电力电子电路的电磁干扰信号滤波方法探讨.docx

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电力电子电路的电磁干扰信号滤波方法探讨

电力电子电路的电磁干扰信号滤波方法探讨

西北工业大学电气工程

摘要

电力电子电路中的强电磁信号可造成对传感器检测信号、控制给定信号等的干扰，使得系统性能变差，本文针对电力电子变换器电路的这些问题，进行了电力电子电路的电磁干扰信号滤波方法探讨。

作为基础知识，本文阐述了电力电子电路中电磁干扰的基本概念，电磁干扰滤波基本方法等内容，对比了模拟滤波方法与数字滤波方法的特点，针对数字滤波方法依次讨论了维纳滤波方法、卡尔曼滤波方法、自适应滤波方法，并对各种电磁干扰滤波方法作出对比评价。

本文重点探究了基于小波自相关函数的电磁干扰有源滤波方法，制定出基于小波自相关函数的电磁干扰有源滤波的基本步骤，并用小波自相关函数的知识分析了电磁干扰滤波的方法，并对该电磁干扰滤波方法作出了分析与评价。

结果表明，针对电力电子电路中的电磁干扰，尤其是功率开关器件产生的高频电磁干扰，小波分析能够在短时间内确定信号的幅度相位等特征信息，实现噪声的精确重构，以便于用电磁干扰有源滤波,进行噪声的有源抵消。

基于小波分析的电磁干扰数字化有源滤波算法克服了传统电磁干扰滤波方法中检测精度不高、传感器带宽不易控制的缺点，能够准确实现高频开关噪声的延时逐点补偿，达到滤除电力电子电路中电磁干扰的目的。

关键字电磁干扰小波变换有源滤波

绪论

1、电磁干扰的产生

电力电子电路在工作过程中，不可避免的要产生一些强电磁信号，例如开关电源工作在高频开关状态，内部会产生很高的电流、电压变化率，导致开关电源产生较强的电磁干扰。

并且，随着现代电子技术的快速发展，电子电气设备的广泛应用，处于同一工作环境的各种电子、电气设备的距离越来越近，电子电路工作的外部环境也进一步恶化。

1.1、电磁干扰的分类

电磁干扰一般分为两种：

传导干扰和辐射干扰。

其中，传导型的电磁干扰，干扰噪声沿着电导体、电线、印刷电路的线路或者变压器、电感、电容、半导体以及电阻器等电子元件传输，传导型电磁干扰主要分为两种类型：

共模噪声（CMN）以及差模噪声（DMN）。

大多数电力电子电路，比如开关电源工作时，在电源线上既会产生很强的共模干扰，也会产生很强的差模干扰。

对于辐射型的电磁干扰，它像磁场或无线电波一样通过空气或自由空间传输。

①、共模噪声

共模噪声又称为非对称噪声或线路对地的噪声，在交流输入的两端（输电线和中线）都存在这种噪声，两者对地的相位保持同相。

共模噪声的电流在两个输电线上以相同的方向流动并通过地线返回。

共模噪声可以通过在电磁干扰滤波器中放置与每条输电线串联的电感并在两个输电线和地之间使用Y电容进行连接来予以抑制。

②、差模噪声

差模噪声又称为正常型、对称噪声或线路间噪声，它存在于交流线路和中性导线中，二者相位差为180°。

差模噪声的电流沿着一条交流线流出，并沿着另一条交流线返回，在地线中不存在差模噪声电流。

差模噪声可以通过在电磁干扰滤波器中使用X电容进行抑制，电容连接在输电线（输电线和中线）之间，对差模信号起到高频分流的作用。

在差模噪声非常大的情况下，可能需要增加差模抑制电感。

③、寄生噪声

寄生噪声与电路中意外产生或传输的电噪声（共模噪声和差模噪声）有关。

例如，安装在PCB上的开关型半导体器件或带有细小绝缘体的散热片可能会包含少量的寄生或杂散电容元件。

这些在高频处被忽视的杂散电容元件，或者其带有非常快速的开关脉冲上升和下降时间，会促进寄生噪声向电路或系统中其他部分的传输和耦合。

这一点适用于所有的电子元件。

④、此外

有时进入供电电源的交流输电线带有很多的噪声，因此需要额外的电磁干扰滤波器。

这种输入噪声可能以能量的尖峰或猝发脉冲形式存在。

它可能是自然原因引起的，如雷雨，也可能是人为产生的，如所操作的某个工业设备含有大型的电动机、制动器、螺线管等。

1.2、电磁干扰噪声源

电磁干扰噪声属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声源，现在按噪声干扰源来分别说明：

①、二极管的反向恢复时间引起的干扰

交流输入电压经功率二极管整流桥变为正弦脉动电压，经电容平滑后变为直流，但电容电流的波形不是正弦波而是脉冲波。

由电流波形可知，电流中含有高次谐波，大量电流谐波分量会造成强烈的电磁干扰。

②、开关管工作时产生的谐波干扰

功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。

例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在电阻性负载时近似为矩形波,其中含有丰富的高次谐波分量。

当采用零电流、零电压开关时,这种谐波干扰将会很小。

另外,功率开关管在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变,也会产生尖峰干扰。

③、其他原因

元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置，以及方位的不合理都会造成电磁干扰。

1.3、电磁干扰的滤波亟待解决

电磁干扰信号不仅影响到电力电子电路本身的正常工作，并且会对电网造成污染，还直接影响到其他用电设备的正常工作，而且作为辐射干扰闯入空间，造成电磁污染，制约着人们的生产和生活。

2、滤波方法背景和现状

2.1、电磁干扰滤波方法背景

随着电子设备的大量涌现和广泛普及，电磁干扰日益严重并形成一种公害，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、随机性强，对电力电子电路易产生严重干扰，这已引起国内外电子界的高度重视。

无论是在电源还是在电子设备的内部，保持内部产生的噪声不向外泄漏以及防止外部交流线路噪声进入设备，这正是电磁干扰滤波器的功能。

EMI滤波器能有效抑制电网噪声，提高电子仪器、计算机和测控系统的抗干扰能力度可靠性。

电力电子电路中的强电磁信号可造成对传感器检测信号、控制给定信号的干扰，使得系统性能变差，概括地说，滤波器的作用是仅允许工作必需的信号频率通过，而对工作不必需的信号频率有很大的衰减作用，这样就使产生干扰的机会减少。

滤波方法是否显著有效，直接决定了电力电子电路性能的优劣，使用电磁干扰滤波电路是为了使最终产品满足适用的电磁兼容性标准。

2.2、电磁干扰滤波方法现状

滤波最实用的方法就是实用滤波器，因为有害的电磁干扰的频率要比正常信号频率高得多，所以电磁干扰滤波器是通过选择性地阻拦或分流有害的高频来发挥作用的。

基本上，电磁干扰滤波器的感应部分被设计作为一个低通器件使交流线路频率通过，同时它还是一个高频截止器件。

电磁干扰滤波器的其他部分使用电容来分路或分流有害的高频噪声，使这些有害的高频噪声不能到达敏感电路。

最终结果是，电磁干扰滤波器显著降低或衰减了所有要进入或离开受保护电子器件的有害噪声信号。

在电磁干扰抑制中，低通滤波器使用得最多，因为：

1）、电磁干扰大多是频率较高的信号，因为频率越高的信号越容易辐射和耦合。

2）、数字电路中许多高次谐波是电路工作所不需要的，必须滤除，以防止对其他电路产生干扰。

3）、电源线上的滤波器都是低通滤波器。

常用的低通滤波器是用电感和电容组合而成的，电容并联在要滤波的信号线与信号地线之间或信号线与机壳地或大地之间，电感串联在要滤波的信号线上。

按照电路结构分，有单电容型（C型）、单电感型（L型）、r型和反r型、T型和丌型。

不同结构的滤波电路主要有两点不同：

1）、电路中的滤波器件越多，则滤波器阻带的衰减越大，滤波器通带与阻带之间的过渡带越短。

2）、不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和负载阻抗。

3、滤波过程示意图

第一章、滤波的基本概念、基本方法

1、滤波的基本概念

滤波是信号处理中的一个重要概念，滤波分经典滤波和现代滤波。

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N

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y

EJ/lV[ja0经典滤波的概念，是根据傅立叶分析和变换提出的一个工程概念。

根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。

换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。

只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。

任何一个电子系统都具有自己的频带宽度（对信号最高频率的限制），频率特性反映出了电子系统的这个基本特点。

而滤波器，则是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路。

r0dxix0理想滤波器的行为特性通常用幅度-频率特性图描述，也叫做滤波器电路的幅频特性。

理想滤波器的幅频特性如图所示。

图中，w1和w2叫做滤波器的截止频率。

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2、滤波的基本方法举例、比较

滤波方法分类：

模拟滤波（硬件滤波），数字滤波（软件滤波）

2.1、模拟滤波

模拟滤波就是采用一定规格的电阻、电容组成的RC滤波器或采用电感、电容组成的LC滤波器等模拟滤波器进行滤波。

硬件滤波的优点在于不需要进行复杂的程序处理，反应灵敏。

2.2、数字滤波

2.2.1、数字滤波概念

如果对模拟信号进行离散采样，通过软件算法对采样信号进行平滑加工，增强有效信号，消除或减少噪声，从而达到滤波的目的，称为数字滤波方法，也称为数字滤波器。

数字滤波的优势在于不需要硬件的投入，而且可靠性高、稳定性好，不存在阻抗匹配问题。

数字滤波还可以根据实际输入信号的不同．采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强等特点。

对多通道测量系统，模拟滤波通常是各通道专用，而数字滤波则可多通道共享，降低了成本。

2.2.2、数字滤波性能

数字滤波具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。

数字滤波在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。

数字滤波有低通、高通、带通、带阻和全通等类型。

它可以是时不变的或时变的、因果的或非因果的、线性的或非线性的。

应用最广的是线性、时不变数字滤波器。

2.2.3、数字滤波器的分类

数字滤波器滤波器可以分为两大部分：

即经典滤波器和现代滤波器。

1）、经典滤波器就是假定输入信号中的有用成分和希望滤除成分分别位于不同的频带，因而我们通过一个线性系统就可以对噪声进行滤除，如果噪声和信号的频谱相互混叠，则经典滤波器得不到滤波的要求。

2）、现代滤波器是从含有噪声的信号估计出有用的信号和噪声信号。

这种方法是把信号和噪声本身都视为随机信号，利用其统计特征，如自相关函数，互相关函数，自功率谱，互功率谱等引导出信号的估计算法，然后利用数字设备实现。

目前主要有维纳滤波，卡尔曼滤波，自适应滤波等数字滤波器。

2.2.4、模拟滤波和数字滤波的比较：

模拟滤波主要是通过电容电阻来组合起来滤波的，这个成本很低，而且特别好实现，如果要求的不精确的话这种硬件滤波最好不过了，但是如果要求精确的话，就不行，因为这种用电容电阻组成的滤波器他的陡峭性一点都不好，所以在要求精确的频率滤除的情况下很可能将有用的信号也给滤除掉了。

因此，硬件滤波便宜，容易实现，但是如果有效信号频率和滤除信号频率比较接近的话效果不好。

数字滤波主要是讲DSP，这个滤波由于采用的是先将模拟信号数字化，然后再将得到的数字信号用现有的滤波器函数来处理，然后将处理过后的有用的数字信号再转化为模拟信号（视需要而定），这样的处理方法可以得到要求很精确滤波器。

效果很好。

因此，软件滤波效果好，但是复杂，成本高，如果自己想做的话，至少要有DSP的开发环境。

2.2.5、典型的数字滤波方法分析

1）、维纳滤波方法

①、维纳滤波是一种基于最小二乘估计的滤波方法，适用于需要从噪声中分离出的有用信号是整个信号（波形），而不只是它的几个参量。

②、维纳滤波方法的优点：

适应面较广，无论平稳随机过程是连续的还是离散的，是标量的还是向量的，都可应用。

对某些问题，还可求出滤波器传递函数的显式解，并进而采用由简单的物理元件组成的网络构成维纳滤波器。

③、维纳滤波方法的缺点：

要求得到半无限时间区间内的全部观察数据的条件很难满足，同时它也不能用于噪声为非平稳的随机过程的情况，对于向量情况应用也不方便。

2）、卡尔曼滤波方法

①、卡尔曼滤波是一种最佳线性滤波方法，它是使用前一个估计值和最近的观测值，应用一种递推算法来得到当前信号估计值，适用于平稳与非平稳信号的情况。

②、卡尔曼滤波方法的优点：

卡尔曼滤波器对混有噪声的信号进行处理时，滤除了信号中混有的噪声，得到的估计信号波形与输入信号波形很近似，只是它们的幅度有一些不同，从这一点来看，卡尔曼滤波器对信号的的滤波效果不错。

③、卡尔曼滤波方法的缺点：

应用卡尔曼滤波器时首先应确立描述实际动态系统物理过程的状态变量和接收波形；其次要确立噪声和接收波形的统计特性。

所以卡尔曼滤波是建立在模型准确，已知噪声统计特性的基础上的最优滤波。

但在实际应用中由于这些先验信息难以准确掌握，滤波得到的状态估计可能有偏，且估计误差的方差可能很大，甚至可能趋于无穷大。

从而引起滤波器发散，失去滤波的最优作用。

3）、自适应滤波方法

自适应滤波是利用前一时刻已获得的滤波器参数等结果，自动地调节当前时刻的滤波器参数，以适应信号与噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。

设计自适应滤波器时，可以不必预先知道信号与噪声的自相关函数，在滤波过程中，即使信号与噪声的自相关函数随时间缓慢变化，滤波器也能自动适应，自动调节到满足均方误差最小的要求。

第二章、关于小波变换

1、小波的基本概念

1.1、小波是什么？

小波可以简单的描述为一种函数，这种函数在有限时间范围内变化，并且平均值为0。

这种定性的描述意味着小波具有两种性质:

A、具有有限的持续时间和突变的频率和振幅；B、在有限时间范围内平均值为0。

1.2、小波的“容许”条件

用一种数学的语言来定义小波，即满足“容许”条件的一种函数，“容许”条件非常重要，它限定了小波变换的可逆性。

小波本身是紧支撑的，即只有小的局部非零定义域，在窗口之外函数为零；本身是振荡的，具有波的性质，并且完全不含有直流趋势成分，即满足

1.3、为什么选择小波

小波提供了一种非平稳信号的时间-尺度分析手段，不同于FT方法，与STFT方法比较具有更为明显的优势。

1.4、小波的基本类型

1.4.1、关于小波有两种典型的概念

小波变换分为：

连续小波变换，离散小波变换。

1.4.2、连续小波变换

①、连续小波变换定义

可见，连续小波变换的结果可以表示为平移因子a和伸缩因子b的函数。

平移因子使得小波能够沿信号的时间轴实现遍历分析，伸缩因子通过收缩和伸张小波，使得每次遍历分析实现对不同频率信号的逼近。

②、连续小波变换实现过程

首先选择一个小波基函数，固定一个尺度因子，将它与信号的初始段进行比较；然后，通过CWT的计算公式计算小波系数（反映了当前尺度下的小波与所对应的信号段的相似程度）；然后，改变平移因子，使小波沿时间轴位移，重复上述两个步骤完成一次分析；然后，增加尺度因子，重复上述三个步骤进行第二次分析；最后，循环执行上述四个步骤，直到满足分析要求为止。

1.5、小波逆变换

如果小波函数满足“容许”条件，那么连续小波变换的逆变换是存在的：

2、小波的工程应用——小波降噪

小波降噪主要包括：

小波模极大值降噪、基于小波系数尺度间相关性的去噪法、小波阈值去噪法。

其中以小波阈值降噪方法最为经典。

小波阈值降噪法的基本原理是，经小波变换后得到的小波系数，包含信号本身信息和噪声信息，一般情况下，随机噪声的小波系数非常小，这样可以设定一个阈值，对小于该阈值的小波系数置零，然后利用处理后的小波系数重构原信号即可实现降噪。

根据阈值选择方法的不同，可以分为硬阈值、软阈值和自适应阈值，也有些研究者在此基础上对阈值函数进行了改进，提出了改进阈值函数。

第三章、基于小波自相关函数的电磁干扰有源滤波方法

1、小波自相关函数的电磁干扰有源滤波方法的提出

针对电力电子电路在换流过程所产生高频开关噪声的各项特征，提出了基于小波自相关函数的电磁干扰有源滤波新方法。

该方法运用小波多分辨分析实现了电网侧开关噪声的快速提取，再根据复小波变换获得噪声的有效幅度谱和相位谱信息，并结合自相关函数辨识出干扰信号的主频，从而建立了一种多层次处理和多层次描述的噪声辨识方法。

研究结果表明，该方案能够克服传统干扰抵消抑制技术中频谱泄露的问题，提高检测精度，因而有源抑制为高频开关噪声提供了新的思路。

目前，为了有效地抑制开关器件产生的电磁噪声，提出了多种不同类型的电磁干扰有源滤波器。

根据补偿信号的不同,电磁干扰有源滤波器可以分为电流型补偿和电压型补偿。

根据控制方法的不同，可以分为前馈控制型、反馈控制型、以及前馈反馈混合控制型。

近来，又出现了与无源滤波器相结合的混合型电磁干扰有源滤波器。

但是，上述各种电磁干扰有源滤波器噪声信号的检测均采用基于域分析的模拟高通滤波器检测法，其缺点在于为了将电网侧50Hz工频信号与微弱的噪声信号完全分离，传感器的下限截止频率必须足够高，致使其有效频带变窄，造成取样噪声信号的频率丢失。

另外，滤波器中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性，检测精度无法保证。

目前，尚没有在电磁干扰有源滤波器中采用数字技术进行电磁干扰"信号检测以及有源补偿的报道。

2、利用小波自相关函数消除开关噪声

2.1、小波分析算法

从数学角度看，能量函数

即

的小波变换就是将

分解为不同尺度（频率）的信号，其定义为函数族：

上式为积分核的积分变换，即：

式中：

a为尺度参数，b为定位参数。

改变a，对函数具有伸展和收缩的作用，改变b，会影响函数在时间轴上的平移。

设

的中心为

，半径为

，则可知

的中心为

，半径为

。

由式

（1）可知，小波变化给出了信号

具有一个时间：

的局部信息。

由于小波基函数快速衰减的特性，时窗范围之外的部分可以被忽略。

同理，可以计算出频窗

为：

如果把

作为频率变量

，把平面

作为时间-频率平面，则在平面

上具有一个矩形的时间-频率窗，即：

当分析高频分量时，时窗自动变窄，频窗高度增加；当分析检测低频特性时，时窗自动变宽，频窗高度减少。

时-频窗面积受Heisenberg测不准原理限制，为一常数

，从滤波的观点看，

相当于一个带通滤波器，其中心频率和带宽之比为：

它与中心频率的位置无关。

2.2、基于小波自相关函数的电磁干扰有源滤波的实现

电磁干扰有源滤波器的实质就是要产生一个与被测信号幅度相等、相位相反的补偿信号，以抵消噪声，采用小波分析法实现电磁干扰有源滤波的流程如下图所示。

只要估计出开关噪声的主频，结合前面小波分析得到的信号幅值和相位信息，就能够保证经过运算的延时之后，仍可以在正确的时刻将重构信号以合适的相位补偿回去。

开关噪声的主频估计是基于自相关函数法，这是一种统计方法。

时间序列信号

在不同滞后时间

下的相关量称为该时间序列信号的自相关函数：

如果观测值的点数为N，则估计

的方法为：

由于

只有N个观测值，因此对于每一个固定的延迟m，可以利用的数据只有

个，且在

的范围内，

。

考虑乘积项的长度，自相关序列的估计为：

通过计算超出一定门限的极大值点，测得相邻两个极大值间的时间间隔!

即可得到开关噪声的周期，具体步骤如下：

（1）、把小波变换后的结果作为被处理信号，取足够长的数据!

计算其自相关函数；

（2）、通过遍历查找，确定若干局部极大值点

计算相邻两个极大值之间的时间；

（3）、对各点所对应的周期取平均值!

排除误差最大点；

（4）、对剩余各点所对应的周期取平均值，其结果即近似为开关噪声的周期，对其求倒数，即为开关噪声的主频。

获知了噪声信号的主频，才有可能对其进行精确定位，实现延时逐点补偿!

从而达到噪声有源抑制的目的。

2.3、分析与结论

（1）、针对电力电子装置的功率开关器件产生的高频电磁干扰，小波分析能够在短时间内确定信号的幅度、相位等特征信息，实现噪声的精确重构，以便于用电磁干扰有源滤波方法进行噪声的有源抵消。

（2）、基于小波分析的电磁干扰数字化有源滤波算法克服了传统电磁干扰有源滤波中检测精度不高、传感器带宽不易控制的缺点，能够准确实现高频开关噪声的延时逐点补偿，达到净化电网的目的。

（3）、本文所提出的基于小波自相关函数的分析方法为开关噪声的有源抑制提供了新的思路。

结束语

针对电力电子电路中的电磁干扰，尤其是功率开关器件产生的高频电磁干扰，小波分析能够在短时间内确定信号的幅度相位等特征信息，实现噪声的精确重构，以便于用电磁干扰有源滤波,进行噪声的有源抵消。

基于小波分析的电磁干扰数字化有源滤波算法克服了传统电磁干扰滤波方法中检测精度不高、传感器带宽不易控制的缺点，能够准确实现高频开关噪声的延时逐点补偿，达到滤除电力电子电路中电磁干扰的目的。

但本文大多为理论阐述，还必须做大量的试验并加以分析、判断，积累经验，不断实践才会有所突破。