（电力电子与电力传动专业论文）半桥qrc变换器电磁兼容性分析与研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 1 电磁兼容性问题的概述 卜卜1电磁兼容的定义 由于电磁干扰源的存在，电磁干扰现象经常发生。如果在一个系统中各种用电设 备能和谐的正常工作而不致相互发生电磁干扰，造成性能改变或遭受损坏，就称这个 系统中的用电设备是相互兼容的。但是随着用电设备功能的多样化、结构的复杂化、 功率增加和频率增高，同时它们的灵敏度也越来越高，这种相互包容兼顾、各显其能 的状态很难获得。为了使系统达到电磁兼容，必须以系统整体电磁环境为依据，要求 每个用电设备不产生超过一定限度的电磁发射，同时又要求它具有一定的抗干扰能 力。只有对每一个设备作这两方面的约束，才能保证系统达到电磁兼容。因此人们对 电磁兼容的含义作出了科学的概括，认为电磁兼容( 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 e m c ) 是“设备( 分系统、系统) 在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存 状态。即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中的其他设备的电磁发射导致或遭受 不允许的降级，它也不会使同一电磁环境中其他设备( 分系统、系统) 因受其电磁发 射而导致或遭受不允许的降级”。这是我国军标g j b 7 2 8 5 电磁干扰和电磁兼容性 名词术语中规定的。世界各个国家为了本国用电设备相互的兼容问题都制定了电磁 兼容性标准，阐明了电磁兼容性的定义。美国电气和电子工程师协会( i e e e ) 对电 磁兼容性的定义是“一个装置能在其所处的电磁环境中满意的工作，同时又不向该环 境及同一环境中的其他装置排放超过允许范围的电磁扰动。”而国际电工组织( i e c ) 对电磁兼容的定义是“电磁兼容是设备的一种能力，它在其电磁环境中能完成它的功 能，而不致于在其环境中产生不允许的干扰”。不管是哪个机构的定义，电磁兼容性 都包括两个方面的含义，即( 1 ) 设备在外界电磁环境的影响下能够正常工作( 即电 磁敏感性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 _ e m s 方面) ，( 2 ) 该设备产生的电磁噪声 ( e l e c t o m a g n e t i cn o i s e - - e m n ) 必须限制在一定的电平，使由它所造成的电磁干扰不 至于对它周围的电磁环境造成严重的污染和影响其他设备或系统的正常运行( 电磁干 扰e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e - - e m i 方面) 。 根据电磁理论，导体中变化的电流会产生电磁场辐射，电流变化率( 频率) 越高， 则辐射效率越高。因此任何依靠高频电流工作的电子设备在工作时都会产生电磁波辐 射。这些电场波会对附近的设备产生干扰。当前，随着各种电子电路和电力电子技术 在各个领域日益广泛的应用，一方面，电子技术正朝着高频、高速、高灵敏度、高可 靠性、多功能、小型化的方向快速发展，导致了现代电子设备产生和接受电磁干扰的 几率大大增加：另一方面，随着电力电子装置本身功率容量和功率密度的不断增大， 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 1 电磁兼容性问题的概述 卜卜1电磁兼容的定义 由于电磁干扰源的存在，电磁干扰现象经常发生。如果在一个系统中各种用电设 备能和谐的正常工作而不致相互发生电磁干扰，造成性能改变或遭受损坏，就称这个 系统中的用电设备是相互兼容的。但是随着用电设备功能的多样化、结构的复杂化、 功率增加和频率增高，同时它们的灵敏度也越来越高，这种相互包容兼顾、各显其能 的状态很难获得。为了使系统达到电磁兼容，必须以系统整体电磁环境为依据，要求 每个用电设备不产生超过一定限度的电磁发射，同时又要求它具有一定的抗干扰能 力。只有对每一个设备作这两方面的约束，才能保证系统达到电磁兼容。因此人们对 电磁兼容的含义作出了科学的概括，认为电磁兼容( 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 e m c ) 是“设备( 分系统、系统) 在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存 状态。即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中的其他设备的电磁发射导致或遭受 不允许的降级，它也不会使同一电磁环境中其他设备( 分系统、系统) 因受其电磁发 射而导致或遭受不允许的降级”。这是我国军标g j b 7 2 8 5 电磁干扰和电磁兼容性 名词术语中规定的。世界各个国家为了本国用电设备相互的兼容问题都制定了电磁 兼容性标准，阐明了电磁兼容性的定义。美国电气和电子工程师协会( i e e e ) 对电 磁兼容性的定义是“一个装置能在其所处的电磁环境中满意的工作，同时又不向该环 境及同一环境中的其他装置排放超过允许范围的电磁扰动。”而国际电工组织( i e c ) 对电磁兼容的定义是“电磁兼容是设备的一种能力，它在其电磁环境中能完成它的功 能，而不致于在其环境中产生不允许的干扰”。不管是哪个机构的定义，电磁兼容性 都包括两个方面的含义，即( 1 ) 设备在外界电磁环境的影响下能够正常工作( 即电 磁敏感性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 _ e m s 方面) ，( 2 ) 该设备产生的电磁噪声 ( e l e c t o m a g n e t i cn o i s e - - e m n ) 必须限制在一定的电平，使由它所造成的电磁干扰不 至于对它周围的电磁环境造成严重的污染和影响其他设备或系统的正常运行( 电磁干 扰e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e - - e m i 方面) 。 根据电磁理论，导体中变化的电流会产生电磁场辐射，电流变化率( 频率) 越高， 则辐射效率越高。因此任何依靠高频电流工作的电子设备在工作时都会产生电磁波辐 射。这些电场波会对附近的设备产生干扰。当前，随着各种电子电路和电力电子技术 在各个领域日益广泛的应用，一方面，电子技术正朝着高频、高速、高灵敏度、高可 靠性、多功能、小型化的方向快速发展，导致了现代电子设备产生和接受电磁干扰的 几率大大增加：另一方面，随着电力电子装置本身功率容量和功率密度的不断增大， 半桥q r c 变换器电磁兼容性分析与研究 电网及其周围的电磁环境遭受的污染也日益严重，所以，电磁干扰( e m i ) 和电磁敏 感度( e m s ) 已成为现代电气工程设计和研究人员在设计过程中必须考虑的问题， e m i 也已经成为许多电子设备能否在应用现场正常可靠运行的主要障碍之一。为此， 世界各国对电气设备的电磁兼容性( e m c ) 均制定了相应的标准。比如国际电工委 员会的i e c 6 1 0 0 0 及c 1 s p r 系列标准、欧共体的e n 系列标准、美国联邦通信委的f c c 系列标准，我国现行的g b t 1 3 9 2 6 系列e m c 标准主要是参照c i s p r 修订的。特别 在西欧，从1 9 9 6 年1 月起，已经强制严格执行其相应标准；凡不符合欧洲e m c 标 准8 9 3 3 6 e e c 的电气产品，一律不准进入欧洲市场。因此，今天对e m i 和e m c 的 研究已不再象以前那样，主要局限于通讯领域和军用设备与系统，而是已经或正在迅 速地扩展到与电子技术应用相关的工业、民用的各个领域。 卜卜2 电磁兼容的三个因素 任何电磁兼容性问题都包含三因素，即干扰源、敏感设备和耦合路径，这三个因 素缺少一个，电磁兼容问题就不会存在。图卜l 给出了这三个因素的示意图。因此， 在解决电磁兼容问题时，也要从这三个因素入手进行分析，查清这三个因素是什么， 然后根据具体情况，采取适当的措施消除其中的一个。 图1 1电磁干扰三因素的示意图 1 电磁干扰源：电磁干扰源是发生电磁干扰的三个因素之首要因素。存在干扰源 不一定必然发生电磁干扰，它潜藏着发生干扰和兼容的两种可能性。环境中的电磁干 扰源分为自然和人为的两种。雷电是一种主要的自然干扰源，另外自然干扰源还包括 宇宙噪声和太阳噪声。自然界的噪声主要会对通信造成干扰。人为干扰源主要是设备 中的电压或者电流的变化，即较大的d v d t ，或d i d t 。大部分人为干扰源都是无意发 射的，它们通常伴随着用电设备实现某种电能转换功能而产生，因此企图完全消除干 扰源的存在，往往是穗淇困难的，甚至是不可能办到的。人们容忍它存在，但必须把 它限制在不影响其他设备正常工作的范围内。 2 敏感设备：是被干扰对象的总称，它可以是一个很小的元件或者一个电路板组 件，也可以是一个单独的用电设备，甚至可以是一个大系统。 3 耦合路径：干扰源和受扰设备在一起，就有从一方到另一方的潜在的干扰路径。 许多电子设备中包含着具有天线能力的部件，例如电缆、印刷电路板的印制线、内部 连接导线等等，这些元件以电场、磁场或电磁场的方式传输能量并耦合到线路中。 卜卜3 忽视e m c 设计会造成的后果 2 半桥q r c 变换器电磁兼容性分析与研究 电网及其周围的电磁环境遭受的污染也日益严重，所以，电磁干扰( e m i ) 和电磁敏 感度( e m s ) 已成为现代电气工程设计和研究人员在设计过程中必须考虑的问题， e m i 也已经成为许多电子设备能否在应用现场正常可靠运行的主要障碍之一。为此， 世界各国对电气设备的电磁兼容性( e m c ) 均制定了相应的标准。比如国际电工委 员会的i e c 6 1 0 0 0 及c 1 s p r 系列标准、欧共体的e n 系列标准、美国联邦通信委的f c c 系列标准，我国现行的g b t 1 3 9 2 6 系列e m c 标准主要是参照c i s p r 修订的。特别 在西欧，从1 9 9 6 年1 月起，已经强制严格执行其相应标准；凡不符合欧洲e m c 标 准8 9 3 3 6 e e c 的电气产品，一律不准进入欧洲市场。因此，今天对e m i 和e m c 的 研究已不再象以前那样，主要局限于通讯领域和军用设备与系统，而是已经或正在迅 速地扩展到与电子技术应用相关的工业、民用的各个领域。 卜卜2 电磁兼容的三个因素 任何电磁兼容性问题都包含三因素，即干扰源、敏感设备和耦合路径，这三个因 素缺少一个，电磁兼容问题就不会存在。图卜l 给出了这三个因素的示意图。因此， 在解决电磁兼容问题时，也要从这三个因素入手进行分析，查清这三个因素是什么， 然后根据具体情况，采取适当的措施消除其中的一个。 图1 1电磁干扰三因素的示意图 1 电磁干扰源：电磁干扰源是发生电磁干扰的三个因素之首要因素。存在干扰源 不一定必然发生电磁干扰，它潜藏着发生干扰和兼容的两种可能性。环境中的电磁干 扰源分为自然和人为的两种。雷电是一种主要的自然干扰源，另外自然干扰源还包括 宇宙噪声和太阳噪声。自然界的噪声主要会对通信造成干扰。人为干扰源主要是设备 中的电压或者电流的变化，即较大的d v d t ，或d i d t 。大部分人为干扰源都是无意发 射的，它们通常伴随着用电设备实现某种电能转换功能而产生，因此企图完全消除干 扰源的存在，往往是穗淇困难的，甚至是不可能办到的。人们容忍它存在，但必须把 它限制在不影响其他设备正常工作的范围内。 2 敏感设备：是被干扰对象的总称，它可以是一个很小的元件或者一个电路板组 件，也可以是一个单独的用电设备，甚至可以是一个大系统。 3 耦合路径：干扰源和受扰设备在一起，就有从一方到另一方的潜在的干扰路径。 许多电子设备中包含着具有天线能力的部件，例如电缆、印刷电路板的印制线、内部 连接导线等等，这些元件以电场、磁场或电磁场的方式传输能量并耦合到线路中。 卜卜3 忽视e m c 设计会造成的后果 2 半桥q r c 变换器电磁兼容性分析与研究 电网及其周围的电磁环境遭受的污染也日益严重，所以，电磁干扰( e m i ) 和电磁敏 感度( e m s ) 已成为现代电气工程设计和研究人员在设计过程中必须考虑的问题， e m i 也已经成为许多电子设备能否在应用现场正常可靠运行的主要障碍之一。为此， 世界各国对电气设备的电磁兼容性( e m c ) 均制定了相应的标准。比如国际电工委 员会的i e c 6 1 0 0 0 及c 1 s p r 系列标准、欧共体的e n 系列标准、美国联邦通信委的f c c 系列标准，我国现行的g b t 1 3 9 2 6 系列e m c 标准主要是参照c i s p r 修订的。特别 在西欧，从1 9 9 6 年1 月起，已经强制严格执行其相应标准；凡不符合欧洲e m c 标 准8 9 3 3 6 e e c 的电气产品，一律不准进入欧洲市场。因此，今天对e m i 和e m c 的 研究已不再象以前那样，主要局限于通讯领域和军用设备与系统，而是已经或正在迅 速地扩展到与电子技术应用相关的工业、民用的各个领域。 卜卜2 电磁兼容的三个因素 任何电磁兼容性问题都包含三因素，即干扰源、敏感设备和耦合路径，这三个因 素缺少一个，电磁兼容问题就不会存在。图卜l 给出了这三个因素的示意图。因此， 在解决电磁兼容问题时，也要从这三个因素入手进行分析，查清这三个因素是什么， 然后根据具体情况，采取适当的措施消除其中的一个。 图1 1电磁干扰三因素的示意图 1 电磁干扰源：电磁干扰源是发生电磁干扰的三个因素之首要因素。存在干扰源 不一定必然发生电磁干扰，它潜藏着发生干扰和兼容的两种可能性。环境中的电磁干 扰源分为自然和人为的两种。雷电是一种主要的自然干扰源，另外自然干扰源还包括 宇宙噪声和太阳噪声。自然界的噪声主要会对通信造成干扰。人为干扰源主要是设备 中的电压或者电流的变化，即较大的d v d t ，或d i d t 。大部分人为干扰源都是无意发 射的，它们通常伴随着用电设备实现某种电能转换功能而产生，因此企图完全消除干 扰源的存在，往往是穗淇困难的，甚至是不可能办到的。人们容忍它存在，但必须把 它限制在不影响其他设备正常工作的范围内。 2 敏感设备：是被干扰对象的总称，它可以是一个很小的元件或者一个电路板组 件，也可以是一个单独的用电设备，甚至可以是一个大系统。 3 耦合路径：干扰源和受扰设备在一起，就有从一方到另一方的潜在的干扰路径。 许多电子设备中包含着具有天线能力的部件，例如电缆、印刷电路板的印制线、内部 连接导线等等，这些元件以电场、磁场或电磁场的方式传输能量并耦合到线路中。 卜卜3 忽视e m c 设计会造成的后果 2 南京航空航天大学硕士学位论文 e m l 危害最严重的例子是1 9 6 7 年6 月发生在越南美军基地的一起事故。据报道， 当时美军一艘军舰上的高功率雷达发射的射频能量，耦合到一台装在飞机上的导弹火 箭的马达驱动电路，导致该马达启动，将导弹火箭点火，并触发了停在航空母舰飞行 甲板上的其他导弹。这起爆炸事故，使1 3 4 人丧生，引爆了2 7 枚导弹，造成了巨大 的损失。1 9 8 0 年前后，德国报道了一个陆地发射台的射频能量，干扰了一台航空电 子设备，曾导致一艘军用航空飞机爆炸。类似的由e m i 造成的惨痛教训，使军用及 通讯电子设备的设计部门早已把e m c 设计当作了设计和生产质量控制过程的一个重 要组成部分。 可是，长期以来e m c 设计问题在一般工业部门并未引起人们足够的重视，不少 设计工程师误认为e m c 问题主要是军事、通讯及有关部门的事。事实上并非如此。 近2 0 年来，随着数字计算技术、微处理器和电力电子装置在商业、工业、民用部门 的广泛应用，e m c 已变成人们当前必须认真对待的问题。例如，1 9 9 2 年1 月一家很 大的法国保险公司的一座大楼里新建了一个大型的计算机系统，该系统通电不久，主 电路断路器即跳闸，切断了整个系统的电源。工程技术人员花费了很多时间和金钱， 终于发现了它的断电原因，是该系统中使用的开关电源造成了高次谐波，致使零线电 流竟达到相电流的6 5 。又如，1 9 9 1 年意大利在阿尔卑斯山新建了一条双线缆车道， 设计了两台可控硅相控2 m w 的直流电动机调速装置，由附近的一个功率容量不大的 2 0 k v 电网供电。可是在实地试验时发现，该系统运行时造成了谐波干扰，使该电网 的电压畸变高达1 8 ，装置无法正常运行。直到后来采用了1 2 脉整流系统，这一问 题才得以解决。此外，高频开关电源和电子镇流器的大量应用所造成的传导和辐射干 扰，已经越来越引起了人们的重视。人们清楚地认识到，如果要使他们的产品能参与 本国、本地区乃至世界市场的竞争，好的e m c 设计是至关重要的。 卜1 - 4 产品的e m c 设计 为了保证一个电子设备或系统具有良好的电磁兼容性，电磁兼容措施一定要尽早 考虑，在新产品的设计阶段就应当首先进行e m c 设计，而不是到样机试验阶段乃至 到现场试验阶段，发现了e m i 问题以后才采取措施，考虑的越早，问题越简单，解 决问题所需要的成本越低。这是因为对一个设计工程师来说，在新产品的全开发过程 ( 设计一试验一批量生产) 中，越是到后面阶段，供他可以用来抑制噪声、防止受干 扰的手段越少，因而为此所付出的代价也越高。这一关系可以用图卜2 来形象的说明。 通常，e m c 设计( 包括事先采用必要的抑制e m i 措施) 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，只要适当的选择元部件和 材料，在每台售出设备上因之附加的元件成本通常很少，在批量生产的情况下，甚至 可以忽略不计。所以，任何电子产品在设计初期，首先进行e m c 设计是十分必要的。 电磁兼容设计的目的是：电子设备达到预期的功能，系统内各设备之间互相不干 扰，满足电磁兼容标准的要求。对产品进行电磁兼容性设计总的看来有两个方法，即 3 南京航空航天大学硕士学位论文 e m l 危害最严重的例子是1 9 6 7 年6 月发生在越南美军基地的一起事故。据报道， 当时美军一艘军舰上的高功率雷达发射的射频能量，耦合到一台装在飞机上的导弹火 箭的马达驱动电路，导致该马达启动，将导弹火箭点火，并触发了停在航空母舰飞行 甲板上的其他导弹。这起爆炸事故，使1 3 4 人丧生，引爆了2 7 枚导弹，造成了巨大 的损失。1 9 8 0 年前后，德国报道了一个陆地发射台的射频能量，干扰了一台航空电 子设备，曾导致一艘军用航空飞机爆炸。类似的由e m i 造成的惨痛教训，使军用及 通讯电子设备的设计部门早已把e m c 设计当作了设计和生产质量控制过程的一个重 要组成部分。 可是，长期以来e m c 设计问题在一般工业部门并未引起人们足够的重视，不少 设计工程师误认为e m c 问题主要是军事、通讯及有关部门的事。事实上并非如此。 近2 0 年来，随着数字计算技术、微处理器和电力电子装置在商业、工业、民用部门 的广泛应用，e m c 已变成人们当前必须认真对待的问题。例如，1 9 9 2 年1 月一家很 大的法国保险公司的一座大楼里新建了一个大型的计算机系统，该系统通电不久，主 电路断路器即跳闸，切断了整个系统的电源。工程技术人员花费了很多时间和金钱， 终于发现了它的断电原因，是该系统中使用的开关电源造成了高次谐波，致使零线电 流竟达到相电流的6 5 。又如，1 9 9 1 年意大利在阿尔卑斯山新建了一条双线缆车道， 设计了两台可控硅相控2 m w 的直流电动机调速装置，由附近的一个功率容量不大的 2 0 k v 电网供电。可是在实地试验时发现，该系统运行时造成了谐波干扰，使该电网 的电压畸变高达1 8 ，装置无法正常运行。直到后来采用了1 2 脉整流系统，这一问 题才得以解决。此外，高频开关电源和电子镇流器的大量应用所造成的传导和辐射干 扰，已经越来越引起了人们的重视。人们清楚地认识到，如果要使他们的产品能参与 本国、本地区乃至世界市场的竞争，好的e m c 设计是至关重要的。 卜1 - 4 产品的e m c 设计 为了保证一个电子设备或系统具有良好的电磁兼容性，电磁兼容措施一定要尽早 考虑，在新产品的设计阶段就应当首先进行e m c 设计，而不是到样机试验阶段乃至 到现场试验阶段，发现了e m i 问题以后才采取措施，考虑的越早，问题越简单，解 决问题所需要的成本越低。这是因为对一个设计工程师来说，在新产品的全开发过程 ( 设计一试验一批量生产) 中，越是到后面阶段，供他可以用来抑制噪声、防止受干 扰的手段越少，因而为此所付出的代价也越高。这一关系可以用图卜2 来形象的说明。 通常，e m c 设计( 包括事先采用必要的抑制e m i 措施) 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，只要适当的选择元部件和 材料，在每台售出设备上因之附加的元件成本通常很少，在批量生产的情况下，甚至 可以忽略不计。所以，任何电子产品在设计初期，首先进行e m c 设计是十分必要的。 电磁兼容设计的目的是：电子设备达到预期的功能，系统内各设备之间互相不干 扰，满足电磁兼容标准的要求。对产品进行电磁兼容性设计总的看来有两个方法，即 3 半桥q r c 变换器电磁兼容性分析与研究 测试修改法和系统修改法。测试修改法：在设计阶段几乎不考虑电磁兼容性，样机完 在解决 噪声问 题中现 有技术 与成本 丛g 本 开发的时间 图l 一2电磁兼容性设计成本和可采用的技术手段在开发过程各阶段的关系 成以后，在对样机进行测试的过程中发现问题，然后进行修改，再测试，再修改，直 到样机满足要求。可以想象的出，这种方法的设计盲目性极强。在最后阶段往往要花 费大量的时间来测试修改( 调试) 样机，最终解决方案一般不是最佳( 成本最低) 的。 系统设计法：在产品的设计过程中仔细预测各种可能发生的电磁兼容问题( 可用电磁 兼容预测软件进行辅助分析) ，并从设计的一开始就采取各种措施，避免电磁兼容问 题。由于在设计阶段采取电磁兼容措施，因此可以采取电路与结构相结合的技术措施。 采取这种方法通常能在正式产品完成之前解决9 0 的电磁兼容问题。 测试修改法和系统设计法具有各自的优缺点。测试修改法可以节省在设计阶段专 业电磁兼容支持所增加的成本，不过采用这种方法在产品的最后阶段解决电磁兼容问 题不仅困难大，而且成本很高。系统设计法则正好相反，它成功率高，节省开发时间， 可以使设计达到最优化( 产品成本低) ，不过它对设计人员电磁兼容水平的要求高， 有时需要专门的电磁兼容技术支持，因而增加设计成本。所以，测试修改法适合于比 较简单的设备，系统设计法适合于复杂的设备。 卜2 开关电源的电磁兼容问题 1 - 2 - 1 开关电源中的e m i 问题 最初，电磁兼容和电磁干扰抑制技术是随着无线电广播、通信技术的发展而发展 起来的。但在实际上，电磁干扰是一切电气和电子装置( 系统) 的伴随物，它无所不 在。在6 0 年代初期，许多电气电子工程技术人员曾把电磁干扰抑制技术看成是一种 “黑色技术”，即看成是一种纯经验性的实验技巧。长期以来，人们常在样机测试、 投产阶段，乃至在应用现场用“尝试一失败一再尝试”的方法来解决电磁兼容性 ( e m c ) 问题，其结果是延长了设备调试时间和由于增加不必要的附加元件而导致 成本提高。 目前有关电磁兼容问题的研究大多数是侧重于讨论与无线电通信有关的一些电 磁兼容问题，有的则是将许多解决电磁干扰问题的实践经验加以分类和综合，涉及电 力电子装置( 系统) 中的e m c 问题还比较少。而电力电子装置( 系统) 中的e m c 4 半桥q r c 变换器电磁兼容性分析与研究 测试修改法和系统修改法。测试修改法：在设计阶段几乎不考虑电磁兼容性，样机完 在解决 噪声问 题中现 有技术 与成本 丛g 本 开发的时间 图l 一2电磁兼容性设计成本和可采用的技术手段在开发过程各阶段的关系 成以后，在对样机进行测试的过程中发现问题，然后进行修改，再测试，再修改，直 到样机满足要求。可以想象的出，这种方法的设计盲目性极强。在最后阶段往往要花 费大量的时间来测试修改( 调试) 样机，最终解决方案一般不是最佳( 成本最低) 的。 系统设计法：在产品的设计过程中仔细预测各种可能发生的电磁兼容问题( 可用电磁 兼容预测软件进行辅助分析) ，并从设计的一开始就采取各种措施，避免电磁兼容问 题。由于在设计阶段采取电磁兼容措施，因此可以采取电路与结构相结合的技术措施。 采取这种方法通常能在正式产品完成之前解决9 0 的电磁兼容问题。 测试修改法和系统设计法具有各自的优缺点。测试修改法可以节省在设计阶段专 业电磁兼容支持所增加的成本，不过采用这种方法在产品的最后阶段解决电磁兼容问 题不仅困难大，而且成本很高。系统设计法则正好相反，它成功率高，节省开发时间， 可以使设计达到最优化( 产品成本低) ，不过它对设计人员电磁兼容水平的要求高， 有时需要专门的电磁兼容技术支持，因而增加设计成本。所以，测试修改法适合于比 较简单的设备，系统设计法适合于复杂的设备。 卜2 开关电源的电磁兼容问题 1 - 2 - 1 开关电源中的e m i 问题 最初，电磁兼容和电磁干扰抑制技术是随着无线电广播、通信技术的发展而发展 起来的。但在实际上，电磁干扰是一切电气和电子装置( 系统) 的伴随物，它无所不 在。在6 0 年代初期，许多电气电子工程技术人员曾把电磁干扰抑制技术看成是一种 “黑色技术”，即看成是一种纯经验性的实验技巧。长期以来，人们常在样机测试、 投产阶段，乃至在应用现场用“尝试一失败一再尝试”的方法来解决电磁兼容性 ( e m c ) 问题，其结果是延长了设备调试时间和由于增加不必要的附加元件而导致 成本提高。 目前有关电磁兼容问题的研究大多数是侧重于讨论与无线电通信有关的一些电 磁兼容问题，有的则是将许多解决电磁干扰问题的实践经验加以分类和综合，涉及电 力电子装置( 系统) 中的e m c 问题还比较少。而电力电子装置( 系统) 中的e m c 4 半桥q r c 变换器电磁兼容性分析与研究 测试修改法和系统修改法。测试修改法：在设计阶段几乎不考虑电磁兼容性，样机完 在解决 噪声问 题中现 有技术 与成本 丛g 本 开发的时间 图l 一2电磁兼容性设计成本和可采用的技术手段在开发过程各阶段的关系 成以后，在对样机进行测试的过程中发现问题，然后进行修改，再测试，再修改，直 到样机满足要求。可以想象的出，这种方法的设计盲目性极强。在最后阶段往往要花 费大量的时间来测试修改( 调试) 样机，最终解决方案一般不是最佳( 成本最低) 的。 系统设计法：在产品的设计过程中仔细预测各种可能发生的电磁兼容问题( 可用电磁 兼容预测软件进行辅助分析) ，并从设计的一开始就采取各种措施，避免电磁兼容问 题。由于在设计阶段采取电磁兼容措施，因此可以采取电路与结构相结合的技术措施。 采取这种方法通常能在正式产品完成之前解决9 0 的电磁兼容问题。 测试修改法和系统设计法具有各自的优缺点。测试修改法可以节省在设计阶段专 业电磁兼容支持所增加的成本，不过采用这种方法在产品的最后阶段解决电磁兼容问 题不仅困难大，而且成本很高。系统设计法则正好相反，它成功率高，节省开发时间， 可以使设计达到最优化( 产品成本低) ，不过它对设计人员电磁兼容水平的要求高， 有时需要专门的电磁兼容技术支持，因而增加设计成本。所以，测试修改法适合于比 较简单的设备，系统设计法适合于复杂的设备。 卜2 开关电源的电磁兼容问题 1 - 2 - 1 开关电源中的e m i 问题 最初，电磁兼容和电磁干扰抑制技术是随着无线电广播、通信技术的发展而发展 起来的。但在实际上，电磁干扰是一切电气和电子装置( 系统) 的伴随物，它无所不 在。在6 0 年代初期，许多电气电子工程技术人员曾把电磁干扰抑制技术看成是一种 “黑色技术”，即看成是一种纯经验性的实验技巧。长期以来，人们常在样机测试、 投产阶段，乃至在应用现场用“尝试一失败一再尝试”的方法来解决电磁兼容性 ( e m c ) 问题，其结果是延长了设备调试时间和由于增加不必要的附加元件而导致 成本提高。 目前有关电磁兼容问题的研究大多数是侧重于讨论与无线电通信有关的一些电 磁兼容问题，有的则是将许多解决电磁干扰问题的实践经验加以分类和综合，涉及电 力电子装置( 系统) 中的e m c 问题还比较少。而电力电子装置( 系统) 中的e m c 4 南京航空航天大学硕士学位论文 问题具有它本身的特殊性：通常它涉及到的装置功率较大，其主电路中的大功率开关 过程产生的高d i d t 和d u d t 会引起强大的传导型e m i ；有些高频大功率装置还会产生 强电磁场( 通常是近场) 的辐射，它们会严重的污染周围的电磁环境和电网：此外， 这些装置( 系统) 内部的控制电路还必须能承受其主电路及工业应用现场电磁噪声的 干扰。由于这些特殊性和测量上的具体困难，所以至今专门针对电力电子系统e m c 的研究工作尚处于起始阶段。 开关电源中的电磁干扰按照传播途径可以分为两类，一种是传导干扰，另外一种 是辐射干扰。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合( 干扰) 到另一 个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合( 干扰) 到另外一个电网络。 因为电力电子装置的辐射干扰较为复杂，目前相关的研究还很少，大多数的科研人员 致力于传导干扰问题的分析、建模和解决上。 开关电源的传导干扰按照电路信号模式又可以分为共模和差模两种。共模干扰是 指由电源的相线与地线所构成回路中的干扰。差模干扰是指电源的相线和相线所构成 的回路中的干扰。 开关电源的传导干扰主要是由电路中较高的d v d t 、d i d t 与杂散参数之间相互作 用而产生的高频震荡引起。但是对于不同的电力电子装置，传导干扰产生的具体原因 也不尽相同。比如，在s c r 整流系统中，差模传导干扰的产生主要基于两个因素： 一是由电源线路电感所引起的换流重叠现象；二是半导体开关特性。法国g r e n o b l e 电技术实验室的t e u l i n g 、s c h n a e n 和r o u d e t 基于由m o s f e t 构成的4 0 0 w 、开关频 率为1 0 0 k h z 的斩波电路实验模型的研究表明，共模噪声与电压切换相关，差模噪声 与电流切换相关，二者可能同时产生。西门子公司的k l o t z 等人研究了5 1 0 k v a 的 i g b t 变换器在不同工作电压、工作电流、开关频率、模块封装、门电路、温度、接 地状况以及附加元件情况下的共模与差模传导干扰源，得出主要的差模干扰源是续流 二极管的反向恢复电流。同时他们也指出，负载的杂散参数会对干扰的频谱有一定的 影响。 1 - 2 2 此课题的必要性及其研究的侧重点 实践证明，印刷电路板的元件布置和布线设计对开关电源的e m c 性能有极大的 影响。一台开关电源的e m c 性能，往往可以在不增加任何元器件和不改变原理电路 的条件下，通过修改印刷电路板的元件布置和布线设计就可以得到明显的改善。在电 路板设计阶段，人们由于缺乏有效的手段分析电磁干扰，往往是采用尝试性的设计方 法，这个方法不但非常耗时而且提高了设计成本。为此人们十分关注印刷电路板的元 件布置和布线的计算机辅助设计。 为了能实现印刷线路板的元件布置和布线的计算机辅助设计，必须做到以下四个 方面： ( 1 )印刷电路板走线和安装在板上的元器件本身的e m i 高频建模； 5 南京航空航天大学硕士学位论文 问题具有它本身的特殊性：通常它涉及到的装置功率较大，其主电路中的大功率开关 过程产生的高d i d t 和d u d t 会引起强大的传导型e m i ；有些高频大功率装置还会产生 强电磁场( 通常是近场) 的辐射，它们会严重的污染周围的电磁环境和电网：此外， 这些装置( 系统) 内部的控制电路还必须能承受其主电路及工业应用现场电磁噪声的 干扰。由于这些特殊性和测量上的具体困难，所以至今专门针对电力电子系统e m c 的研究工作尚处于起始阶段。 开关电源中的电磁干扰按照传播途径可以分为两类，一种是传导干扰，另外一种 是辐射干扰。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合( 干扰) 到另一 个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合( 干扰) 到另外一个电网络。 因为电力电子装置的辐射干扰较为复杂，目前相关的研究还很少，大多数的科研人员 致力于传导干扰问题的分析、建模和解决上。 开关电源的传导干扰按照电路信号模式又可以分为共模和差模两种。共模干扰是 指由电源的相线与地线所构成回路中的干扰。差模干扰是指电源的相线和相线所构成 的回路中的干扰。 开关电源的传导干扰主要是由电路中较高的d v d t 、d i d t 与杂散参数之间相互作 用而产生的高频震荡引起。但是对于不同的电力电子装置，传导干扰产生的具体原因 也不尽相同。比如，在s c r 整流系统中，差模传导干扰的产生主要基于两个因素： 一是由电源线路电感所引起的换流重叠现象；二是半导体开关特性。法国g r e n o b l e 电技术实验室的t e u l i n g 、s c h n a e n 和r o u d e t 基于由m o s f e t 构成的4 0 0 w 、开关频 率为1 0 0 k h z 的斩波电路实验模型的研究表明，共模噪声与电压切换相关，差模噪声 与电流切换相关，二者可能同时产生。西门子公司的k l o t z 等人研究了5 1 0 k v a 的 i g b t 变换器在不同工作电压、工作电流、开关频率、模块封装、门电路、温度、接 地状况以及附加元件情况下的共模与差模传导干扰源，得出主要的差模干扰源是续流 二极管的反向恢复电流。同时他们也指出，负载的杂散参数会对干扰的频谱有一定的 影响。 1 - 2 2 此课题的必要性及其研究的侧重点 实践证明，印刷电路板的元件布置和布线设计对开关电源的e m c 性能有极大的 影响。一台开关电源的e m c 性能，往往可以在不增加任何元器件和不改变原理电路 的条件下，通过修改印刷电路板的元件布置和布线设计就可以得到明显的改善。在电 路板设计阶段，人们由于缺乏有效的手段分析电磁干扰，往往是采用尝试性的设计方 法，这个方法不但非常耗时而且提高了设计成本。为此人们十分关注印刷电路板的元 件布置和布线的计算机辅助设计。 为了能实现印刷线路板的元件布置和布线的计算机辅助设计，必须做到以下四个 方面： ( 1 )印刷电路板走线和安装在板上的元器件本身的e m i 高频建模； 5 半桥q r c 变换器电磁兼容性分析与埘f 究 ( 2 )印刷电路板走线之间和安装在板上的元器件之间寄生参数的提取； ( 3 ) 分别利用电路仿真器和电磁场仿真器，对传导e m i 及近场辐射e m i 的发 射电平进行仿真分析； ( 4 ) 印刷电路板e m c 优化自动布线设计软件包的开发。 十分明显，上述各项工作是十分复杂和艰巨的，因为开关电源e m i 模型的建立、 e m i 仿真分析和e m i 优化设计涉及到的元件多、频带宽，电路工作于非线性状态， 而且各种参数又是相互耦合的，这方面的研究目前还是处于初级阶段。 卜3 国内外的研究情况 由于使用尝试性方法来解决开关电源的e m i 问题具有很大的盲目性和局限性， 而电力电子高频化和绿色化的发展使得这一问题目益突出，寻求一种有效的解决途径 成为必然。因此，目前已经有许多研究人员在开关电源电磁兼容性的计算机辅助设计 方面正进行着探索。主要方法为： 1 是美国弗吉尼亚国家电力电子技术中心( v p e c ) 的米切儿张、罗伯特沃特 逊等人用i n c a 软件包和p s p i c e 软件来进行分析印制导线寄生参数对电路噪声的影响。 i n c a 软件内部使用的是部分元等效方法( p e e c ) ，可以计算得到印制导线的寄生电 感和导线电阻，将得到的参数代入p s p i c e 软件，进行仿真和实验比较，他们对分布电 源系统的电磁干扰问题进行了分析。 2v p e c 的代宁、李泽元使用a n s o f t 软件提取变压器和印制导线的寄生阻抗、电 感、电容等寄生参数，然后将这些寄生参数代入电路中，使用p s p i c e 软件进行电路仿 真，他们通过比较仿真结果，分析得到了对电路噪声问题影响最重要的参数。和i n c a 软件不同，a n s o f t 软件使用的是有限元算法( f e a ) 进行寄生参数的提取和计算。 3 浙江大学的吴听、钱照明等人采用e m c 扫描仪直接得到开关电源p c b 的表面 电场干扰分布情况，这样在布线的时候就可以让敏感线路避开电磁场较强的区域，将 它们放在干扰较弱的地方，从而减小干扰。进而他们根据干扰的情况，结合耦合系数， 开发了辅助设计软件，初步解决了p c b 电磁兼容性的部分设计问题。 1 - 4 本文的研究方法和意义 利用现有的设备和条件，我们对开关电源p c b 的电磁兼容性进行了探索性的研 究。我们的工作主要包括印刷电路板走线设计、提取印刷电路板上印制线的寄生参数、 结合具体电路分析影响电路噪声的具体因素、并得到p c b 优化布局和实际的设计指 导原则。 1 - 4 一l 研究方法 为了结合实际电路拓扑进行p c b 的电磁兼容性分析，我们选择了半桥准谐振变 6 半桥q r c 变换器电磁兼容性分析与埘f 究 ( 2 )印刷电路板走线之间和安装在板上的元器件之间寄生参数的提取； ( 3 ) 分别利用电路仿真器和电磁场仿真器，对传导e m i 及近场辐射e m i 的发 射电平进行仿真分析； ( 4 ) 印刷电路板e m c 优化自动布线设计软件包的开发。 十分明显，上述各项工作是十分复杂和艰巨的，因为开关电源e m i 模型的建立、 e m i 仿真分析和e m i 优化设计涉及到的元件多、频带宽，电路工作于非线性状态， 而且各种参数又是相互耦合的，这方面的研究目前还是处于初级阶段。 卜3 国内外的研究情况 由于使用尝试性方法来解决开关电源的e m i 问题具有很大的盲目性和局限性， 而电力电子高频化和绿色化的发展使得这一问题目益突出，寻求一种有效的解决途径 成为必然。因此，目前已经有许多研究人员在开关电源电磁兼容性的计算机辅助设计 方面正进行着探索。主要方法为： 1 是美国弗吉尼亚国家电力电子技术中心( v p e c ) 的米切儿张、罗伯特沃特 逊等人用i n c a 软件包和p s p i c e 软件来进行分析印制导线寄生参数对电路噪声的影响。 i n c a 软件内部使用的是部分元等效方法( p e e c ) ，可以计算得到印制导线的寄生电 感和导线电阻，将得到的参数代入p s p i c e 软件，进行仿真和实验比较，他们对分布电 源系统的电磁干扰问题进行了分析。 2v p e c 的代宁、李泽元使用a n s o f t 软件提取变压器和印制导线的寄生阻抗、电 感、电容等寄生参数，然后将这些寄生参数代入电路中，使用p s p i c e 软件进行电路仿 真，他们通过比较仿真结果，分析得到了对电路噪声问题影响最重要的参数。和i n c a 软件不同，a n s o f t 软件使用的是有限元算法( f e a ) 进行寄生参数的提取和计算。 3 浙江大学的吴听、钱照明等人采用e m c 扫描仪直接得到开关电源p c b 的表面 电场干扰分布情况，这样在布线的时候就可以让敏感线路避开电磁场较强的区域，将 它们放在干扰较弱的地方，从而减小干扰。进而他们根据干扰的情况，结合耦合系数， 开发了辅助设计软件，初步解决了p c b 电磁兼容性的部分设计问题。 1 - 4 本文的研究方法和意义 利用现有的设备和条件，我们对开关电源p c b 的电磁兼容性进行了探索性的研 究。我们的工作主要包括印刷电路板走线设计、提取印刷电路板上印制线的寄生参数、 结合具体电路分析影响电路噪声的具体因素、并得到p c b 优化布局和实际的设计指 导原则。 1 - 4 一l 研究方法 为了结合实际电路拓扑进行p c b 的电磁兼容性分析，我们选择了半桥准谐振变 6 半桥q r c 变换器电磁兼容性分析与埘f 究 ( 2 )印刷电路板走线之间和安装在板上的元器件之间寄生参数的提取； ( 3 ) 分别利用电路仿真器和电磁场仿真器，对传导e m i 及近场辐射e m i 的发 射电平进行仿真分析； ( 4 ) 印刷电路板e m c 优化自动布线设计软件包的开发。 十分明显，上述各项工作是十分复杂和艰巨的，因为开关电源e m i 模型的建立、 e m i 仿真分析和e m i 优化设计涉及到的元件多、频带宽，电路工作于非线性状态， 而且各种参数又是相互耦合的，这方面的研究目前还是处于初级阶段。 卜3 国内外的研究情况 由于使用尝试性方法来解决开关电源的e m i 问题具有很大的盲目性和局限性， 而电力电子高频化和绿色化的发展使得这一问题目益突出，寻求一种有效的解决途径 成为必然。因此，目前已经有许多研究人员在开关电源电磁兼容性的计算机辅助设计 方面正进行着探索。主要方法为： 1 是美国弗吉尼亚国家电力电子技术中心( v p e c ) 的米切儿张、罗伯特沃特 逊等人用i n c a 软件包和p s p i c e 软件来进行分析印制导线寄生参数对电路噪声的影响。 i n c a 软件内部使用的是部分元等效方法( p e e c ) ，可以计算得到印制导线的寄生电 感和导线电阻，将得到的参数代入p s p i c e 软件，进行仿真和实验比较，他们对分布电 源系统的电磁干扰问题进行了分析。 2v p e c 的代宁、李泽元使用a n s o f t 软件提取变压器和印制导线的寄生阻抗、电 感、电容等寄生参数，然后将这些寄生参数代入电路中，使用p s p i c e 软件进行电路仿 真，他们通过比较仿真结果，分析得到了对电路噪声问题影响最重要的参数。和i n c a 软件不同，a n s o f t 软件使用的是有限元算法( f e a ) 进行寄生参数的提取和计算。 3 浙江大学的吴听、钱照明等人采用e m c 扫描仪直接得到开关电源p c b 的表面 电场干扰分布情况，这样在布线的时候就可以让敏感线路避开电磁场较强的区域，将 它们放在干扰较弱的地方，从而减小干扰。进而他们根据干扰的情况，结合耦合系数， 开发了辅助设计软件，初步解决了p c b 电磁兼容性的部分设计问题。 1 - 4 本文的研究方法和意义 利用现有的设备和条件，我们对开关电源p c b 的电磁兼容性进行了探索性的研 究。我们的工作主要包括印刷电路板走线设计、提取印刷电路板上印制线的寄生参数、 结合具体电路分析影响电