（电力电子与电力传动专业论文）电力电子装置传导性电磁干扰及预测方法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t i - a c t 1 、h e i n v e s t i g a t i o no fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t s 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 ) i sa l l i m p o r t a n ti s s u ew i t hg r e a td i f f i c u l t y a n dn e c e s s i t y ap a s s i v ec o m m o n m o d en o i s e c a n c e l l a t i o nt e c h n i q u e ，t h ep r e d i c t i o no fc o n d u c t e de m ia n dt h ed e s i g no fe m if i l t e r sa r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e rb yc o m b i n i n gt h es i m p l eb u tn o v e le x p e r i m e n t a lm e a n sw i t ht h e a p p r o p r i a t es i m u l a t i o na n dc o m p u t i n g m e t h o d s b ym e a n so fu n d e r s t a n d i n gt h em e c h a n i s mo fe m id u r i n gt i l e t r a n s i e n ts w i t c h i n gp e r i o d a n dt i l ec i r c u i t sp a r a s i t i cp a r a m e t e r s ，t h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e ri n t r o d u c e sam e t h o do f c a n c e l i n gt h ec o m m o n m o d ee m io n l yb yu s i n gac o m p e n s a t i n gt r a n s f o r m e rw i n d i n g a n df l c a p a c i t o r , w h i c h i sb a s e do nt h ec u r r e n t b a l a n c i n gv i e w p o i n t c o m p a r e d w i t ha c t i v e c a n c e l l a t i o n t e c h n i q u e s i t i sm u c hs i m p l e ra n d r e q u i r e s n oa d d i t i o n a it r a n s i s t o r sa n d g a t e r d r i v ec i r c u i t r y b yu s i n gt h i st e c h n i q u et h e s i z eo ft h ee m if i l t e rc a nb er e d u c e d ， e s p e c i a l l y f o ra p p l i c a t i o n sr e q u i r i n gh i g hc u r r e n t s t i l ee x p e r i m e n to na ni s o l a t e d1 ) c 1 ) c f l y b a c kc o n v e r t e rh a sv e r i f i e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h i s m e t h o d i tc a l la l s ob ea p p l i e dt o f a m i l i e so f n o n i s o l a t e dd c d cc o n v e r t e r s ，d c a ci n v e r t e r sa n dm o t o rd r i v e s f i l ee a r l ys t a g ep r e d i c t i o no fc o n d u c t e de m ie m i s s i o ni np o w e re l e c t r o n i cs y s t e m sw i l l d of i w o rf o rt h ea n a l y s i so fs y s t e m sl a t e n t e m i ，t h ed e s i g no fc o n t r o l l i n g n l e a s u r c so f e m i s s i o na n dt h er e d u c t i o no fc o s ti ne m c d e s i g n an o v e le m cp r e d i c t i o nm e t h o d o f p o w e r c o n v e r t e ri s p r o p o s e di nt h et h i r dp a r t ，w h i c hc o m b i n e st h ee x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n ti n e a r l ys t a g e w i t ha p p r o p r i a t es y s t e mr e c o g n i t i o nm e t h o dt oo b t a i nt i l ee m in o n p a r a m c t r i c m o d e lw h i c hc a l lb eu s e dt oa n a l y z et h es y s t e m se m cc h a r a c t e r i s t i c s f o rt h et y p i c a lr o l et h e i n v e r t e r p l a y si nt h ec o n d u c t e de m ir e s e a r c ho fp o w e re l e c t r o n i c i n s t a l l a t i o n s ，t h i sp a p e r p r o b e si n t ot h ee m ip r e d i c t i o np r o b l e mb yu s i n ga l l i n v e r t e r t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm c t h n d h a sb e e nv e r i f i e d t h i sr e s u l tc a nb eu s e da sa ni n s t r u c t i o nt ot i l ee m c p r e d i c t i o no fp o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n ti na c t u a lc a s e si nw h i c he m i p a r a m e t r i cm o d e li sh a r dt ob ee s t a b l i s h e d b a s e do nc o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r i s ，o rt h ec o s to fu s i n gs o m eo t h e rt e c h n i q u ei s h a r dt ob e a c c e p t e db yd e s i g n e r t h ei m p e d a n c e - m a t c h i n gp r o b l e mi ne m if i l t e rd e s i g ni sd i s c u s s e di nt h ef o u r t hp a r t a n dam e t h o di sa l s op r e s e n t e dw h i c ha i m st oi n d i r e c t l ym e a s n r et h es w i t c h i n ga p p a r a t u s i n n e ri m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i cs oa st oe s t i m a t et h ef i l t e rc o m p o n e n tv a l u e sn e e d e dt oa c h i e v e t h ed e s i r e da t t e n u a t i o nf o rt h ec o m m o nm o d en o i s e t h i sm e t h o di sb a s e do i lt i l ei n d i r e c t m e a s u l + e m e n to ft h ec o m m o nm o d ei m p e d a n c eo ft h ee q u i v a l e n tn o i s eg e n e r a t o r b e s i d e s t h e s e ，h i g hf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n p u te m lf i l t e r a r es t u d i e d b yc o m p a r i n gt h e a c t u a ll ym e a s u r e dr e s u l t sw i t ht h ei d e a lm o d e l ss i m u l a t i o nr e s u l t s i t i sc o n c l u d e dt h a i 华中科技大学硕士学位论文 p a t a s i t i cp a r a m e t e r sp l a ya ni m p o r t a n t r o l ei nh i g hf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so f e m if i i t e r s k e y w o r d s ：p o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，e m c ，p r e d i c t i o n ，m o d e lb u i l d i n g ，e m if i l t e r i i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1电磁兼容问题 1 1 1 关于电磁干扰 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 ) 源于电磁骚扰( e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e ) ， 严格的定义是：电磁骚扰( 简称e m d ) 指任何可能引起装霞、设备或系统性能f 降， 或对无生命物质产生损害作用的电磁现象：而电磁干扰( e m l ) 则指电磁骚扰引起的设 备、传输通道或性能的下降，即是电磁骚扰引起的后果。电磁骚扰发射( 干扰源) 是通 过耦合路径对其它敏感设备造成的，因此研究电磁干扰，即可认为是研究电磁骚扰发刖 e m i s s i o n ) 及其耦合路径、敏感设备的抗二f 扰i 殳计。f 乜磁兼容包含两个方而的内容， 即电磁干扰( e m i ) 和电磁抗扰性( 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 ) 1 2 j 。 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 ) 就是指电气及f 乜子设备在共同的电 磁环境中能执行各自功能的共存状态1 3 i 。随着现代科学技术的发展电气及电子设祷晌 数量和种类不断增加，以及电能消耗量的增大，不必要的电磁能量也随之加人。这些能 塌会影响其它设备或系统的正常工作，出此伴随产生系统的误动作也h 趋f “晕。神：这种 复杂的电磁环境中，如何减少相互间的电磁干扰( e m i ) ，使各种设备和系统l f 常l l i f l ， 是。个暖待解决的问题。 电子设备发射出来的电磁干扰具有一定的危害性，主要表现在以下三个方丽1 2 i f 4 i ： ( 1 ) 电磁干扰会降低电子元件的工作寿命，强度较大的电磁干扰可以击穿电了没桥， 导致元件及整个系统的损坏。比如据美国哥伦比哑“播公司2 0 0 3 年3 月2 6f 报道，此 次伊拉克战争中，美国军队第一次在伊拉克使用r 最新版本的“微波电子炸弹”。作 原理是：依靠商功率电磁波产生的高温、电离、辐射等综合效应，在目标内部的c lr 线 路r l ，产生致命的电压和电流，击穿或烧毁其 i 的敏感元器件，毁损电脑中存贮的数掘， 从而使对方的武器和指挥系统陷于瘫痪，丧失战- t 力。轰炸的结果使得伊拉克电视台转 播信号被迫中断。此外，美国有统计表明，d 于静电导致计算机及其元器件的损坏造成 的经济损失每年就高达数亿美元1 5 j 。 ( 2 ) 电磁干扰会影响电子系统的信号，使其信噪比降低，影响系统的n ：常j l ：作。电 子系统在电磁干扰的作用下，由于信号精度降低、遗失、错误，使得系统工作异常共至 拒绝动作。这种情况在有用信号微弱时尤为严重。 ( 3 ) 对信息安全与信息保密构成严重威胁。对于出数字电路组成的信息传输与处理 设备来说，由于辐射频谱及谐波非常丰富，因而很容易被截获和破译。 ( 4 ) 电磁辐射还会引起人体细胞的生物效应， i 现头晕、乏力、记忆力减退等现象， 严萝时会导致人体慢性病变。比如现在经常讨论的手机辐射与人体健康以及微波璀站p h 扰居民生活区的问题等等。 华中科技大学硕士学位论文 冈1 1 和图1 2 分别给出了各类e m i 噪声f j 传播途径示例。 圈l i 具有多重i b 磁干扰的生活环境 圈l2 电磁干扰从干扰源经槌台通道到接收机的流裾图“1 2e m i e m c 术语7 吸收损耗( a b s o r p t i o nl o s s ) ，屏蔽效率( s e ) 的部分，信号穿过个金属屏触历 2 声 炉 今 障场场压流一一 放电谶咀也一一 华中科技大学硕士学位论文 n 0 能最吸收。 天线因素( a n t e n n af a c t o r ) ，一个刻度术语7 i ! 一个电磁干扰测量中，等二j 二未知的 乜 场强度除以测量得到的电压。 孔径泄露( a p e r t u r e l e a k a g e ) ，屏蔽效率中的泄露，j “生于窗，“、冷却u 、会属禽接 l 】处等类似地方的孔、裂缝处，电磁干扰容易从这些地方出入。 带宽( b a n d w i d t h ) ，一个接收机响应信号上升3 d b 点和卜降3 d b 点之l n j 的频率川隔。 搭接( b o n d ) ，两个金属部件间的一种暂时或永久的低阻抗连接。 宽带电磁干扰( b r o a d b a n d ( b b ) e m i ) ，这和t 电磁干扰的频谱或者是覆盖了数个8 倍 频程或1 0 倍频程频谱，或者是超过了接收机的带宽。 共模( c o m m o nm o d e ( c m ) ) ，存在于两根或多根导线t | j ，流经所有导线的f 乜流都足 同极性的。 共模抑制比( c o m m o n - m o d er e i e c t i o nr a t i o ( c m r r ) ) ，衡量运算放大器列共模电眶抑 制能力的参数。 转折频率( c o r n e rf r e q u e n c y ) ，在傅立叶变换或波特曲线图h 剁牢变化一般为 2 0 d b 1 0 倍频程。 耦合路径( c o u p l i n g p a t h ) ，传导或辐射路径。f 扰能量通过浚路径从i 扰源传输剑 被f 扰对象。 交叉调制( c r o s sm o d u l a t i o n ) ，一台发射机的发剁能量产生的调制改变了接收机从 另外台发射机接收的信号。 串扰( 串音) ( c r o s s t a l k ) ，被干扰电缆上从邻近干扰源电缆耦合的r 也压与该邻近f “缆 l 二的f 乜i 医之比。单位为分贝( d b ) 。 电流探测器( c u r r e n tp r o b e ) ，一种e m i 传感器，火祚输 j ；u 流的导线、f u 缆或金删 带i 二测量其内部电流或干扰电流。 差模( d i f f e r e n t i a lm o d e ( d m ) ) ，在导线对上极性相反的电压或电流。 电磁环境影响( e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t a le f f e c t s ( e 3 ，e e e ) ) ，一个范很宽的术 语，包括电磁兼容，电磁干扰，射频二二扰，电磁脉冲，静f u 放f u ，剥人、动物、l i _ i = 器或 燃料的辐射危害( r a d h a z ，一个军用编码名) ，闪电等现象。 电场( e l e c t r i c a lf i e l d ) ，辐射波场的梯度值，单位是伏，米( v m ) 。 导电垫圈( e l e c t r i c a lg a s k e t ) ，一个可挤压的连续物，用在两个相连的金属元件之州 来保证它们之间的低阻抗路径。 电磁脉冲( e l e c t r o m a g n e t i cp u l s e ( e m p ) ) 。 静电放电( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ( e s d ) ) 。 待测设备( e q u i p m e n t u n d e r t e s t ( e u t ) ) 。 远场区( f a rf i e l d ) ，即指信号源距测量点有1 1 6 波k 以于n 0 辐刺场。也称为、| | 华中科技大学硕士学位论文 接地环路( g r o u n dl o o p ) ，一个潜在的电磁。1 i 扰条什，为了安全、电源叫路或其他 日的，将两台或更多台设备互连并接到公共地时形成的。 冲激带宽( i m p u l s eb a n d w i d t h ) ，一台仪器上两个频率之间的差值，列碰二其最大幅 值与该频响曲线之下区域面积的比值，近似等于6 d b 带宽。 冲激噪声( i m p u l s en o i s e ) 。一种瞬时干扰，一般是重复性的，它产生同相分量卣到 傅立叶频谱的第一个转折频率处。 互调和互调干扰( i n t e r m o d u l a t i o n ( i m ) a n di mi n t e r f e r e n c e ) ，山整数倍和频或差频引 起的电磁干扰，该和频或差频是由两个或多个信号在非线性电路环节中混频时产生的。 线路阻抗稳定网络( l i n ei m p e d a n c es t a b i l i z a t i o nn e t w o r k ( l i s n ) ) ，插入在f 【l 源线和待 测系统之间的设备，来保证传导型电磁干扰测量的可重复性。 磁场( m a g n e t i cf i e l d ) ，辐射波电流的梯度，单位为安米( a m ) 。 窄带电磁干扰( n a r r o w b a n d i b ) e m l ) ，其发射带宽小l l 磁：1 i 扰测屋接收机手频 谱分析仪的带宽。 近场( n e a rf i e l d ) ，在辐射场中，与电磁干扰源的距离小于1 6 波长的区域。 抗噪声电平( n o i s e i m m u n i t y l e v e l ) ，数字逻辑系列中的门限f 乜压，在此门限之f ：， 逻辑零可能被检测为一，反之亦然。 电源调整( p o w e rc o n d i t i o n i n g ) ，通过插入滤波器、隔离器、整流器或个不m 断电 源束减少电源主干线上的电磁干扰污染。 功率密度( p o w e r d e n s i t y ) ，辐射功率除以观察j f i i 年j ，单位为瓦米2 ( w m 2 ) 。 反射损耗( r e f l e c t i o nl o s s ) ，是屏蔽效率的一部分，山1 二入射场和盒屈屏蔽层之m 的 阻抗不匹配而引起的能量反射。 射频干扰( r a d i of r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ( r f l ) ) 。 屏蔽效率( s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ( s e ) ) ，采取屏蔽措施 j f 后，空间同一点的场强之 比，包括吸收损耗和反射损耗。 集肤深度( s k i nd e p t h ) ，由表面流过i 乜流的6 3 而计算山来的金属层厚度。 传输阻抗( t r a n s f e ri m p e d a n c e ( z t ) ) ，表征电缆屏蔽性能的一个度量单位，即耦合f u 压和表面电流之比，单位为欧米( q m ) 。 1 i 3 电磁兼容标准 8 0 年代以来，电磁干扰技术逐渐受到了各国的重视，发达国家的鞠：多大学和火公司 都在丌展这个方面的研究，并成立了专门的研究机构。随着计算机技术、自动控制技术 在备种工业领域中的不断应用，为了电予技术的长远发展，保证工业生产的可靠运行， 些发达国家和组织相继出台了电磁兼容标准，f ：不断的进行修订完善。我因从1 9 8 3 年起也丌始了电磁兼容标准的制定工作。 目前电磁兼容标准主要有【2 1 1 8 i t 9 l ： 华中科技大学硕士学位论文 ( 】) 国际无线电干扰特别委员会( c i s p r ) , i 0 定的标准。c i s p r 的标准主要包括频率在 9 k t l z 4 0 0 g h z 之问的人为干扰源( 主要在各l , l k 领域) 的问题。c i s p r 有七个分委员 会，分别处理和研究不同的干扰问题及其方法i = i ： a 分会无线电干扰测定及统计方法； b 分会一来自工业、科学、医疗用高频设备的干扰： c 分会一来自强电线、高压装备及电力牵引系统的i + 扰： i ) 分会一来自汽车和内燃机方面的二f 扰： i ! 分会一接收机的干扰特性及抗干扰特性： f 分会一束内电动机、家用电器以及照明器具等的 二扰； g 分会一来自信息技术设备的干扰。 c i s p r 也研究测量方法和测量仪器，研究由各种电的和电子设箭所引起干扰的允许咆 平，接收机对干扰的抗扰性以及当使用干扰抑制滤波器时的安全问题。 ( 2 ) 国际电工技术委员会( i e c ) t c 7 7 的标准。j 1 1 c 7 7 委员会的范畴是各种f u 发箭n 勺4 j - 害影响问题，这些设备是从市电获得电源并把影l l l ；, 1 ) j l l 至l j 电力网中，通过电力网再传给i 乜 源的其他用户( 如谐波的发生) 。它主要负责制定频率低于9 k ! l z 、j l ：关操作等引起的商 频瞬态发射及抗扰性基础标准和通用标准。 ( 3 ) 欧洲电气标准委员会( c e n e l e c ) , q i i 定的欧洲标准e n 。 ( 4 ) 美囡各组织制定的标准。( a ) 美国民问标准委员会的e m c 标准，二卜要足f u 气平f u j ：1 程师协会e m c 学会( i e e e e m c s ) 、美罔闻家标准委员会( a n s i ) 制定的e m c 标准； ( b ) 美国联邦通信委员会( f c c ) 民j h 产i 恼的e m c 标准和一套i 分完她的军川怕i7 f e m i i 。一s t d 4 6 1 e 等。非军用标准往往根据i u 气设帑的4 i l 司l 所又有不同。比如c l a s s 人发 备j j 要用于商用、工业环境，c l a s s b 设备j ：要j j 于消赞产- 钎，。图1 3 至图1 7 给了川 笑标准的比较示例和测试平台。 图l3f c c 规范的辆身千扰测试、r 台 f c c a 类辐劓干扰限制舰范 频牢测最f i ! 离场强 ( m h z )( m )( u v m ) 3 8 _ 8 83 03 0 8 8 2 1 63 05 0 2 1 6 1 0 0 03 07 0 f c cb 类辊身j 干扰i 驳制觑范 频牢测承距离场强 ( m i i z )( m )( u v m ) 3 8 8 831 0 0 8 8 * 2 1 63l5 0 2 1 6 1 0 0 032 0 0 华中科技大学硕士学位论文 。 t 眦扣搪h! - l- 卜+ 一 - i i ：一 ：ii 。 l ：竺：栏 。，。1 t 02 0 舒1 抛，螂1 啪 f r e 口u e n c y 呻h 日 闰14f c cp t l 5 j 辐射干扰限制规范 ( 距离3 0 m 3 m ) ： h s t h c e 帅 。i j ： c l a s s -：。裂i 1 02 0 蛐特 1 2 3 5t000 f r e q u e n c yi m i 图1 5f c cp t l5 j 和c i s p r 2 2 辐身j 干扰限制埘范 ( 距离l o m ) ； 暑 宝、 、 - 一- 一- - - - - - t - , t o - - - 0 j03 1 l 51 0 扑，ol o f r e q u e n c y f m h 日 图1 、6f c c 规范的传导干扰测试、 ，台 i 纠1 7f c cp t l5 j 利c i s p r 2 2 窄f i 传导f 。扰限制规范 ( 5 ) 中国国家标准。我国首份e m c 标准，是i l 原笫一机械工业部j 于二1 9 6 6 年颁枷的 部标j b 8 5 4 - - 6 6 船用电气设备工业无线电干扰端：n 乜压测量方法及允许值。1 9 8 3 年 1 0 月3 lr 我国颁布了第一个e m c 因家标准g b 3 9 0 7 - - 8 3 工业无线电二r 扰堆本测景 方法。1 9 8 6 年8 月，成立了全国性无线电干扰标准化组织全围无线电干扰标准技术 委员会，从此加速了e m c 标准的制定工作。截止1 9 9 8 年底，我国总共制定了约7 2 个 电磁兼容国家标准。这些标准已经从1 9 9 9 年1 2 月lr 1 丌始强制实施。我国国家标准大 部分等同或等效采用i e c c i s p r 标准。 列于军用设备的干扰防护及兼容标准，国防科：l ：委颁们了国家军用标准( g j b ) ， 1 前已制订的标准主要有： g j b l 5 i 一8 6 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求： g j b l 5 2 8 6 军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量； g j b 7 2 8 5 电磁干扰和电磁兼容性名词术语； g j b 5 3 8 8 8 半导体器件电磁脉冲损伤阀值试验方法。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 9 9 6 年1 月1 只，欧盟15 囡丌始强制执行8 9 3 3 6 e e c ( e m c ) 指令，率先将广：i 铺 的电磁兼容性要求纳入国家技术法规的范围，对电子产晶的干扰发射及抗扰性进彳了严 格的法律限制。指令规定所有电子电器产- u l 或设箭必须符合e m c 要求，_ i j l 贴c e 标记 爿能在欧洲市场销售。此举引起了世界各国的r “泛关注，如果其他国家不采取棚应的措 施，无疑将会形成一个新的国际贸易技术壁垒。 1 2 电力电子技术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， i j 于其进行电能变换时的高效率而订：r f ：多行、i k 得到r 广泛的应用，目前讵以突飞猛进的速度走向信息州代，在电f i i i i 产、l k 、家u j ：、叭 通讯等方面的应用使其成为信息产业的重要支撑。 8 0 年代后期，功率场控器件的实用化和商频化，使电力电予装置跨入商频化、犬容 量化的时代。由于电力电子装噩换流过程中产生前后沿很陡的脉冲( d i d t 可达1 a n s ： d v d t 可达3 v n s ) ，从而引发了严重的电磁二i 扰。这些干扰经近场和远场耦合形成传导 和辐射f 扰，严重污染周围电磁环境和电源系统，这不仅会使变流电路自身的可靠性降 低，而且使电网及临近设备运行质量受到严重影i 响。 随着电子信息产业的发展，以开关变换器为核心的f 乜力电子装胃j f 泛应| jj ：以f u v 于h 算机为主导的各种终端设备、通信设备等儿乎所有的l 乜予设备。美国v p e c ( v i r g i n i a p o w e re l e c t r o n i cc e n t e r ) 1 9 9 7 年的年度报告指出：如果说是微处理器技术的进步促使汁 算机主频从1 9 8 5 年的1 6 m h z 发展到今天的2 0 0 m l t z ，那么，下一步向g h zf 内1 毛跃卜要 取决j ：电力电子技术的发展i l o 。当芯片以g h z 工作时，电源必须以足够高的匹配速度 给逻辑门供电( 以p e n t i u mp r o 为例，要求负载电流供应速度为3 0 a us ) ，这也是i n t e l 不得1 i 放慢p e n t i u m 微处理器的时钟速度的一个重要原因。所以，提高r 【i 力乜了装胃的 电磁兼容性就成为至关重要的问题。 9 0 年代，电力电子器件作为推动电力电予技术发展的基础，r 始沿着大容_ 蕈：、高频 化、模块化和功能集成的方向发展。f 1 本的三菱、东芝，德国的- 西门予等公司的离i e 人 电流器件不断研制出来。如光控s c r 已有8 0 0 0 v 4 0 0 0 a 的产品i g b 1 1 已有6 5 0 0 v 2 4 0 0 a 的模块。器件的丌关频率也逐渐提高，如功率m o s f e i v 开关频率可高达儿兆赫兹。器 件的封装使模块体积更小，驱动、保护、检测、控制等电路与器件商度集成。这些冈素 都要求更进一步的加强电力电予装置电磁干扰特性及其防范的研究。特别是在没汁阶 段，对新装冒的干扰特性进行预估，缩短其丌发周期，提高电力 玉子装置的电磁兼容性 就成为至关重要的问题。 i 2 i 电子电子装置电磁干扰源的探索性研究1 1 0 h 2 4 1 彳11 探寻电力电子装置电磁干扰源的过稷巾，人们力图通过大星的实验来不断总结新 华中科技大学硕士学位论文 的7 j 法和经验【m i 。早在1 9 8 3 年，s c h n e i d e rj l ：发了f l jj i 测试运行【1 1 的丌关电源的源| l 抗 特性的技术。这是一种用标量法测最噪声频谱以确定源阻抗的实部和虚部的技术。该技 术选择电抗性负载与噪声源的虚部振荡，通过振荡频率柬确定噪声源的电抗部分，源m 抗的实部则由振荡噪声电流的峰值确定。阻抗测试主要是在1 0 k h z l m t t z 频段内进行 的，基于测试结果提出描述开关电源交流测噪声源特性的共模和差模噪声的等效电路。 山于共模噪声的辐射作用通常比差模电流的要大得多，区分系统中的共模f 扰与差 模f 扰是非常重要的。v p e c 提出了功率合成器对系统i f l 的模和差模传导干扰进行 定最测量。 在电力电子装胃中，共模和差模噪声产生的内部机制也不同。差模噪声j l i 要丌关 变换器的脉动电流引起：共模噪声则主要i l l 较高的d v d t 和杂散参数洲州作川f n f 产。l i 的高频振荡引起。如图1 8 1 2 j 所示。共模电流包含连线到接地面的位移r 乜流，同时，l “ 于玎关器件端子上的d v d t 是最大的，所以丌关器件与散热片之f f i j 的杂散电容也将产，l c mt x g o n l 图i8c m 、d m 噪，f i b 流的耦合路径_ 意罔 共模电流。对于不同系统，共模和差模干扰产生的具体原因也不尽午h 同。根据传播途径 的不同可分为传导干扰和辐射干扰。 传导是电力电子装胃中干扰传播的重要途径。功率丌关器件的高频门：关动作是导致 玎关电源产生电磁干扰的主要原因。丌关频率的提高一方面减小了电源的体积和重鼹， 另一方面也导致了更为严重的电磁兼容问题。差模干扰和共模干扰是主要的传导二1 二扰形 态。羞模干扰是指电源的相线与中线所构成的网路中的干扰信号，而共模干扰是指电 源的栩线或中线与地线所构成回路中的干扰。不同的电力电子装胃巾，传导干扰产乍的 原冈也不尽相同。比如，i g b t 变换器的差模干扰源是续流二极侍的反向恢复电流。i 司 时负载的杂散参数也会对干扰的频谱有一定的影响。 此外还有更为复杂的关于电力电子装胃辐射干扰1 2 6 1 和近场特性| 27 ) 的研究。 为适应高频化的要求，人们除改进器件本身的承受能力外，还多次从改进电蹄打f j h 华中科技大学硕士学位论文 方而下工夫，以削弱器件受到的电应力，减小 关损耗，消除) r 关浪涌和尖峰电j j i 。 从e m i 的产生来看，谐振变换器的确具有p w m 硬) j ：关变换器无法比拟的优势，具 本来说有以f 几个方面：( a ) p w m 技术是以中断功率通最和控制占空比的方法来变换功 率，结果形成脉冲电流和脉冲电压；而谐振技术是以j l i 弦波形式变换功率，它的频谱通 常比p w m 变换器频谱窄。因而，对比p w m 变换器，舀：输入端应当具有较小的谐波：f ： 扰和较大振幅的基分量。( b 1 谐振丌关变换器利用器件结电容和变压器漏感做谐振l c 电路的一部分，对有害杂散参数不敏感。( c ) 谐振丁l + 关变换器的工作波形为准i f 弦波， 具有较低的d i d t 和d v d t 。f d ) 谐振丌关变换器： ：作于较高频率，便于集成化和最小化， 闪m 通常具有较高的功率密度，对于减小电路网路缩短连线长度十分有利。( e ) j ，w m 变换器常采用耗能缓冲电路限制器件所受的应力，同时，列抑制电磁1 扰也起到仃利作 用。谐振软开关变换器可减少或去掉耗能缓冲器，从而提高，l ：发效率。 但是基于z v t 电路与硬开关电路的两个升j k 变换器实验模型的传导：r 扰进行利比 实验，测试结果表明，采用z v t 技术的软丌关变换器与硬丌关变换器州的e m i 芳歼很 小甚至与如果前者的附加电路行线1 i 当，会使性能更磬。 ：述实验结果可以理解为：共模噪声主要通过器件外壳的杂散电容耦合，町z vr 变 换器巾的主丌关管为软丌关，开关过程中所产生的d v d t 小，所以，z v t 变换器的高频 共模干扰小于硬开关变换器；而z v t 变换器在某些频点i i 的噪声0 i 爷值是f h - jz v t 变换 器中的辅助元件的不正确布线导致的。另外，d ：r 硬丌关变换器c i 二极管反向恢复f u 流 引起较高的d i d t ，在高频段，硬丌关变换器的差模噪声比z v t 变换器商，仇d i d tr 岛迥 常不影响低频成分，所以在丌关频率及其低次谐波，f ：，：者干扰特性梢似。 由此可见，尽管z v t 变换器商频干扰特性优于硬j r 关儿个d b ，但总体】：嚣的 e m i 特性类似。就差模噪声而言，z v t 变换优于硬，1 ：关变换器，这正是软j i ：关优j i 砸” 关的一面。就共模噪声而言，问题较为复杂，z v 1 1 变换器与硬丌关变换器i i 同的是淞杆 具有辅助软丌关的元件，其中包括流过更火峰值电流的辅助j r 关元件，该j i ：关元件i t f 能 承受与硬开关变换器中主开关管相同的电压。z v t 变换器中辅助丌关元件是硬性r 关 的，这意味着硬开关变换器中硬丌关转移到z v t 变换器的辅助丌关。因而，在软”关 拓扑中，辅助丌关元件是重要的干扰源。他们的位置及价线极其重要。 实质上，带有缓冲器电路的p w m 变换器不一定比软丌关变换器具有更坏的i 噪声 特性。但究竟软丌关好还是硬开关好，还取决了二电路设计初期，根据应用适当选用f u 路 拓扑种l 控制技术，建立传导和辐射干扰预测模型，指导证确的电路斫j 局。 1 2 2 电力电子电磁干扰的测试 1 2 ，2 1 关于阻抗稳定网络( l i s n ) 通过实验设备测取装置中的干扰电压和电流特征来进行分析，是研究r 乜磁1 ：扰特千i i ： 的基本方法。根据电磁兼容法规，传导干扰测量必须通过标准的m 抗稳定网络( l h l e 华中科技大学硕士学位论文 i m p e d a n c es t a b i l i z a t i o nn e t w o r k l i s n ) 来测毋j 扰1 2 8 j 。l 1 s n 也叫人u 源刚络， 典，聘的足5 0 u h 5 0 q 型的。l 1 s n 被放胃召：电源和变流装胃之问，t 扰r j ! t l i ic 它的输端进 r 洲量。 l i s n 有两个作用【5 】：( 1 ) 在1 0 k h z 3 0 m h z 频率范田内为相线与地线之问以及1 1 1 线 与地线之间提供5 0 q 的恒定阻抗，为待测设备( e u t ) 1 的传导干扰提供通道：( 2 ) m j j ：来自电源的传导干扰，防止其影响待测设器。为了保证良好的频谱特们：，l i s n 内部 结构比较复杂，有单相和三相两种。其叶i 单相的如图1 9 所示。 圈i 9 啦柏l i s n 内部结构 一般把l i s n 输出端测到的干扰电压接到频谱分析仪进行分析。把尹昕仪设胃往峰值保 持状态，还可以获得最坏的干扰情况。若不使用l i s n ，于电源的m 抗变化以及来f 1 电源的下扰影响，测量很难得到可信的晕复性结果。 1 2 2 2 开关电源传导干扰的诊断p 0 】 筹模干扰和共模干扰产生的机理不同，冈此要采取不同的抑制方法，设计年f 1 鹿的滤 波网络。实现在干扰测量中正确区分差模、共模于扰，以解决逆变电源e m i 滤波器设 计的菏要问题。差模、共模传导干扰的测量方法主要有以下几利t ： ( 1 ) 射频电流探头( r fc u r r e n tp r o b e ) 射频电流探头是根据法拉第原理设计的用来测量导线中干扰电流信号的仪器，小质 n g g 图i1 0 共模、斧模1 _ 扰i u 流测聃 ( 左圈：e 模干扰测帚右罔：荠模干扰测罱) 1 是个匝数为1 的变压器。电流探头的传输f i 抗定义为测展电f k 与被测 n 流之比：z 。 o 华中科技大学硕士学位论文 = v j im ，它是衡量射频电流探头性能的一个最摹本参数，通常情况一i - ) l l x q 数形式表示为： v 。k f ii + 。，+ iz 。f 。理想情况下我们希望电流探头的传输阻抗在整个频率范f 饲内都 保持为1q 或o d b q ，但实际中由于产品自身的齐种寄生参数的存在，j i 述理想情况难 以实现。典型产品如h p 8 7 1 0 - - 1 7 4 4 的传输阻抗存5 0 k t i z - 5 0 m h z 的范田内为- 5 d b q 。 根据差模干扰和共模干扰电流的方向，巧妙地安排车| 1 线和中线的位置，可以分别测 量到共模干扰电流或差模干扰电流的大小，测量安排如图1 1 0 所示。左图q l s h 线和巾线 同时穿过电流探头，差模电流信号方向相反，彼此抵消，兆模电流方向相同，敞测最结 果为2 l c m 。右图中相线和中线中任一根直接穿过探头另一根绕制后再穿过探头。这种 情况1 i 共模电流方向相反，彼此抵消，筹模f 乜流方向千h 删，故测量结果为2 i l ，m 。 用电流探头可以很方便地将共模干扰和差模f 二扰分j i ：，但其测量结果却很难与e m c 标准中规定的干扰限值相比较。标推的规定是以阻抗稳定网络( l i s n ) 一”5 0 qf 【l | | i 。l 的电压降为依据衡量传导干扰大小的，因此需要把电流探头的测量结果换算到标准规定 的测试方法中。考虑到电流探头测量到的是两倍的差模 乜流或共模电流值，以及l i s n 的5 0q 标准阻值，假设标准规定的传导干扰限值为iv ， 。，则j l f 上述方法测柑的蔗模、 共模干扰值应满足下列不等式才能通过标准测试：f v 。v 三f v m t 。+ 忆” 一2 0 l 0 9 5 0 + 2 0 1 0 9 2 。需要注意的是，满足这个不等式j 是被测件( e u t ) 通过传导r 扰 测试的必要不充分条件。 ( 2 ) 差模抑制网络( d i f f e r e n t i a l m o d e r e j e c t i o n n e t w o r k ) 差模抑制网络( d m r n ) 能够有效的抑制差模干扰( 至少5 0 d b