标识码：A DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.06.023
MOSFET具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高的特点。另外，由于MOSFET是双极型电子晶体管，因此它具有很好的热稳定性。这使得它被广泛应用于开关电源、工业控制、工程车辆等领域。采用PWM驱动技术，功率MOSFET管始终在开通和关断两种状态间进行切换。在PWM的高频输出达20KHZ的情况下，功率MOSFET的通断会产生很大的瞬态电压，从频域来说瞬态电压会含有丰富的谐波成分，产生较大的辐射噪声，特别是当执行器为感性负载(如比例阀)，这种现象会更加明显。[1]另外，恶劣的外部环境，PWM信号的高次谐波都是电磁干扰的主要来源。工业控制中，滤波器的使用对噪声有较为明显的衰减作用，这有助于降低高频噪声，防止高频噪声向外界辐射。本文对一种带滤波的PWM驱动电路进行了电磁兼容性研究。
POWER为12V电源输入端；PWM为信号输入端，占空比取50%；IRFR9024N型功率开关管基本参数为：VGS(th)=-2V,RDS(on)=0.175Ω，ID=-11A，VDSS=-55V,Ciss=350pF,C oss=170Pf,Crss=92pF;CO3是小容量电容用于滤除高频噪声;CO2与RO4，L1，DO1组成EMI滤波器电路;DO2是型号为SMBJ30A的TVS管，与执行器并联，实现过压保护;RC1作用是使输出电流波形平滑；F1为自恢复保险丝，实现过流保
通常采用滤波的方法能有效的抑制尖峰脉冲、谐波和多种原因产生的传导干扰，同时对射频辐射也有显著的抑制效果。此处的EMI电源滤波器的抑制对象主要是针对传导干扰信号。至于开关电源存在的辐射干扰则需要通过屏蔽或其他方法解决。[3]设计滤波电感值根据输出电压、输出电流和开关频率，以及允许的电感电流最大纹波值来计算，而且所得的电感值还应保证电感不进入不连续模式工作。滤波电容的选择应满足最大输出纹波电压的要求，并且应该并联一小容量电容以滤除高
频噪声。[4]
图5 有无滤波器时谐波电压曲线
分析电压谐波图可以看出，若取PWM的输出频率为1K，则滤波器对30kHz谐波电压的衰减到90dBuV，200KHz谐波电压的衰减到了59dBuV。若取PWM的输出频率为10K，则滤波器对100kHz谐波电压的衰减到89dBuV，600kHz谐波电压的衰减到了60dBuV。若取PWM的输出频率为20K，则滤波器对300kHz谐波电压的衰减到78dBuV，800kHz谐波电压的衰减到了59dBuV。随着频率的升高谐波电压值越低，表明抑制干扰噪声能力愈强。在国内关于传导型EMI规范GJB-151A中CE102规定频率为10kHz～10MHz的电源线传导发射极限值为94～60dBuV。
从图5可以看出无论PWM基频值多大，无滤波器的PWM驱动电路谐波电压曲线均高于CE102标准曲线，不满足电磁兼容性标准的要求。有滤波的PWM驱动电路谐波电压曲线明显低于无滤波电路，有效降低了谐波电压幅值。滤波电路PWM基频为1K的谐波电压曲线低于CE102标准曲线，完全满足了传导型电磁兼容性标准的要求。PWM基频为10K、20K的谐波电压曲线在高频800KHz以上低于CE102标准曲线，满足了电磁兼容性标准的要求。而曲线在低频段10K~800KHz时高于CE102标准曲线，不满足要求，这是研究的不足之处，电路参数需要进一步改进。
本文对PWM驱动比例阀电路进行了电磁兼容性分析。通过multisim软件分别对不同基频的控制器输出电压进行傅里叶变换,得到高次谐波电压频谱曲线，并与GJB-151A中的CE102规范进行比对：PWM基频为1K的谐波电压曲线低于CE102规定的极限值，满足电磁兼容性标准的要求；而PWM基频为10K、20K谐波电压曲线在低频800kHz以下不符合CE102规范，局部满足了电磁兼容性的标准，电路参数有待于