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?隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)關(guān)電源模塊因其相對(duì)體積小、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)開(kāi)始取代傳統(tǒng)整流電源而被廣泛應(yīng)用到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。但由于開(kāi)關(guān)電源工作頻率高,內(nèi)部產(chǎn)生很快的電流、電壓變化,即dv/dt和di/dt,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源模塊將產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波干擾和尖峰干擾,并通過(guò)傳導(dǎo)、輻射和串?dāng)_等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統(tǒng)的正常工作,當(dāng)然其本身也會(huì)受到其它電子設(shè)備電磁干擾的影響。這就是所討論的電磁兼容性問(wèn)題,也是關(guān)于開(kāi)關(guān)電源電磁兼容的電磁騷擾EMD與電磁敏感度EMS設(shè)計(jì)問(wèn)題。由于國(guó)家開(kāi)始對(duì)部分電子產(chǎn)品強(qiáng)制實(shí)行3C認(rèn)證,因此一個(gè)電子設(shè)備能否滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn),將關(guān)系到這一產(chǎn)品能否在市場(chǎng)上銷售,所以進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。
電磁兼容學(xué)是一門綜合性學(xué)科,它涉及的理論包括數(shù)學(xué)、電磁場(chǎng)理論、天線與電波傳播、電路理論、信號(hào)分析、通訊理論、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等。
進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)時(shí),首先進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),明確以下幾點(diǎn):
1. 明確系統(tǒng)要滿足的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn);
2. 確定系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵電路部分,包括強(qiáng)干擾源電路、高度敏感電路;
3. 明確電源設(shè)備工作環(huán)境中的電磁干擾源及敏感設(shè)備;
4. 確定對(duì)電源設(shè)備所要采取的電磁兼容性措施。
一、DC/DC變換器內(nèi)部噪聲干擾源分析
1.二極管的反向恢復(fù)引起噪聲干擾
在開(kāi)關(guān)電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續(xù)流二極管等,由于這些二極管都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),如圖所示,在二極管由阻斷狀態(tài)到導(dǎo)通工作過(guò)程中,將產(chǎn)生一個(gè)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(guò)程中,存在一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間trr,在反向恢復(fù)過(guò)程中,由于二極管封裝電感及引線電感的存在,將產(chǎn)生一個(gè)反向電壓尖峰VRP,由于少子的存儲(chǔ)與復(fù)合效應(yīng),會(huì)產(chǎn)生瞬變的反向恢復(fù)電流IRP,這種快速的電流、電壓突變是電磁干擾產(chǎn)生的根源。
電流電壓波形圖
2.開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生電磁干擾
二極管反向恢復(fù)時(shí)電流電壓波形 二極管正向?qū)娏麟妷翰ㄐ?nbsp;
在正激式、推挽式、橋式變換器中,流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似矩形波,含有豐富的高頻成分,這些高頻諧波會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾,在反激變換器中,流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似三角波,高次諧波成分相對(duì)較少。開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通時(shí),由于開(kāi)關(guān)時(shí)間很短以及逆變回路中引線電感的存在,將產(chǎn)生很大的dV/dt突變和很高的尖峰電壓,在開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí),由于關(guān)斷時(shí)間很短,將產(chǎn)生很大的di/dt突變和很高的電流尖峰,這些電流、電壓突變將產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。
3.電感、變壓器等磁性元件引起的電磁干擾:在開(kāi)關(guān)電源中存在輸入濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器、輸出濾波電感等磁性元件,隔離變壓器初次級(jí)之間存在寄生電容,高頻干擾信號(hào)通過(guò)寄生電容耦合到次邊;功率變壓器由于繞制工藝等原因,原次邊耦合不理想而存在漏感,漏電感將產(chǎn)生電磁輻射干擾,另外功率變壓器線圈繞組流過(guò)高頻脈沖電流,在周圍形成高頻電磁場(chǎng);電感線圈中流過(guò)脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)輻射,而且在負(fù)載突切時(shí),會(huì)形成電壓尖峰,同時(shí)當(dāng)它工作在飽和狀態(tài)時(shí),將會(huì)產(chǎn)生電流突變,這些都會(huì)引起電磁干擾。
4.控制電路中周期性的高頻脈沖信號(hào)如振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)等將產(chǎn)生高頻高次諧波,對(duì)周圍電路產(chǎn)生電磁干擾。
5.此外電路中還會(huì)有地環(huán)路干擾、公共阻抗耦合干擾,以及控制電源噪聲干擾等。
6.開(kāi)關(guān)電源中的布線設(shè)計(jì)非常重要,不合理布線將使電磁干擾通過(guò)線線之間的耦合電容和分布互感串?dāng)_或輻射到鄰近導(dǎo)線上,從而影響其它電路的正常工作。
7.熱輻射產(chǎn)生的電磁干擾,熱輻射是以電磁波的形式進(jìn)行熱交換,這種電磁干擾影響其它電子元器件或電路的正常穩(wěn)定工作。
二、外界的電磁干擾
對(duì)于某一電子設(shè)備,外界對(duì)其產(chǎn)生影響的電磁干擾包括:電網(wǎng)中的諧波干擾、雷電、太陽(yáng)噪聲、靜電放電,以及周圍的高頻發(fā)射設(shè)備引起的干擾。
三、電磁干擾的后果
電磁干擾將造成傳輸信號(hào)畸變,影響設(shè)備的正常工作。對(duì)于雷電、靜電放電等高能量的電磁干擾,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備。而對(duì)于某些設(shè)備,電磁輻射會(huì)引起重要信息的泄漏。
四、開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)
了解了開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部及外部電磁干擾源后,我們還應(yīng)知道,形成電磁干擾機(jī)理的三要素是還有傳播途徑和受擾設(shè)備。因此開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)主要從以下三個(gè)方面入手:1,減小干擾源的電磁干擾能量;2,切斷干擾傳播途徑;3,提高受擾設(shè)備的抗干擾能力。
正確了解和把握開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾源及其產(chǎn)生機(jī)理和干擾傳播途徑,對(duì)于采取何種抗干擾措施以使設(shè)備滿足電磁兼容要求非常重要。由于干擾源有開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的干擾源和外部的干擾源,而且可以說(shuō)干擾源無(wú)法消除,受擾設(shè)備也總是存在,因此可以說(shuō)電磁兼容問(wèn)題總是存在。
下面以隔離式DC/DC變換器為例,討論開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì):
1. DC/DC變換器輸入濾波電路的設(shè)計(jì)
如圖所示,F(xiàn)V1為瞬態(tài)電壓抑制二極管,RV1為壓敏電阻,都具有很強(qiáng)的瞬變浪涌電流的吸收能力,能很好的保護(hù)后級(jí)元件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z1為直流EMI濾波器,必須良好接地,接地線要短,最好直接安裝在金屬外殼上,還要保證其輸入、輸出線之間的屏蔽隔離,才能有效的切斷傳導(dǎo)干擾沿輸入線的傳播和輻射干擾沿空間的傳播。L1、C1組成低通濾波電路,當(dāng)L1電感值較大時(shí),還需增加如圖所示的V1和R1元件,形成續(xù)流回路吸收L1斷開(kāi)時(shí)釋放的電場(chǎng)能,否則L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會(huì)形成電磁干擾,電感L1所使用的磁芯最好為閉合磁芯,帶氣隙的開(kāi)環(huán)磁芯的漏磁場(chǎng)會(huì)形成電磁干擾,C1的容量較大為好,這樣可以減小輸入線上的紋波電壓,從而減小輸入導(dǎo)線周圍形成的電磁場(chǎng)。
DC/DC變換器輸入濾波電路
2.高頻逆變電路的電磁兼容設(shè)計(jì),如圖所示,C2、C3、V2、V3組成的半橋逆變電路,V2、V3為IGBT、MOSFET等開(kāi)關(guān)元件,在V2、V3開(kāi)通和關(guān)斷時(shí),由于開(kāi)關(guān)時(shí)間很快以及引線電感、變壓器漏感的存在,回路會(huì)產(chǎn)生較高的di/dt、dv/dt突變,從而形成電磁干擾,為此在變壓器原邊兩端增加R4、C4構(gòu)成的吸收回路,或在V2、V3兩端分別并聯(lián)電容器C5、C6,并縮短引線,減小ab、cd、gh、ef的引線電感。在設(shè)計(jì)中,C4、C5、C6一般采用低感電容,電容器容量的大小取決于引線電感量、回路中電流值以及允許的過(guò)沖電壓值的大小,LI2/2=C△V2/2公式求得C的大小,其中L為回路電感,I為回路電流,△V為過(guò)沖電壓值。
為減小△V,就必須減小回路引線電感值,為此在設(shè)計(jì)時(shí)常使用一種叫“多層低感復(fù)合母排”的裝置,由我所申請(qǐng)專利的該種母排裝置能將回路電感降低到足夠小,達(dá)10nH級(jí),從而達(dá)到減小高頻逆變回路電磁干擾的目的。
開(kāi)關(guān)管電流、電壓波形比較圖
從電磁兼容性設(shè)計(jì)角度考慮,應(yīng)盡量降低開(kāi)關(guān)管V2、V3的開(kāi)關(guān)頻率,從而降低di/dt、dv/dt值。另外使用ZCS或ZVS軟開(kāi)關(guān)變換技術(shù)能有效降低高頻逆變回路的電磁干擾。在大電流或高電壓下的快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作是產(chǎn)生電磁噪聲的根本,因此盡可能選用產(chǎn)生電磁噪聲小的電路拓?fù)洌缭谕葪l件下雙管正激拓?fù)浔葐喂苷ね負(fù)洚a(chǎn)生電磁噪聲要小,全橋電路比半橋電路產(chǎn)生電磁噪聲要小。
從電磁兼容性設(shè)計(jì)角度考慮,應(yīng)盡量降低開(kāi)關(guān)管V2、V3的開(kāi)關(guān)頻率,從而降低di/dt、dv/dt值。另外使用ZCS或ZVS軟開(kāi)關(guān)變換技術(shù)能有效降低高頻逆變回路的電磁干擾。在大電流或高電壓下的快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作是產(chǎn)生電磁噪聲的根本,因此盡可能選用產(chǎn)生電磁噪聲小的電路拓?fù)洌缭谕葪l件下雙管正激拓?fù)浔葐喂苷ね負(fù)洚a(chǎn)生電磁噪聲要小,全橋電路比半橋電路產(chǎn)生電磁噪聲要小。
如圖所示增加吸收電路后開(kāi)關(guān)管上的電流、電壓波形與沒(méi)有吸收回路時(shí)的波形比較。
半橋逆變電路
3.高頻變壓器的電磁兼容設(shè)計(jì)
在高頻變壓器T1的設(shè)計(jì)時(shí),盡量選用電磁屏蔽性較好的磁芯材料。
如圖所示,C7、C8為匝間耦合電路,C11為繞組間耦合電容,在變壓器繞制時(shí),盡量減小分布電容C11,以減小變壓器原邊的高頻干擾耦合到次邊繞組。另外為進(jìn)一步減小電磁干擾,可在原、次邊繞組間增加一個(gè)屏蔽層,屏蔽層良好接地,這樣變壓器原、次邊繞組對(duì)屏蔽層間就形成耦合電容C9、C10,高頻干擾電流就通過(guò)C9、C10流到大地。
由于變壓器是一個(gè)發(fā)熱元件,較差的散熱條件必然導(dǎo)致變壓器溫度升高,從而形成熱輻射,熱輻射是以電磁波形式對(duì)外傳播,因此變壓器必須有很好的散熱條件。
通常將高頻變壓器封裝在一個(gè)鋁殼盒內(nèi),鋁盒還可安裝在鋁散熱器上,并灌注電子硅膠,這樣變壓器即可形成較好的電磁屏蔽,還可保證有較好的散熱效果,減小電磁輻射。
高頻變壓器的電磁兼容設(shè)計(jì)
5. 輸出整流電路電磁兼容設(shè)計(jì)
如圖所示為輸出半波整流電路,V6為整流二極管,V7為續(xù)流二極管,由于V6、V7工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài),因此輸出整流電路的電磁干擾源主要是V6和V7,R5、C12和R6、C13分別連接成V6、V7的吸收電路,用于吸收其開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰,并以熱的形式在R5、R6上消耗。
減少整流二極管的數(shù)量就可減小電磁干擾的能量,因此同等條件下,采用半波整流電路比采用全波整流和全橋整流產(chǎn)生的電磁干擾要小。
為減小二極管的電磁干擾,必須選用具有軟恢復(fù)特性的、反向恢復(fù)電流小、反向恢復(fù)時(shí)間短的二極管器件。從理論上講,肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)是多數(shù)載流子導(dǎo)流,不存在少子的存儲(chǔ)與復(fù)合效應(yīng),因而也就不會(huì)有反向電壓尖峰干擾,但實(shí)際上對(duì)于較高反向工作電壓的肖特基二極管,隨著電子勢(shì)壘厚度的增加,反向恢復(fù)電流會(huì)增大,也會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲。因此在輸出電壓較低的情況下選用肖特基二極管作直流二極管產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)比選用其它二極管器件要小。
輸出整流電路電磁兼容設(shè)計(jì)
6. 輸出直流濾波電路的電磁兼容設(shè)計(jì)
輸出直流濾波電路主要用于切斷電磁傳導(dǎo)干擾沿導(dǎo)線向輸出負(fù)載端傳播,減小電磁干擾在導(dǎo)線周圍的電磁輻射。
如圖所示,L2、C17、C18組成的LC濾波電路,能減小輸出電流、電壓紋波的大小,從而減小通過(guò)輻射傳播的電磁干擾,濾波電容C17、C18盡量采用多個(gè)電容并聯(lián),減小等效串聯(lián)電阻,從而減小紋波電壓,輸出電感L2值盡量大,減小輸出紋波電流的大小,另外電感L2最好使用不開(kāi)氣隙的閉環(huán)磁芯,最好不是飽和電感。在設(shè)計(jì)時(shí),我們要記住,導(dǎo)線上有電流、電壓的變化,在導(dǎo)線周圍就有變化的電磁場(chǎng),電磁場(chǎng)就會(huì)沿空間傳播形成電磁輻射。
C19用于濾除導(dǎo)線上的共模干擾,盡量選用低感電容,且接線要短,C20、C21、C22、C23用于濾除輸出線上的差模干擾,宜選用低感的三端電容,且接地線要短,接地可靠。
Z3為直流EMI濾波器,根據(jù)情況使用或不使用,是采用單級(jí)還是多級(jí)濾波器,但要求Z3直接安裝在金屬機(jī)箱上,最好濾波器輸入、輸出線能屏蔽隔離。
輸出整流電路電磁兼容設(shè)計(jì)
7. 接觸器、繼電器等其它開(kāi)關(guān)器件電磁兼容設(shè)計(jì)
繼電器、接觸器、風(fēng)機(jī)等在掉電后,其線圈將產(chǎn)生較大的電壓尖峰,從而產(chǎn)生電磁干擾,為此在直流線圈兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管或RC吸收電路,在交流線圈兩端并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻用于吸收線圈掉電后產(chǎn)生的電壓尖峰。同時(shí)要注意如果接觸器線圈電源與輔助電源的輸入電源為同一個(gè)電源,之間最好通過(guò)一個(gè)EMI濾波器。繼電器觸頭動(dòng)作時(shí)也將產(chǎn)生電磁干擾,因此要在觸頭兩端增加RC吸收回路。
8. 開(kāi)關(guān)電源箱體結(jié)構(gòu)的電磁兼容設(shè)計(jì)
材料選擇:沒(méi)有“磁絕緣”材料,電磁屏蔽是利用“磁短路”的原理,來(lái)切斷電磁干擾在設(shè)備內(nèi)部與外界空氣中的傳播路徑。在進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),要充分考慮對(duì)電磁干擾的屏蔽效能,對(duì)于屏蔽材料的選擇原則是,當(dāng)干擾電磁場(chǎng)的頻率較高時(shí),選用高電導(dǎo)率的金屬材料,屏蔽效果較好;當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時(shí),要采用高導(dǎo)磁率的金屬材料,屏蔽效果較好;在某些場(chǎng)合下,如果要求對(duì)高頻和低頻電磁場(chǎng)都具有良好的屏蔽效果時(shí),往往采用高電導(dǎo)率和高導(dǎo)磁率的金屬材料組成多層屏蔽體。
孔洞、縫隙、搭接處理方法:采用電磁屏蔽方法無(wú)需重新設(shè)計(jì)電路,便可達(dá)到很好的電磁兼容效果。理想的電磁屏蔽體是一個(gè)無(wú)縫隙、無(wú)孔洞、無(wú)透入的導(dǎo)電連續(xù)體,低阻抗的金屬密封體,但是一個(gè)完全密封的屏蔽體是沒(méi)有實(shí)用價(jià)值的,因?yàn)樵陂_(kāi)關(guān)電源設(shè)備中,有輸入、輸出線過(guò)孔、散熱通風(fēng)孔等孔洞,以及箱體結(jié)構(gòu)部件之間的搭接縫隙,如果不采取措施將會(huì)產(chǎn)生電磁泄漏,使箱體的屏蔽效能降低、甚至完全喪失。因此在開(kāi)關(guān)電源箱體設(shè)計(jì)時(shí),金屬板之間的搭接最好采用焊接,無(wú)法焊接時(shí)要使用電磁密封墊或其它的屏蔽材料,箱體上的開(kāi)孔要小于要屏蔽的電磁波的波長(zhǎng)的1/2,否則屏蔽效果將大大降低;對(duì)于通風(fēng)孔,在屏蔽要求不高時(shí)可以使用穿孔金屬板或金屬化絲網(wǎng),在要求既要屏蔽效能高,又要通風(fēng)效果好時(shí)選用截至波導(dǎo)管等方法,提高屏蔽體的屏蔽效能。如果箱體的屏蔽效能仍無(wú)法滿足要求時(shí),可以在箱體上噴涂屏蔽漆。除了對(duì)開(kāi)關(guān)電源整個(gè)箱體的屏蔽之外,還可以對(duì)電源設(shè)備內(nèi)部的元件、部件等干擾源或敏感設(shè)備進(jìn)行局部屏蔽。
在進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),針對(duì)設(shè)備上所有會(huì)受到靜電放電試驗(yàn)的部分,設(shè)計(jì)出一條低阻抗的電流泄放路徑,箱體必須有可靠的接地措施,并且要保證接地線的載流能力,同時(shí)將敏感電路或元件遠(yuǎn)離這些泄放回路,或?qū)ζ洳捎秒妶?chǎng)屏蔽措施。對(duì)于結(jié)構(gòu)件的表面處理,一般主要電鍍銀、鋅、鎳、鉻、錫,這需要從導(dǎo)電性能、電化學(xué)反應(yīng)、成本及電磁兼容性等多方面考慮后做出選擇。
9. 元器件布局與布線中的電磁兼容設(shè)計(jì):
對(duì)于開(kāi)關(guān)電源設(shè)備內(nèi)部元器件的布局必須整體考慮電磁兼容性的要求,設(shè)備內(nèi)部的干擾源會(huì)通過(guò)輻射和串?dāng)_等途徑影響其它元件或部件的工作,研究表明,在離干擾源一定距離時(shí),干擾源的能量將大大衰減,因此合理的布局有利于減小電磁干擾的影響。
EMI輸入輸出濾波器最好安裝在金屬機(jī)箱的入口處,并保證其輸入線與輸出線電磁環(huán)境的屏蔽隔離。
敏感電路或元件要遠(yuǎn)離發(fā)熱源。
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