电力电子装置-开关电源引入的电磁干扰EMI分析

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1. 形成电磁干扰的基本要素

  干扰源发出电磁干扰能量，经过耦合途径将干扰能量传输到敏感设备，使敏感设备的工作受到干扰，这一作用过程称为电磁干扰效应。形成电磁干扰必须具备下列三个基本要素：
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1 G9 u# Z6 a2 q$ x+ S1、电磁干扰源：指产生电磁干扰的任何元件、器件、设备、系统或自然现象。
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% h: [+ d$ M; l& y) @, L( Y2、耦合途径或称耦合通道：指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的通路或媒介。
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/ ^+ K8 A- A1 [! u3、敏感设备：指受到电磁干扰的设备，或者说对电磁干扰发生影响的设备。
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干扰源的种类很多，有自然干扰源和人为干扰源。自然干扰源包括大气干扰、雷电干扰和宇宙干扰。人为干扰源包括功能性干扰及非功能性干扰。功能性干扰指系统中某一部分的正常工作所产生的有用能量对其它部分的干扰，而非功能性干扰指无用的电磁能量所产生的干扰，例如各种点火系统产生的干扰。

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干扰的耦合途径分为两类：传导耦合途径和辐射耦合途径。传导耦合途径要求在干扰源与敏感设备之间有完整的电路连接，该电路可包括导线、供电电源、机架、接地平面、互感或电容等，只要一个返回通路将两个电路直接连接起来，就会发生传导耦合，此返回通路可以是另一根导线，也可以是公共接地回路、互感或电容。辐射耦合途径是干扰源的能量以电磁场的形式传播的，根据干扰源与敏感设备的距离可分为近场耦合模式和远场耦合模式，辐射耦合不仅存在于两天线之间，设备的机壳、机壳的孔洞、传输线及元件之间都可能存在辐射耦合。


  [# Y* V" }) O' ?$ f; J 对于电磁干扰的分析主要考虑以下几个方面：


1 L+ Q, R8 c) }  D1、干扰的频率和时间。一般来说，出现了电磁干扰，人们习惯于从时域的方面考虑，但是EMI通常在频域中研究。单独在时域看，有时很难理解EMI问题，这就必须采用傅立叶变换转换到频域进行分析。
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4 q# I6 x2 K; \; o  |$ r2、干扰的幅度。干扰的幅度越大，干扰自然也就越大。

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3、发射源、传播路径以及接收机的阻抗。干扰电流与这些阻抗有着直接的关系。


4、尺寸。在考虑辐射问题时，射频（RF）干扰的波长与物理尺寸是干扰的重要因素，RF干扰电流将产生电磁场，电磁场可以通过细缝传播。


2 电力电子装置的发展及其电磁兼容性问题

电力电子装置作为电源与控制设备，由于其进行电能变换时的高效率而在许多行业得到了广泛的应用，如电力系统的高压直流输电、有源滤波、超导储能，交流电机的变频调速，广播、通信、宇航、卫星用的电源，各种工业动力设备、医疗仪器、家用电器的电源等都要用到电力电子装置。据估计，工业生产中70％的电能都是通过电力电子装置变换后才为人类所利用。高频技术的应用使电能转换，特别是电能的频率转换进入了更加自由的时代，从而使电力电子装置在节约电能、降低原材料消耗、提高系统可靠性等方面的优点得到了更加充分的体现。
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在电力电子设备为人类生产、生活带来巨大便利的同时，因其按开关工作方式，使它的电磁兼容性能受到挑战。一方面，其不良的电磁兼容性能不仅对外造成干扰，影响其它设备的正常工作，另一方面，电力电子装置本身也会受到电磁干扰的影响，使其可靠性下降。80年代后期，功率场控器件的实用化和高频化，使电力电子装置跨入高频化、大容量化的时代。由于电力电子装置换流过程中产生前后沿很陡的脉冲（di/dt可达1KA/us；dv/dt可达3KV/us），从而引发了严重的电磁干扰。这些干扰通过传导和辐射的耦合方式，严重污染周围电磁环境和电源系统。
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随着电子信息产业的发展，以开关变换器为核心的电力电子装置正广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备。几乎所有的电子设备都需要使用电力电子装置。美国VPEC（Virginia Power Electronic Center）1997年的年度报告指出：如果说是微处理器技术的进步促使计算机主频从1985年的16MHz发展到今天的200MHz，那么，下一步向GHz的飞跃主要取决于电力电子技术的发展。当芯片以GHz工作时，电源必须以足够高的匹配速度给逻辑门供电（以Pentium pro为例，要求负载电流供应速度为30A/μs），这也是Intel不得不放慢Pentium微处理器的时钟速度的一个重要原因。所以，电力电子装置的电磁兼容性问题急待解决。

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90年代以来，电力电子器件作为推动电力电子技术发展的基础，开始沿着大容量、高频化、模块化和功能集成的方向发展。日本的三菱、东芝，德国的西门子等公司的高压大电流器件不断研制出来。如光控SCR已有8000V/4000A的产品，IGBT已有6500V/2400A的模块。器件的开关频率也逐渐提高，如功率MOSFET开关频率可高达几兆赫兹。器件的封装使模块体积更小，驱动、保护、检测、控制等电路与器件高度集成。这些因素都要求更进一步的加强电力电子装置电磁干扰特性及其防范的研究，特别是在设计阶段，对新装置的干扰特性进行预估，缩短其开发周期，提高电力电子装置的电磁兼容性就成为至关重要的问题。

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3 电力电子装置引入的电磁干扰的源和传播途径
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电力电子装置在工作中，将发出强烈的电磁干扰，该干扰主要来自于半导体开关器件，开关器件在开通和关断中，由于电压和电流在短时间内发生跳变，从而形成电磁干扰。电力电子装置产生的电磁干扰源有以下几个主要方面：


1、dv/dt。在电力电子器件通断瞬间，电压的跳变会在电容上产生很大的充电或放电电流，实际的驱动电路和主电路都会存在杂散分布电容，1nF的电容就可以产生几个安培的电流瞬态脉冲，会对电力系统产生严重的电磁干扰。

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2、dv/dt。开关器件在通断瞬间的电流变化会在杂散电感上感应出电压，另外，有较大的dv/dt的电流环路也是一个辐射源，将对空间产生辐射电磁场。在大功率驱动系统中，dv/dt可达2KA/us，30nH的杂散电感就可以激励60V的电压干扰。
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  3、PWM信号自身。逆变器中开关产生的PWM波形除了有用的基波外，还含有大量的高次谐波，目前逆变器的开关频率从几KHz到几百KHz，谐波频率从几百KHz到几MHz。由于高次谐波的存在，PWM信号也会对周围的设备产生辐射的影响。
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2 Z$ |: r$ z7 L- M- P! d 4、控制电路。控制电路输出的高频脉冲时钟波形也会产生一定的电磁干扰。由于控制电路的电压比较低，产生的电磁干扰也较小。
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此外，非线性的元器件和电路也是干扰源之一，它们会使电路中的信号发生畸变，增加信号中的高频成分。


电力电子装置产生的电磁干扰也是通过传导和辐射耦合到敏感设备的。在电力电子装置中，传导是电力电子装置干扰传播的重要途径，也是在电磁兼容中考虑得最多的，由于对电力电子装置传导干扰一般考虑的最高频率是30MHz，相应电磁波波长为10m，因而对大多数电力电子装置来讲，可用集中参数电路进行分析。
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根据传导干扰方式的不同可以把电磁干扰源分为共模（CM）和差模（DM）两种形式，它们产生的内部机理有所不同，考虑电力电子装置对电网的电磁干扰，共模干扰是指通过相线、对地寄生电容，再由地形成的回路的干扰，它主要是由较高的dv/dt与寄生电容间的相互作用而产生的高频振荡；差模干扰是指相线之间的干扰，直接通过相线与电源形成回路，它主要是由电力电子装置产生的脉动电流引起的，图1示出了差模和共模干扰各自的回路，差模干扰回路中有一个差模干扰源VDM，该差模干扰源通过相线（L）与中线（N）形成差模干扰，差模干扰电流为IDM；共模干扰回路中有一个共模干扰源VDM，该共模干扰源通过相线（L）、中线（N）与地线（E）形成共模干扰回路，共模干扰电流为ICM。差模和共模回路的区别在于差模电流只在相线和中线之间流动，而共模电流不但流过相线和中线，而且还流过地线。
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RF干扰电流将产生电磁场