（控制理论与控制工程专业论文）电能变换系统传导emi分析与抑制.pdf

第一章绪论 各种型式电源的获得都是由电能变换来实现的，如a c d c 变换、 d c d c 变换、d c a c 变换等都是实现电能变换的形式。这些变换在实现电 能转换的同时也带来了严重的电磁干扰问题。电能变换产生的电磁干扰 严重地污染了电网环境，影响了电网系统中其它相关电子设备的正常运 行，也严重地影响了系统自身的正常工作，使得系统不能按照预期目标 工作。当今，各种电子设备都朝着微型化、紧凑化、集成化和智能化的 方向发展，这对电子设备的电源系统提出了更高的要求。许多国家和国 际组织对相关电子产品都制定了严格的电磁兼容标准，一些电子产品必 须达到规定的电磁兼容标准才能在市场上流通【l 儿“。 1 1 电磁兼容概述 电磁兼容的英文是e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，简称e m c 。国际 e g - f 委员会( i e c ) 对电磁兼容的定义是【3 】：设备或系统在其工作环境中 能正常工作而且不会对该环境中其他的任何事物构成不能承受的电磁骚 扰的能力。电磁兼容的定义包含两个方面的含义：第一，电子设备或系 统在所处的电磁环境中，能按原有的设计要求正常工作，也就是说它们 具有一定的电磁敏感度以保证该电子设备或系统能抵御外界的电磁干 扰；第二，电子设备或系统自身产生的电磁干扰不会对它所处的电磁环 境造成严重污染或者影响其它的电子设备或系统的正常运行。根据电磁 兼容定义所包含的两个方面含义，电磁兼容可以分为电磁敏感度 ( e l e c t r o m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y 简称e m s ) 和电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，简称e m i ) 。 随着电磁兼容科学的不断发展，电磁兼容学已成为一门综合性的边 缘学科，其核心是电磁波，理论基础包括数学、电路理论、电磁场理论、 微波理论与技术、天线及电磁波传播通讯理论、材料科学、计算机及控 制理论、机械工艺学、核物理、生物医学、测量技术及法律学、社会学 等内容，电磁兼容已经成为发展最为迅速的学科之一1 4 】。 广东工监大学工学磺士学位论文 1 2 融磁兼容的发腥及研究现状 电磁兼容相关的义献最早出现在1 8 8 1 年，当时英国著名科学家希维 赛德发袭了“论于撬”翳文章，这是磺究壤磁兼容阕题最妻簧夔旱蘩文 献。1 8 8 7 年柏林电气协会成立干扰特掰阍题委员会，1 8 8 8 零赫兹用实验 证明了电磁波的存在，同时该实验也指出丁各种打火系统将向空间发出 电磁干扰，从此开始了对于扰问题的实验研究。1 8 8 9 年英湖邮电部门研 究了邋信干扰阂题，1 9 3 4 年英国有关部门对一手倒干扰闼鼷进行7 分 爨，发现其孛5 0 是惫气设备季| 莛戆。疆麓广撵等无线毫攀娩豹发震， 人们逐渐认识到应该对番种干扰进行控制。国际无线电干扰特别委员会 ( c i s p r ) 以及其它有关学术组织及专业瓣员会的成立，开始了对电磁 干扰阍题进行世界性的露组织地研究【4 1 【5 1 。 缆在戆电磁蓑骞皴零方嚣戆磅突圭簧褰孛在电磁手稳方藤，善拿重 家的楣荚研究杌构和魏国际组织都已经投入了很大的精力来研究电磁 干扰问题，比如i e c ( 圈际电工委员会) 、c i s p r ( 国际无线电干扰特别 委员会) 、i e e e e m c ( 跨囡电气电子工程学会电磁兼容专业豢员会) 等。 这些鞠美缓织对电磁予挽黪产生、传播、溯爨、 辔剿等提出了一些见解， 还制定懑一些产品蠡鼋奄磁兼容窥蔻。这垡娩范的麓定说绣嘏溅干挽润嚣 的严熬性，说明电磁兼密问题越来越被人们重视，也说明越来越多的研 究人臌涉入电磁兼容的研究领域。 1 。3 毫磁子扰及其惫害 1 3 1 电磁干扰 电磁干扰是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统憔能的下降。 这里，电磁骚扰是指任秘可能弓l 起装置、设备或系统性熊降低，或者对 有垒裁无生鑫魏爱产爱缓害终震戆逡磁凌象。虿觅，毫磁疆撬仅莰是 客观存在的一种物理现象，而电磁干扰怒豳电磁骚扰引起的后果。电磁 骚扰w 能是电磁噪声、凭用信号或传播媒介自身的变化。严格地说，只 要把两个以上的元件置于同一环境中，工作时就会产生电磁干扰的后果。 电磁予援包含簧罢干扰髑电磁辐射。传警予撬是在电子设备系统孛懿毫 2 第一章绪论 源线之间，或者电源线与地线之间的传播的干扰，其频率范围一般是在 3 0 m 以下，传播的媒介就是电源线或是地线，干扰的对象也主要是以之 电源线或地线相连的电子设备。不过有的时候，在一定的条件下，传导 干扰也会转变成电磁辐射干扰。电磁辐射干扰就是电磁干扰以电磁波的 形式向空间传播，其频率一般都在3 0 m 以上，传播的空间范围比较广， 干扰的对象也比传导干扰多。随着科学技术的发展，人们在生产及生活 中使用的电气及电子设备的数量越来越多，这些设备工作的同时，往往 要产生一些有用或无用的电磁能量，这些电磁能量会影响其他设备或系 统的正常工作，这就是电磁骚扰。在两个系统之间的电磁骚扰，称为系 统间骚扰；在系统内部各设备之间的骚扰称为系统内的骚扰。有人将电 磁骚扰的危害程度分为灾难性的、非常危险的、中等危险的、严重的和 使人烦恼的五个等级。具体的说电磁干扰有以下几个方面的危害1 4 4 j 。 1 。3 2 电磁干扰的危害 据不完全统计，全世界电子设备由于电磁干扰而发生故障，每年都 造成数亿美元的经济损失。 现在各种先进的电子医疗设备被各大医院广泛引进与使用，比如： 磁共振成像、彩色b 超仪、全身螺旋c t 扫描仪、全自动生化仪、采用 电磁波技术的碎石机、胃肠断层扫描机、高频电刀、多功能微波治疗仪 等，这些先进的电子医疗设备成为现代医疗机构不可或缺的检查和治疗 手段。但是这些电子医疗设备的引入使得医院的电磁环境发生了极大的 变化。如果缺乏适当的防范措施，设备系统的正常运转可能受到潜在的 电磁干扰的威胁，进而发生严重的医疗事故。现代科学技术这把“双刃 剑”也悄然地将电磁污染的阴影笼罩在医院上空。心脑电图机、监护仪、 超声诊断仪、针灸电疗仪等这些直接接触人体的仪器设备，由于它们直 接与电网系统相连，电子设备在进行电能变换的同时必然要产生电磁干 扰，电磁干扰的产生，使得医疗电子设备的检测结果也会受到一定程度 的影响，如波形、图形、图像上叠加一种类似于某些病变的畸变( 谐波) 造成误诊；在使用电子医疗设备进行手术或诊断的时候产生微电击，严 重时还会对生命产生危险。 广东工业大学工学硕士学位论文 现代军事作战已经进入电子时代，各种先进的战斗武器和通信设备 已经广泛应用于各个国家的军事领域。由于军事战略的特殊要求，使得 电磁干扰现象在军事应用中被广泛关注，因为电磁干扰带来的后果是极 其破坏性的。2 0 0 3 年4 月2 日，驻伊拉克美军海军上尉内森怀特驾驭 自己的f i a 1 8 “大黄蜂”舰载战斗机飞返美军“小鹰”号航空母舰，在 经过伊拉克中部城市卡尔巴拉上空时被击落，机毁人亡。美军中央司令部 1 2 月1 0 日在网站上贴出的一份调查报告摘要，称此次事故的原因是美 军“爱国者”导弹系统把他的飞机当成一枚来袭的伊拉克导弹，遂发射 两枚导弹予以摧毁。军事专家认为这是电磁干扰造成了系统指令的紊乱， 把飞机当成来袭导弹了，于是发出了错误的指令【9 1 。 电磁干扰也会影响人们的日常生活，比如：在电脑桌旁边工作的时 候接听电话，电脑的显示屏会一闪一闪的；在收听收音机的时候有时能 窃听到别人通电话的内容；使火车、飞机晚点或延误，更严重的时候造 成撞机，这些都有可能是电磁干扰造成的后果。1 9 9 8 年2 月1 2 日晚， c c t v i “焦点访谈”节目专门报导了电磁干扰妨碍民航春运事件： 1 9 9 8 年元月2 0 日，由于大功率寻呼发射机干扰广州机场与飞行在航线 上的飞机间的无线电通信联络，影响了指挥调度，危及飞行安全，机场 不得不紧急关闭一个繁忙扇面，使9 0 多个航班不能正常运行，大批旅客 滞留在机场，给繁忙的春运带来不便，也造成重大的损失 1 0 l 。 传导电磁干扰在一定的条件下能转化成辐射干扰，电磁波辐射能量 较低，不会使物质发生游离现象，也不会直接破坏环境物质，但在到处 充满电子产品的现代生活中，其电磁干扰现象却不可掉以轻心，因为它 随时可能使人面临危害的境地。长期受到电磁辐射将影响人体健康并造 成电磁污染。高频辐射大于一定限值时，会使人产生失明、嗜睡等植物 神经功能紊乱，以及脱发、白血球下降、视力模糊、晶状混浊、心电图 改变等症状。可见，电磁干扰现象也直接影响到人们的身心健康【4 】。 4 第一章绪论 1 4 电磁兼容标准 由于电磁干扰会严重地影响电子系统和设备的正常工作，为了保证 各个电子系统的正常运行以及保护人身财产安全，国际有关机构、各国 政府、军事部门以及其它相关组织制定了一系列电磁兼容性标准、规范， 这些标准和规范对设备或系统非预期发射和非预期响应做出了规定和限 制。执行标准和规范是实现电磁兼容性、提高系统性能的重要保证。一 般地，这些标准包含了这几个方面：第一，统一规定电磁兼容领域内的 名词术语；第二，规定了电磁发射和敏感度的极限值；第三，统一规定 了测量方法；第四，规定了设备、系统的电磁兼容要求及控制方法。i e c ( 国 际电工委员会) 专门从事电磁兼容标准化工作的技术委员会有两个，即国 际无线电干扰特别委员会( c i s p r ) 和第7 7 技术委员会( t c 7 7 ) 。其中c i s p r 负责制订频率大于9 k h z 发射的基础标准和通用标准，t c 7 7 负责制订 9 k h z 和开关操作等引起的高频瞬态发射及整个频率范围内的抗扰性基 础标准和通用标准。t c 7 7 制订的国际标准是i e c 6 1 0 0 0 系列。除c i s p r 和i e c 制定的e m c 标准外，还有一些国家制定了相关的e m c 标准，如 美国军方的m i l s t d 4 6 0 标准、美国的f c c 标准、德国的v d e 标准等 等。我国于1 9 8 3 年发布第一个电磁兼容国家标准g b 3 9 0 7 8 3 工业无线 电干扰基本测量方法。之后又相继颁发了g b 4 3 4 3 8 4 电动工具、家用 电器和类似器具无线电干扰特性的测量方法和允许值、g b 4 3 6 5 8 4 无 线电干扰名词术语、g b 4 8 5 9 8 4 电气设备抗干扰特性的基本测量方法 等3 0 余项国家标准，这些标准基本上源于c i s p r 的出版物和i e c 的有 关标准，也有引自美国军方标准和国际电信联盟的标准。我国在1 9 8 6 年正式成立由国家技术监督局领导的全国无线电干扰标准化技术委员 会，挂靠在上海电器科学研究所，由该所负责e m c 标准的宣传贯彻工 作 t l 】。 1 5 本课题的研究意义及主要内容 1 5 1 研究意义 在电子工业领域，电能的变换是必不可少的，电能变换过程中带来 广东工业大学工学硕士学位论文 的电磁干扰现象也是不可避免的，电能变换时所产生的电磁骚扰有可能 使电子设备或系统的工作性能偏离预期的指标、使系统工作性能出现不 希望的偏差、导致使用寿命缩短、使系统效能发生永久性的下降，严重 的时候，还能摧毁整个系统或设备。电能变换时产生的电磁干扰还会污 染电网环境，影响电网系统中的其他电子设备的正常运行，而且，在一 定程度上还将影响人体健康。所以，对电能变换系统的电磁干扰研究是 非常必要的。现在各个国家对电子产品的电磁兼容性要求都很高，一些 产品必须通过相关的电磁兼容认证才能在市场上流通。电能变换系统的 电磁干扰主要是传导电磁干扰，只要解决好电能变换系统的传导电磁干 扰问题也就相当于解决了整个电能变换系统的电磁干扰问题。本课题针 对电能变换系统的传导电磁干扰进行了比较细致的研究，包括传导电磁 干扰的产生源，传播路径等。通过这些研究我们能更好的了解电磁干扰 的产生机理。了解这些产生机理对抑制电磁干扰有着重要的意义。在抑 制传导电磁干扰方面，电源e m i 滤波器是比较经济、方便、科学的抑制 方法，其在工程中应用极为广泛。现在工程应用中，电源e m i 滤波器的 设计具有一定的盲目性，大部分工程师在设计的时候是凭经验来设计， 没有一定的针对性。但是，电路系统的源阻抗和负载阻抗会随着环境的 变化而变化，这种变化对电源e m i 滤波器工作性能也会产生影响。本课 题就是根据电能变换系统中的源阻抗和负载阻抗的大小有针对性的设计 电源e m i 滤波器，有一定的科学性。通过实验证明，该方法设计的电源 e m i 滤波器能很好的抑制电能变换系统产生的电磁干扰。 要有效地、经济地解决好电能变换系统的传导电磁干扰问题是要讲 究方法的。对于一个电子产品系统来说，应该在产品的设计阶段进行 e m c 设计，而不是在样机实验阶段乃至产品生产阶段，如果是在实验阶 段或是产品的生产阶段发现了电磁干扰问题后才采取相应的抑制措施， 这样付出的代价是非常大的。对于一个设计工程师来说，在新产品的开 发过程中，越是到后面的阶段，供他可以用来抑制噪声、防止受干扰的 手段越少，付出的代价也越高。通常，e m c 设计成本只占总开发成本的 5 左右，如果人们在产品设计初期就进行e m c 设计的话，只要适当地 选择元器件和材料，在每台售出设备上因之附加的元件成本通常很少， 6 在批量生产的情况下，甚至可以忽略不计。图卜l 是电子产品在开发过 程中技术和成本含量在开发周期过程中所占比重的曲线图【2j ，从图中可 以看出，在产品的设计阶段e m c 设计的技术含量是相当高的，而用在 e m c 上的成本含量很低；但是在产品的生产阶段，如果要进行e m c 设 计的话，花在e m c 上的成本就相当高，此时可供他选择技术很少。所 以，任何电子产品在设计初期，进行e m c 设计是非常必要的。 技 柬 翮 成 盘 的 含 量 图1 - 1e m c 技术和成本含量曲线图 f i g 1 1t h ec u i v eo ft e c h n o l o g ya n dc o s ti ne m c 1 5 2 主要研究内容 本课题主要研究的是电能变换系统的传导电磁干扰和抑制技术，主 要内容有以下几个方面： 1 、研究了电能变换系统的电磁干扰骚扰源，传导电磁干扰的传播路 径，以及传导电磁干扰的测试。 2 、研究了电能变换系统中传导电磁干扰的抑制方法，对传导电磁干 扰的传播路径方面进行了比较详细的论述。 3 、研究了电源e m i 滤波器的拓扑结构、以及在工程应用中拓扑结 构与源阻抗和负载阻抗之间的匹配状态。 4 、针对电能变换系统设计了电源e m i 滤波器，并通过实验验证电 源e m i 滤波器对传导e m i 的抑制作用。 5 、建立了示波器与m a t l a b 的串行通信，通过m a t l a b 进行数据 处理，得到传导电磁干扰的频谱曲线图。 第二章传导e m i 的产生机理分析及测量 2 1 传导e m i 形成的三要素 在电能变换系统中，传导e m i 的产生必须具备三个不可缺少的要素： 干扰源、传导路径、敏感设备，如图2 1 所示。干扰源、传导路径、敏 感设备三者是相互联系、不可分离的，如果脱离其中的任何一个要素， 就不会产生传导e m i 了。在进行传导e m i 研究时就是围绕着传导e m i 的 三要素进行的。 图2 1 传导e m i 的三要素 f i g 2 - 1t h r e ee l e m e n to fc o n d u c te m i 2 1 1 电磁干扰源 电磁干扰源是传导e m i 中最关键的要素。可以毫不夸张的说，电磁 干扰源存在于整个宇宙中，人们所处的环境中电磁干扰现象无处不在， 只是有些电磁干扰源产生的电磁干扰不足于影响我们的正常工作、生活 以及身心健康，它们未能被我们觉察到。但是有些电磁干扰源所产生的 电磁干扰危害很大。对这些危害很大的干扰源，我们应该重点防范，想 尽办法消除它们或者削弱它们。电磁环境中的干扰源可以分为人为干扰 源和自然干扰源，人为干扰源来自于各种电力电子及电气设备的工作， 比如：整流器、变压器、功率开关器件等电气元件以及一些电路系统工 作时所产生的电磁干扰。自然干扰源是由于大自然现象所造成的各种电 磁干扰，雷电现象就是最常见的自然干扰源了。存在干扰源不一定发生 干扰现象，但是它潜藏着发生电磁干扰的可能。一般地，我们容许电磁 干扰源的存在，但是我们必须设法降低它的幅值，使它能达到我们容许 的标准值。 第二章传导e m i 的产生机理分析及测量 2 1 2 传导路径 传导路径是给干扰源的能量传递给敏感设备所提供的传播通道。传 导干扰源的能量以电压或电流的形式通过金属电缆、参考地线、p c b 板 线、电容耦合、互感耦合、公共阻抗耦合等方式传递给敏感设备。 2 1 3 敏感设备 敏感设备是在电路系统中容易受干扰的电气设备，而且这个设备是 系统正常工作所必须的设备。敏感设备可以是某个电路系统中的某个单 独的电气元件，也可以是某个系统中的一部分，也可以是整个电子产品 系统。 2 2 共模和差模 传导干扰分为共模干扰和差模干扰。它们产生的机理是不同的，传 播的路径也有差别。 2 2 1 共模( c m ) 共模干扰的英文是c o m m o n m o d ei n t e r f e r e n c e ，缩写成c m 。共模干 扰出现在传输路径上两根电源导线和公共参考平面( 地) 之间，在两根 电源导线上的电位同时变化，相对与参考地平面呈现同样数值。也就是 说流经l 相线和n 相线的共模干扰大小相同，方向也相同。共模电流的 传导路径如图2 2 所示。这里要说明的是共模干扰是怎么通过参考地平 面流经电源线的，因为在一个实际电路系统中元器件或者是子系统与参 考地平面之间总存在寄生电容，共模干扰信号就是通过对寄生电容的充 放电，从而使共模干扰信号在参考地与电源线之间进行流通。 2 2 2 差模( d m ) 差模干扰的英文是d i f f e r e n t i a l m o d ei n t e r f e r e n c e ，缩写成d m 。差 模干扰是引起传输路径上一根导线上的电位相对于另一根导线而发生变 化。也就是说差模干扰是在两电源导线之间进行传输，流经l 相线和n 9 广末工受大学工学疆学位浍文 相线的麓模电流大小相等，方向相反。麓模电流的传导路校如图2 - 3 所 不o o 卜一1 一_ 一q 卜 图2 - 2 共模传导路径 f i g 2 - 2p a t ho fc mc o n d u c t 参考地 图2 - 3 差模传鼯路径 f i g 2 - 3p a t ho fd m c o n d u c t 2 3 传导e m i 的主要骚扰源 2 3 1 整流电路造成的谐波干扰和电磁噪声 熬l 瀛电路是功率交换奄路系统中最基本电路之一，由乎它与交流供 毫宅瓣赢羧程连，瑟疆宅本身疆容荔产裳潼波干魏窝毫磁潦声，整凌供 电的鼷级电路所产生的电磁噪声，均可通过整流电路，以传母耦合的形 式引入电网，造成对接猩同一电网内的其他设备的干扰。其熬流电路图 如图2 - 4 所示，输出电聪电流波形图如图2 - 5 所示。如果不考虑二极管 熬稳聪降兹诿，整滤嚣浆毫压兔：v o = l ls i nc o t ，壶簿立畸级数可跌搀 密v o 静下面表达式： v 0 ( ) 。云( 1 一南。o s 2 甜一3 - 去5c o s 4 c o t - 蠹弓c o s 6 e x - - ) ( 2 1 11 懑主嚣豹式子胃以器趣，输塞龟蓬涂了霄辑簧豹壹滚懑疆三吃舞， 石 还含脊不希望出现的2 、4 、6 等高次谐波电压，这些高次谐波是一个重 要的干扰源。通常情况下，要滤除这些高次谐波，往往在熬流电路的后 蟊按个电解电容。姿熬滤二极警脉动电聪怒过电解电容鲍穰压对才有 第二牵簧导e m 熬产生魏壤分辑爱溺量 电流流过整流二极管，这样使得网侧电流照现出脉动信号，网侧电压和 电流襻在一个相位差，降低了电路系统的功率因数，从而给电路系统带 入了攀寓的谐波，虽然嗽解电容能滤除一部分谐波，但是电解电容具有 较大翡簿效事联毫疆亵惫惑，蠖簿毫鼹毫豢零麓完全滤狳这戆潼渡毫淀。 这些谐波电流就以差模的形式在电路中流邋f 1 2 1 。 v 带越n t o t r - 电压 於、? 0 t 匦2 - 4 整流电路 图2 - 5 糕流后的电压和电流波形图 f i g 。2 4t h ec i r c u i to fr e c t i f i e r f i g 2 - 5t h ec u r v eo fv o l t a g ea n dc u r r e n t 2 3 2 功率二极管通断造成的电磁干扰 当二极管导通时，流过二极管的电流迅速增大，但是其管压降不是 立即下降n - 极管的导邋压降，两会出现一个快速鲍上、辟，然后下降到 导遴聪洚，蘩嚣2 - 6 孛戆a 瑟瑟示。箕藏瓣跫在齐逶过程串，二投警p n 结的长旗区注入足够的少数载流子，发缎电导调制需要一定豹对间。该 电压上冲会导致一个宽带的电磁噪声：在篾断时，存在于p n 结长基区 中的火爨过剩少数载流予需要一定时闻恢笈到平衡状态，从而导致了很 大懿凝囊恢复毫滚，躲黧2 - 6 孛瓣b 蓬魇零。垂手嚣关变羧器戆嚣关菝 率较麓，二极管由导道变为截止豹对闻比较短，要在短对闽让存诺静电 荷消失就会产生反向电流的浪涌。二极管昂通时的快速上冲电压和截止 时的反向浪涌电流与电路系统中的杂散电容和杂散电感相慝作用，引起 电路鸵离频衰减振荡，产生电磁干扰【1 3 i t h l 。 广寒工韭大学工学矮圭攀褒论文 a ) 导通b ) 截止 鹫2 - 6 ：投譬逶瑟酵毫篷帮毫流獒浚形 f i g 。2 6t h ec u r v eo fv o l t a g ea n dc u r r e n tw h e nd i o d ei so na n do f f 2 3 ，3 高频功率开关器件的快速通断声生的电磁干扰 臻察开关管戆离鬏搴嚣关魂终镬缀窀本身缓容易发热。嚣瑟，囊率 舞关管遁常透过绝缘垫片奄散热器相连，散热器刚与大遗襁适。功率开 关管的集电极和发射檄岛金属外壳之间有层很薄的绝缘鼷，功率开关 管的众属外壳与散热器紧紧地贴在一起，而且还涂上导热硪脑，这样就 在功攀殍关管蠢散热器之间形成一个比较大黪寄生电容。集瞧极、发射 极两鞴j 珏速交纯豹电嚣霉对该寄生电容不掰邋充放电，鼠麓产生共模电 饼 流，其大小为= 冬。其中c p 是寄生电容，它的近似计算公式为： # ，= 8 8 5 x 1 0 - 1 2 型h ( 2 2 ) 其中r 是功率开关僚与散热器之间的绝缘垫片的相对介电常数，a 是散热片的霹积，h 是绝缘垫片静厚度fx s 。 2 3 4 高频变压器新声生的电磁干扰 在功率变换器电路中，一般要用到高频变压器。在高频变压器的原 边和副边之间存在分布电察，原边上的嵩频干扰电压可以遴避这些分布 1 2 第二豢传导e m i 懿产生镌壤分辑爱舞耋 电容逝接耦合到副边上畿，在副边的两根输出直流电源线上产生同相位 的共模噪声。如果两根输出电源线对地阻抗不平衡，可能转变成差模噪 声。巍频变压器之阈墩襻在酶漏感，由予满感与瞬变的电流掇互作用很 窖荔产生毫基尖晦1 1 5 1 1 酿。 2 4 传导e mi 的传播路径 本论文就以图2 - 7 所示的开关电源为例来分析传导e m i 的传播路 径，箕宅鍪式龟蕤变换嚣熬传导e m i 传撵鼹经与之类钕。麴麓2 一? 嚣忝， 当整流桥的1 、4 管导邋对，电源供电电聪怒正弦交流电器派褶部分，此 时2 、3 管因为承受反向电压而截止，这样电源电流就经过熬流桥的1 管、离频变压器的初级线圈、功率变换器q 、整流桥的4 臀，最后返回 到电源戆n 极。此功率变换电路系统产生驰蓉模电流中瓣一部分差模 毫浚( j 蔹整渡羲屠黪壤簿毫容瑷黢，毽惹，霞秀毫解毫器存在串联电 感、串联电阻，所以电解电容不可能完全吸收掉这些差模电流，使得有 一部分麓模电流通过整流桥流入到电源端形成差模电磁干扰电流o ，它 们之阅存在= 一t 的关系。差模电流的传播路径如图2 7 中的实线 篱头方鑫爨示。 分布电容 一 郅 ” ： l 咖 lj 号i 旁蓄、斗嚣 e 霭2 7 整流耩1 、4 管导透露缝蒺模电濠传摇路经 f i g 2 - 7t h ep r o m u l g a t ep a t ho fd m c u r r e n tw h e n1a n d4d i o d e sa r eo n 因为开关变换器与散热器之间存在寄触电容，电源线与地线之间也 存在寄生电容，这为共模干扰电流提供了传播通道。如图2 - 8 所示，共 模干扰豹主要产生源是禚功率牙关管q 娥，鸯功率开关管奄处产生鲍共 模电流经过地线等额分流后分别流向l 相线和n 相线( 因为两条支路的 阻抗相等的缘故，所以共模电流是等额分流后流入l 相线和n 相线) ， 由予离频变压嚣中盼毫慧阻抗 乍用，使得流过l 相线鲍共模电流经过整 流耩翁l 警屠，不经道褒菝变压器藜裙缀线霾，瑟是经过嘏熬龟客c ， 然后到达干扰源处；流避n 相线的共模电流经过整流桥的4 管，然后到 达共模干扰源处。此功率变换电路系统的热模传导e m i 的传播路径如图 2 8 中的虚线箭头方向所示【7 。2 0 l 。 分毒毫拳 匿2 - 8 整流轿t 、4 管导通时躺热模电流传播路径 f i g 2 - 8t h ep r o m u l g a t ep a t ho fc m c h f f e n lw h e n1a n d4d i o d e sa r eo n 同理，当整流桥的2 、3 管导通的时候，电源的供电电聪是正弦交流 电的负相相部分，整流桥的l 、4 管截止。此时的差模电流传播路径如 图2 - 9 所示，共模电流的传播路径如图2 一l o 所示。 癸毒电霉 ， r ， 娄“牛! 一 1 纷 羹 l 2 1 l 蕞- r 图2 - 9 整流桥2 、3 管导通时的簸模电流传播路径 f i g 2 - 9t h ep r o m u l g a t ep a t ho fd mc u r r e n tw h e n2a n d3d i o d e sa r eo i l 1 4 第二章传导e m i 的产生机理分析及测量 分布电容 1 r 一 ( - 。_ _ l士。 图2 一1 0 整流桥2 、3 管导通时的共模电流传播路径 f i g 2 1 0t h ep r o m u l g a t ep a t ho fc m c u r r e n tw h e n2a n d3d i o d e sa r eo n 2 5 传导e m i 的测量 2 5 1 测量框架 在分析和研究传导e m i 时，共模电流和差模电流的测量显得十分重 要。在测量传导e m i 的时必须要用到一个专门的测量网络，通常是选用 线性阻抗稳定网络( l i s n ) ，线性阻抗稳定网络为传导e m i 提供传播通 路，通过测量线性阻抗稳定网络的两个采样电阻电压就可以得到传导 e m i 的大小，但是，这样得来的干扰信号既有差模干扰信号也有共模干 扰信号，在分析和研究的时候，通常要把它们分离开来，这可以借助噪 声分离器把它们分离开来。然后把它们分别送入频谱分析仪进行频谱分 析。测量框架如图2 - 1 1 所示【2 “。 囔声j 手i 暮 藏谱分析便 图2 - 1 l 测量框架 f i g 2 1lt h ef r a m eo ft e s t i n g 广东工业大学工学硕士学位论文 测量传导e m i 时，由于l i s n 所起的桥梁作用，传导e m i 就在l i s n 中流通，形成回路，这时的传导e m i 传播路径如图2 一1 2 所示。 分布电容 7 1 卜一、 荔谣雨二菇若菊： 图2 1 2 测试时的传导e m i 传播路径 f i g 2 1 2t h ep a t ho fc o n d u c t e de m lw h e nt e s t i n g 2 5 2 线性阻抗稳定网络( l i s n ) 在测量传导干扰的时候必须用到一个专门的测量网络，图2 - 1 3 是 c i s p r ( 国际射频干扰特别委员会) 规定的标准测量网络l i s n ( 线性阻 抗稳定网络) 。它是由一些标准的电感、电容、电阻组成的网络，其中 l 1 、l 2 的电感值都是5 0 m h ，r 1 、r 2 的电阻值都是5 0 f l ，c 1 、c 2 的电 容值是1 肛f ，c 3 、c 4 的电容值是0 1 斗f 。在传导e m i 测试的时候就是通 过测量l i s n 上5 0 q 电阻两端的噪声电压。l i s n 的作用是：1 ) 对5 0 h z 的低频电流来说，电感l l 、l 2 形同短路，因此，交流电源可以通过l i s n 提供给被测设备；2 ) 对被测设备所产生的高频信号来说，l i s n 的电感 l 1 ，l 2 形同开路，电容c 3 、c 4 形同短路，因此，干扰噪声不会流入电 网，而是馈送至频谱分析仪进行测量，同时提供输入阻抗为5 0 q 测量标 准；3 ) 电感l 1 、l 2 ，电容c l 、c 2 能将电源端的干扰信号隔离在外， 使之不影响系统的测量【15 儿1 6 1 。 1 6 第二章传导e m i 的产生机理分析及测量 接 图2 一1 3 线性阻抗稳定网络 f i g 2 1 3l i s n 2 5 3 传导e m i 的采集 ： i ： ： ，l 。 l |f i n 。幽 图2 一1 4 传导e m i 传播路径简化图 f i g 2 - 1 4 t h ep r e d i g e s t e d f i g u r eo f p a t ho fc o n d u c t e de m i 把图2 - 1 2 中流经l i s n 的传导电流传播路径简化成图2 1 4 ，由图 2 - 1 4 可以发现流经l i s n 中r 1 的传导干扰电流流入l 相线，电流i l 的 计算如( 2 - 3 ) 式，流经l i s n 中r 2 的干扰电流流入n 相线，电流i n 的 计算如( 2 - 4 ) 式。 i = i c u f ( 2 - 3 ) i = f e n + i n u ( 2 - 4 ) 很明显，只要能准确得到i l 和i n 的大小就能得到共模和差模电流的 大小。一般情况下，i l 和i n 是通过l i s n 中测量r 1 和r 2 的电压转换得 到的，电阻r 1 和r 2 的取值为5 0 q 。转换关系如( 2 - 5 ) 和( 2 - 6 ) 式所 示： l = 5 0 ( i c u i o u ) = 矿0 一y o ( 2 - 5 ) 2 = 5 0 ( i c u + i n u ) = p 乙+ 矿0 ( 2 - 6 ) 由( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 可得到共模和差模干扰电压如( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) ： = t v r l + v r 2 ( 2 7 ) = 毕 ( 2 - 8 ) 1 7 2 5 4 传导e m l 的分离和分析 把采样得来的干扰电压送入噪声分离器得到独立的差模干扰电压和 共援予援电压。分裂髭分褒舞懿共模秘蓑壤毫压送入频落分爨仪进霞频 谱分攒得到共模和差模嘏压在各耜关额率段里稻馕静大小。一般逡，噪 声分离可以在l i s n 的两个采样电阻接上专用的噪声分离器。经过噪声 分离器后得到的信号就怒单独的共模干扰倍号或是差模干扰信号。也可 以用电流探头鲍方法来分离噪声2 3 】【2 4 1 。电流探头是利用交聪器原理制造 躬熊够硷溅导线上毫簇魄潺瓣转惑器。姿惫流擐头专在被溅静线主瓣， 导线桐当于变压器的初级，探头中的线嘲相当于变压器的次级，导线上 的信号电流在电流探头的线圈上感应出电流，在仪器的输入端产生感应 电压，把这个电压接入频谱分析仪就能分析干扰信号的频谱。测量共模 的辩谈，只要把龟流搽失蠢霹卡往稳线饔n 程线，这露溅爨逡亲戆手 抗信号就是共模干扰信号，西为差模电流流经l 橹线和n 栩线的大小相 等、方向相反，因此羞横电流在电流探头中不会感应出电压，如图2 1 5 所示。测量差模的时候只嚣把参考地与测缀网络断开，使得l 相线和n 相线没毒共模电流通遭，然屠震电漉探头卡往其中懿某一攘线，此眩溅 量窭来的蓿号就是差骥予挠信号，如图2 - 1 6 所示。 图2 1 5 电流探头测量法( 拭模)图2 1 6 电流探头测燮法( 羞模) f i g 2 - 1 5t e s t i n go fc u f r e n tf i g 。2 1 6t e s t i n go fc u r r e n t probe(cm)probe(dm) 农没有电流探头也没有噪声分离器的情况下，可以用以下简便的方 法粗略得到系统的共模噪声和差模噪声。测量共模时，在参考地线回路 串接个采样电阻，采样电阻上得到的电愿就是共模电压。测薰差模时， 甥黢参考缝与测量网络瓣嚣鼹，羡溅量露爨串没毒共摸毫滚滚过，蘧对， l 暑 第二章传导e m i 的产生机理分析及测量 测量l i s n 上其中某一电阻的电压就是差模干扰电压。 2 6 本章小结 本章主要研究了电磁干扰的产生机理，指出产生电磁干扰三要素之 间的密不可分的相互关系：研究了共模干扰和差模干扰在骚扰源、传播 路径之间的区别，得出：共模干扰主要是由于高频通断所产生的剧变电 压与开关功率管与参考地之间的寄生电容相互作用所产生的，它是通过 参考地等量同相流经两电源线的，通过两电源线的共模电流的大小相等、 方向相同。差模干扰主要是由于电路系统在整流、二极管的高频通断过 程中产生大量的高次谐波，而电路系统没能完全的吸收这些高次谐波， 这些没有被吸收的高次谐波就以差模的形式在两电源线之间流通，通过 两电源线的差模电流的大小相等、方向相反；最后介绍了传导e m z 的测 量，给出了传导e m i 测量的一些方法、步骤。 1 9 广东工业大学工学硕士学位论文 第三章无源滤波器 无源滤波器就是一些无源器件组成的二端口网络。这些无源器件包 括电阻、电容、电感。 3 1 二端口网络 在实际的电路里，我们进行理论分析的时候通常把无源滤波器看作 是二端口网络。因为，二端1 3 网络只对二端1 ：3 处的电流、电压之间的关 系感兴趣，它们之间的关系可以用一些参数来表示。二端口网络的这些 参数只与网络内的元器件的参数以及网络内部元器件的结构连接有关 系，而与外部的电路结构没有任何关系。这些参数能给我们分析电路系 统带来便利。图3 一l 是中一个串接了二端1 ：3 网络的简单电路系统，图3 - 2 是图3 - l 中去掉二端口网络的参考电路。其中z s 表示源阻抗，r l 表示 负载阻抗。二端口网络的电压、电流之间的关系可以用下面的关系式来 表示【2 5 】【2 6 】： u l ( s ) = 口l l u 2 ( s ) + 口1 2 一l ( s ) 】 ( 3 一1 ) i t ( s ) = 口2 l u 2 ( s ) + 口2 2 一厶( s ) 】 ( 3 - 2 ) 或者写成矩阵的形式： 嘲也组h s ， 其中： ”器l 。2 器l 。 2 铡w ，。2 器l 。 参数a l l 、a 1 2 、a 2 1 、a 2 2 所形成的矩阵电路上称为t 参数矩阵。 第三童无源滤波器 二端口 网络r l u s 图3 - 1 串接二端口网络的电路图3 2 参考电路 f i g 3 1t h ec i r c u i to ft w op o r tn e t w o r kf i g 3 - 2r e f e r e n c ec i r c u i t 3 2 无源滤波器的基本拓扑结构 无源滤波器的基本拓扑结构有l 型、c 型、l c 型，c l 型、t 型、靠 型六种，如表3 - 1 所示。 表3 - 1 无源滤波器的拓扑结构 t a b 3 1t h et o p o l o g yo fp a s s i v ef i l t e r 电路塑式电路拓扑结构t 参敦 l 型“r 一 1j c o l 1 0 1 j _-_ c 星上c 10 丁 。j c o c1 l c 型1 ，1 f 1 一c 0 2 l cj c o l l ，葩 1 j c l 型弋r f f 1 ，越 l j o x 71 - c 0 2 l c j t 型 气r 它 1 - ( d 1 c j ( c o 1 + 鸸一厶厶c ) f l ，ci - 矿岛c| t r 垄 1 丁 1 - l g 肛1 c tt 岛 队嵋+ 吗一z q g ) 1 - l c ；j 现在以l 型滤波器为例推导表3 - 1 中各t 参数。把l 型滤波器当作 一个二端口网络，首先假设负载端断路，此时电路中没有电流通过，此 时1 1 ( s ) = 1 2 ( s ) = o ，u i ( s ) = u 2 ( s ) ；然后假设负载短路，则i l ( s ) _ 1 2 ( s ) ， u 2 ( s ) = o ，故： 三圣三些奎兰三兰鎏圭耋堡鎏三 a l l ：旦盟i ：1 2 锎州跏。2 ：盟1 ：0 啦! 2 高k ，。2 所以l 型的t 参数矩阵为： q ：= 旦剑u 2 ( s 卜o = _ ，砒 铲蚓叫舢= t 瓦= e , o c 。o l i 同理可以推导出其他型式的滤波器t 参数。l c 型、c l 型、t 型、兀 型网络结构可以拆分成若干个l 型、c 型的串联。根据二端口网络的串 联关系，串联二端口网络的t 参数等于各独立网络的t 参数的乘积。这 样，只要知道l 型、c 型的t 参数就很容易推倒出其他的型式的t 参数。 3 3 无源滤波器的工作特性 无源滤波器是低通滤波器。低通滤波器的特点就是让低频信号无衰 减的通过，而阻隔高频信号。低通滤波器的幅频响应如图3 - 3 所示，( o o 是截止频率，在0 至o 角频率段里信号几乎没有衰减，该区间叫通带； 大于f , , 0 0 的角频率段信号幅值有较大的衰减，该区间叫阻带。 图3 - 3 低通滤波器的工作原理 f i g 3 - 3t h et h e o r yo fl o wf r e q u e n c yf i l t e r 下面以l c 滤波网络来讨论无源滤波器的工作特性。图3 - 4 是l c 滤 波网络的拓扑结构图。 第三章无源滤波器 l 图3 - 4l c 滤波器拓扑结构 f i g 3 4t h et h e o r yo fl o wf r e q u e n e yf i l t e r 这里负载是纯电阻，用r 表示。v i 。是滤波器的输入电压，v r 是滤 波器的输出电压，则滤波器的传递函数为： ，书= = 甄1 净t ， + 乓；一 其中：谐振角频率为： 2 面 阻尼系数为： 忆 万：! 堂：堑 特征阻抗为： z = 廷 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 用j 代换式( 3 - 4 ) 中的s 得到滤波传递函数的频率响应特性： ( 3 - 7 ) 每c 俐2 乏艺五 仔8 ) i 吐，0 广东工业大学工学硕士学位论文 用相对频率u 表示旦则可以化简为： 堡： ! 一u2 + ，2 踟+ 1 ( 3 - 9 ) 现定义1 刮为滤波网络的衰减系数，下面讨论当负载与滤波网络参 ( 1 ) 当空载时，r = o 。，由公式( 3 6 ) 得，8 = 0 ，则： 滤波器的传递函数的频率响应为： 生；上；上( 3 - 1 0 ) 叫2 t 谢 如果“= ( 云 l ，即殄= 1 呈，由( 3 - 1 0 ) 4 l c 得衰减系数为： l 国o 阱专= 两1 = ( 笥 i 一( 0 0 j 从上式可以看出，当c o 时，滤波网络的衰减系数小于1 ，随着 如果“= 川a “= 面1 ，由( 3 - 1 0 ) 得衰减系数为： 卧( 3 - 1 2 ) 从上式可以看出，当彩 ( 0 0 时，滤波网络的衰减系数等于1 ，说明 如果在附近时，由于发生谐振，滤波网络的衰减系数变的很大， d 嘲r m i：im： ： s y s t c , r r 【s 0 f r e q u e n c y ( r e d ，s t 们 r 。 m a g n 撕( d卧1 弼 ”一1 s v s f e 雕s o 一0 一 f r e c n e n c y ( r a d i s h , c ) ：57 ：， s y s t m ：s 0 g 哺u d e ( d 8 ) ：34 2 ： f r e q u c m o y ( r a d ，s l1 97 j 一 螂u d e ( 胡l 一9 2 1 一、j 。_ 量 图3 - 58 = 0 ，l c 滤波函数的频率响应曲线 f i g 3 - 5f r e q u e n c yr e s p o n s eo fl cf i l t e rw h e n 万= 0 ( 2 ) 当r 等于特征阻抗时，即：r = 、吾，由公式( 3 6 ) 得，8 = o 5 ，则： io 滤波器的传递函数的频率响应为： 姿一三一 ( 3 - 1 3 ) 圪一“24 - j u - i - 1 。 滤波函数的衰减系数为： 阱丽话 闳瓜刁百 “1 ” 若甜= 詈= - ，= i 纠= ，z 吣吲= 。 若”= 詈 ，脚 嘶，i 刭 ，z 吣吲v o 。 从上面可以看出，当缈= 时，滤波器对信号没有衰减，当由 蛾，滤波器对信号有衰减作用，而