Suppressing Electromagnetic Interference in Switching Converters by Chaotic Duty Modulation

Song, Yuhong

A switching power supply, namely switching converter, which is characterized by high efficiency, small volume and light weight, has developed rapidly in recent years and has been gradually deployed instead of linear power supplies in electronic and electrical domains. The switching power supply makes use of the pulse-width modulation (PWM) technology to control the nonlinear components, so that they have a switching action of high frequency, resulting in high change rates of voltage and current. Consequently, the switching converter generates serious electromagnetic interference (EMI), which impairs other devices' performance and harms human being's health. Hence, suppressing EMI has become a common concern in the design and the application of switching converters. Traditionally, EMI is dealt by filtering or shielding, or both. Filtering aims to reduce the conducted EMI by adding the filters to the system. In practice, multiple filters should be employed in a switching converter because a single filter is restricted by its narrow frequency band. Shielding aims to block the converter from emitting or receiving the radiated EMI with barriers made of conductive material. These traditional filtering and shielding techniques have the disadvantages in weight, size and cost, and their engineering applications depend on the experience of engineers. Additionally, it has been found that soft switching technique can be used to reduce EMI. However, it needs an auxiliary control module to guarantee zero voltage or zero current during the transformational period of transistors, resulting in a complicated design. Hence, using chaos in switching converters has become new preferable technique to tackle the EMI problems due to the pseudo-random and continuous spectrum characteristics of chaos. As a way of chaos technique, chaotic modulation has been developed to suppress EMI of the switching converter by dispersing the energy into a wide frequency band and smoothing the peaks of the EMI spectrum. It is well known that the effectiveness of EMI suppression is related to chaotic signals used for chaotic modulation. From this study, it is further found that the central frequency of a chaotic signal, corresponding to the largest peak of its frequency spectrum, should be close to a half of the switching frequency of a power supply to reach optimal EMI suppression. Unlike the well-studied chaotic frequency modulation, the chaotic duty modulation is concerned in this dissertation, which is just to change the duty of the transistor driving-pulse while maintains the fixed switching frequency. Chaotic duty modulation is realized by appending an external chaotic signal to the existing PWM module of the switching converter, which is practicable without the loss of the generality. It is followed with a qualitative verification of the stability of the power supply under chaotic duty modulation via the classic control theory, and very practically, the remaining useful life through the failure model and critical components, which is also ensured under chaotic duty modulation. It is thus verified that this proposal of using chaotic duty modulation in switching converters for EMI suppression is feasible in practice and lays a foundation for industrial applications.

Auf Schaltwandlern beruhende und sich durch hohen Wirkungsgrad, geringes Volumen und geringes Gewicht auszeichnende Schaltnetzteile haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und nach und nach lineare Stromversorgungen in elektronischen und elektrischen Anwendungen verdrängt. Weil Schaltnetzteile die Technik der Pulsweitenmodulation (PWM) zur Regelung ihrer nichtlinearen Komponenten verwenden, vollziehen sich die Schaltvorgänge mit hoher Frequenz, was zu hohen Änderungsgeschwindigkeiten von Spannung und Strom führt. Folglich erzeugen Schaltwandler erhebliche elektromagnetische Interferenzen (EMI), d.h. Störungen, die die Funktion anderer Geräte beeinträchtigen und die Gesundheit von Menschen schädigen. Daher ist EMI-Unterdrückung ein gemeinsames Anliegen der Gestaltung und des Einsatzes von Schaltwandlern geworden. Traditionell wird EMI mit Filtern, Abschirmen oder beidem begegnet. Durch Erweiterung von Systemen um Filter sollen leitungsgeführte EMI reduziert werden. In der Praxis sollten mehrere Filter in einem Schaltwandler eingesetzt werden, da ein einziges Filter durch sein schmales Frequenzband begrenzt ist. Abschirmung soll Wandler am Emittieren oder Empfangen abgestrahlter EMI mittels Barrieren aus leitfähigem Material hindern. Nachteile der traditionellen Filter- und Abschirmtechniken sind Gewicht, Größe sowie Kosten, und dass ihr Einsatz erfahrene Ingenieure erfordert. Zwar wurde festgestellt, dass EMI mit sog. Weichem Schalten reduziert werden kann. Jedoch führt dies zu komplizierteren Entwürfen, weil dazu Hilfsregelmodule erforderlich sind, die während der Schaltperiode der Transistoren den Wert Null von Spannung oder Strom gewährleisten. Aufgrund des pseudozufälligen Verhaltens von mathematischem Chaos und seinem kontinuierlichen Leistungsspektrum hat sich Chaosregelung in Schaltwandlern als bevorzugte neue Technik zur Bewältigung von EMI-Problemen etabliert. Als eine Form der Chaosregelung wurde chaotische Modulation entwickelt, um EMI von Schaltwandlern durch Verteilung der Störenergie auf breite Frequenzbänder und Glätten der spektralen Störspitzen zu unterdrücken. Die Wirksamkeit der EMI-Unterdrückung hängt von den zur chaotischen Modulation verwendeten Signalen ab. In der vorliegenden Arbeit wird festgestellt, dass die der größten Spitze im Frequenzspektrum eines chaotischen Signals entsprechende sog. Mittenfrequenz der Hälfte der Schaltfrequenz eines Schaltnetzteils möglichst nahe sein sollte, um optimale EMI-Unterdrückung zu erreichen. Im Gegensatz zur gut untersuchten chaotischen Frequenzmodulation wird in der vorliegenden Arbeit chaotische Tastmodulation betrachtet, die bei Festhalten der Schaltfrequenz nur die Tastperiode der Transistoransteuerung ändert. Chaotische Tastmodulation wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit durch Anhängen eines externen chaotischen Signals an das in einem Schaltwandler vorhandene PWM-Modul realisiert. Die Stabilität mit chaotischer Tastmodulation geregelter Stromversorgungen wird mittels klassischer Regelungstheorie qualitativ überprüft und die verbleibenden Nutzungsdauern werden aus einem Ausfallmodell der kritischen Komponenten abgeleitet, was von besonderem praktischen Interesse ist. Damit erweist sich der Einsatz chaotischer Tastmodulation zur EMI-Unterdrückung in Schaltwandlern als praktikabel und ist die Grundlage für industrielle Anwendungen gelegt.

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Song, Yuhong: Suppressing Electromagnetic Interference in Switching Converters by Chaotic Duty Modulation. Hagen 2016. FernUniversität in Hagen.

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