電力電子裝置-開關電源（yuán）引入的電磁幹擾EMI分析

電力電子裝置-開關電源引入的電磁幹擾EMI分析

一、 形成電磁幹擾的基（jī）本要素

幹擾源發出電磁幹擾能量，經過耦合途徑（jìng）將幹擾能量傳輸到敏感設備，使敏感設備的（de）工（gōng）作受到幹擾，這一作用過程稱為電磁幹擾效應。形成電磁（cí）幹擾必須具備下列三個基本要素：

1、電（diàn）磁幹擾源：指產生電磁幹擾的任何元件、器件、設備、係統或自然現象。

2、耦合（hé）途（tú）徑或稱耦合通道：指將電磁（cí）幹擾能量傳輸到受幹擾設備的通路或媒介（jiè）。

3、敏感設備：指受到（dào）電磁幹擾的設備，或者（zhě）說對電磁幹擾發生影響的設備。

幹擾源的種類很多，有自然幹擾源和人（rén）為幹擾源。自然幹擾源包括大氣幹擾、雷電幹擾和宇宙幹擾。人為幹擾源包括功能（néng）性幹擾及（jí）非功能性（xìng）幹擾。功能性幹擾指係統中某一部分的正常工作所產生的有用能量對其（qí）它部分（fèn）的（de）幹擾（rǎo），而非功能性幹擾指無用的電磁能量所產生的幹擾，例如各種點火係統產生的幹擾（rǎo）。

幹擾的耦合（hé）途徑分為兩（liǎng）類：傳導耦合途徑和輻射（shè）耦（ǒu）合途徑。傳導耦合途（tú）徑要求在幹擾源與敏感設備之間有完整的電路連接，該電路可包括導線、供電電源、機架（jià）、接地平麵、互感或電容等，隻要一個返回通路將兩個（gè）電路直接連接起來，就會發生傳導耦合，此返回通路可以是另（lìng）一根導線，也可以是公共接地回路（lù）、互感或電容。輻射耦合途徑是幹擾源的能（néng）量以電磁場的形式傳播的，根據幹擾源與敏感設備的距離可分為近場耦合模式和遠場耦合模式，輻射耦（ǒu）合不僅存在於兩（liǎng）天（tiān）線之間，設備的機殼、機（jī）殼的孔洞、傳輸線及元件之間都可能存在輻射耦合。

對於電磁幹擾的分析主要考慮（lǜ）以（yǐ）下幾（jǐ）個（gè）方麵：

1、幹擾的頻率和時（shí）間。一般來說，出現（xiàn）了電磁幹擾，人們習慣於從時域的方麵考慮，但是EMI通常在頻域中研究。單獨在時域看，有時很難理解EMI問題（tí），這就（jiù）必須采用傅立葉變換轉換到（dào）頻域進行分析。

2、幹擾的幅（fú）度。幹擾的幅度越大（dà），幹擾自然也就越大。

3、發射源、傳播（bō）路徑以及接收機的阻（zǔ）抗。幹擾電流（liú）與（yǔ）這些阻抗有著（zhe）直接的（de）關係。

4、尺寸。在考慮輻射問題時，射頻（RF）幹擾的波長與物理（lǐ）尺（chǐ）寸是幹擾的重要因素，RF幹擾電流將產生電磁場（chǎng），電磁場可以（yǐ）通過細縫傳播（bō）。

二（èr）、 電力電子（zǐ）裝置的發展及其電（diàn）磁兼容性問題

電力電子裝置（zhì）作為電源（yuán）與控製設備，由於其進行（háng）電能變換時的率而在許多行業得到（dào）了廣泛的應用（yòng），如電力係統的高壓直流輸電、有源濾波、超導儲能，交流電機（jī）的變頻調速，廣播、通信、宇航、衛星用的（de）電源，各（gè）種工（gōng）業動（dòng）力設備（bèi）、醫療（liáo）儀器、家用電器的電源等（děng）都要用到電力電子裝置。據估計，工業生產中70％的電能都是通過電力（lì）電子裝置變（biàn）換後才（cái）為人類（lèi）所利用。高頻技術的應用使（shǐ）電能轉換，特別是電能的頻率轉換進入了更加自由的時代，從而使電力（lì）電子（zǐ）裝置在節約電能、降低原材料消耗、提高係統可靠性（xìng）等方麵的（de）優點得到了（le）更加充分的體現。

在（zài）電力電子設備為人類生產、生活帶來巨大便利的同時，因其按（àn）開關工作方式，使它的電磁兼容性能受到挑戰。一方麵，其不良的電磁兼容性能不僅對外造成幹擾，影響其它設備的正常工作，另一方麵，電力電子裝（zhuāng）置本身也會受到電磁幹擾的影響，使其可靠性下降。80年代後期，功率場控（kòng）器（qì）件的實用化和高頻化，使電力電子裝置跨入高頻化、大容量（liàng）化的（de）時（shí）代。由於電力電子裝置換流（liú）過程中產生前後沿很陡的脈衝（di/dt可達1KA/us；dv/dt可達3KV/us），從而（ér）引發了嚴重的電磁幹擾。這些幹擾通（tōng）過傳（chuán）導和輻射的（de）耦合方式，嚴重汙染周圍電磁環境和電源係統。 

隨著（zhe）電子信息產業的發展，以開關變換器為核心（xīn）的電力電子裝置正廣泛應用於以電子計算機為主導的各種（zhǒng）終端設備、通信設備。幾乎所有的電子設備都需（xū）要使用電力電子裝置。美國VPEC（Virginia Power Electronic Center）1997年的年度報（bào）告指出（chū）：如果說是微處理器技術的進步促使計算（suàn）機主頻從1985年的16MHz發展到今天的200MHz，那麽，下一步向GHz的飛躍主要取決於電（diàn）力電子技術（shù）的發展（zhǎn）。當芯片以GHz工作時，電源必須以（yǐ）足夠高的匹配速（sù）度（dù）給邏輯門供（gòng）電（以Pentium pro為（wéi）例，要求負載電流供應速（sù）度為（wéi）30A/μs），這也是Intel不得不放慢Pentium微處理器的時鍾速度的一個重要原因（yīn）。所以，電（diàn）力電子裝置的電磁兼容性（xìng）問題急待解決。

90年代以來，電（diàn）力電子器件作為推動（dòng）電力電子技（jì）術發展的基礎，開始沿著大容量、高頻化、模塊化和功能集成的方向發（fā）展。日本的三菱、東（dōng）芝，德國的西門子等公司（sī）的（de）高壓大電流器件不斷研製出（chū）來。如光控SCR已有8000V/4000A的產品，IGBT已有6500V/2400A的模塊。器件的開關頻率也逐漸提高，如功率MOSFET開關頻率可高達幾兆赫茲（zī）。器件的封裝使模（mó）塊（kuài）體積更小，驅（qū）動、保護、檢測、控（kòng）製等電路與器件高度集（jí）成。這些因素都要求更進一步的加強電力電子裝置電磁幹擾特性及其防範的研究，特別是在設計階段（duàn），對新裝置的幹擾特性進行預估，縮短（duǎn）其開發（fā）周期，提高電力電子裝置的電磁兼容性（xìng）就成為至關重要的問（wèn）題。

三（sān）、電力電子裝（zhuāng）置引入的電磁幹擾的源和傳播途徑

電（diàn）力電子裝置在工作中，將發出強烈的電磁幹擾，該幹擾主要（yào）來自於半導體開關器件，開關器件在開通和關斷中（zhōng），由（yóu）於電壓和電流在短時間內發生跳變（biàn），從而形成（chéng）電磁（cí）幹擾。電力電子裝置產生的電磁幹擾源有以下幾個主要方麵（miàn）：

1、dv/dt。在電力電子器件通（tōng）斷瞬間，電（diàn）壓的跳（tiào）變會在（zài）電容上產（chǎn）生很大的充電或放電電流，實際的驅動電路和主電路都會存在雜散分布電容，1nF的電容就可（kě）以產生幾個安培的電流瞬態脈衝，會對電力係統產生嚴重（chóng）的電磁幹擾。

2、dv/dt。開（kāi）關器件在通斷瞬間的電流變化會在雜散電感上感應出電壓，另外，有（yǒu）較大的dv/dt的電流環路也是一個輻（fú）射源，將對空（kōng）間產生輻射電磁場。在大功率（lǜ）驅動係（xì）統中，dv/dt可達2KA/us，30nH的雜散電感（gǎn）就可以激（jī）勵60V的電壓幹擾。

3、PWM信號自身。逆變器中開關產生的PWM波形除了有用的基波外，還含有大量的高次諧波，目前（qián）逆（nì）變器的開關頻率從幾KHz到幾百KHz，諧波頻率從幾百KHz到幾MHz。由於高次諧波的存在（zài），PWM信號也會對（duì）周圍的設備產（chǎn）生輻射（shè）的影響。

4、控製電路。控製電路輸出的高（gāo）頻脈衝時鍾波形也會產生一定的電磁幹擾。由於控製電路的電壓比較低，產生的電磁幹擾也較小。

此外，非線性的元器件（jiàn）和電路也是幹擾源之（zhī）一，它們會使電路中的（de）信號發生（shēng）畸變，增加信號中的高（gāo）頻成分。

電力（lì）電子裝（zhuāng）置產生的電磁幹擾也是通過傳導和輻射耦合到敏感設備的。在電力電（diàn）子裝置中，傳導是電力電子裝（zhuāng）置幹（gàn）擾傳播的（de）重（chóng）要途徑，也是在電磁兼（jiān）容中（zhōng）考慮得多的，由於對（duì）電力（lì）電子裝置傳導幹擾一般考慮的至高頻率（lǜ）是30MHz，相應電磁波波長為10m，因而對大多（duō）數電力電子裝置來講，可用集中參數電路進行分（fèn）析。

根據傳導幹擾方式的不同可以把電磁（cí）幹（gàn）擾源分（fèn）為（wéi）共模（CM）和差模（DM）兩種形式，它們產生的內（nèi）部機理有所不同，考慮電力電（diàn）子裝置對電網（wǎng）的電（diàn）磁幹擾，共模幹擾是指通過相（xiàng）線、對地寄生電容，再由地形成的（de）回路的幹擾，它主要是由較高的dv/dt與寄生電容間的相互作（zuò）用（yòng）而產生的高頻振蕩；差模（mó）幹擾是指相線之間的幹擾，直接通（tōng）過相線與電源形成回路，它主要是由電力電子裝置產生的（de）脈動電流引起的（de），圖1示（shì）出了差模和共（gòng）模幹擾各自的回路，差模幹擾回路中有一（yī）個差（chà）模幹擾源VDM，該差模幹（gàn）擾源通過相（xiàng）線（L）與（yǔ）中線（N）形成差模幹（gàn）擾，差模幹擾電流為IDM；共模幹擾回（huí）路中有一個共模幹擾源（yuán）VDM，該（gāi）共模幹擾源通過相線（L）、中線（N）與地線（E）形（xíng）成共模幹擾回（huí）路，共模幹擾電流為ICM。差（chà）模和共模回路的（de）區別在於差模電流隻在相線（xiàn）和中線之間流動，而共模電流不但流過相線和中線，而且還流過地線。