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，通過傳感和測量技術(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?？墒?，這類通信開關(guān)電源有一個不足之處：其開關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)時(shí)，它會在開關(guān)頻率和諧振頻率下產(chǎn)生電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）。電磁干擾信號有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會污染電力通信環(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)通信傳輸中會產(chǎn)生傳導(dǎo)性干擾，會造成傳輸信號畸變而引起行車安全事故[3-7]。

針對電力通信系統(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)后信號的數(shù)學(xué)模型，對斷續(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電源本身的電路或者電纜時(shí)，會發(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線圈，是感性負(fù)載。在導(dǎo)通瞬間，初級線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現(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產(chǎn)生與初級線圈接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個電磁噪聲會傳導(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)通工作過程中，將產(chǎn)生一個很高的電壓尖峰VFP；在二極管由導(dǎo)通狀態(tài)到阻斷工作過程中，存在一個反向恢復(fù)時(shí)間trr；在反向恢復(fù)過程中，由于存在二極管封裝電感及引線電感，將產(chǎn)生一個反向電壓尖峰VRP。由于電子的存儲與復(fù)合效應(yīng)，會產(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，高頻干擾信號會通過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，漏電感將會對電力通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁輻射干擾。

圖2 二極管正向?qū)ㄟ^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。對于一個周期信號尤其是方波來說，其能量主要分布在基頻信號和諧波分量中，諧波能量隨頻率的增加呈級數(shù)降低[10-12]。

由于次諧波的帶寬是基頻帶寬的倍數(shù)，可以通過并行擴(kuò)頻技術(shù)將諧波能量分布在一個更寬的頻率范圍上。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為信號功率。對任意給定的信噪比，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誤差的信息率。因此，只要對電磁傳導(dǎo)干擾擴(kuò)展其頻譜，再把擴(kuò)頻信號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個擴(kuò)頻信號中選取r個與其各自的相位極性狀態(tài)相同分量，這樣系統(tǒng)的信號量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，信號送入擴(kuò)頻序列器，從M個正交擴(kuò)頻序列中選出r個擴(kuò)頻序列和其相位極性，并等副相加，經(jīng)過載波調(diào)制后，信號可表示為

式中，P相當(dāng)于一個序列的功率。

在并行擴(kuò)頻器中使用M個解調(diào)器，將去載波之后的信號分別用本地?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)

用一個頻率較低的正弦信號（三角波或其他方式）對被測信號進(jìn)行調(diào)制而使被測信號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頻率為中心的一個較寬的頻帶上。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是相對于非擴(kuò)展頻率的擴(kuò)頻幅度；Vu是擴(kuò)展頻帶內(nèi)每個頻譜的電壓；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)通過并行擴(kuò)頻方法對斷續(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)算帶來的誤差和干擾也會對電力通信系統(tǒng)運(yùn)行帶來影響。

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疊加而導(dǎo)致峰值平均功率比升高引起的一系列信號干擾。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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