（交通信息工程及控制专业论文）车载电子设备的电磁兼容研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 本文以电力机车用1 1 0 v 开关电源的电磁兼容性设计为例，研究了 车载电子设备的电磁兼容性原则。内容涉及到该设备电磁兼容预测性 模型的建立，提取了减小电磁干扰的原则，用于指导其设计，成功通 过了铁标t b t 3 0 2 卜2 0 0 1 中所规定的电磁兼容试验，该产品电磁兼容 性设计的成功为车载电子设备的电磁兼容性设计提供了借鉴。 为了使得预测的电磁干扰水平和实际接近，首先对大功率开关器 件进行了高频建模，在分析干扰耦合途径的基础上，对无源元件的寄 生参数进行了提取，同时提取了主回路器件连接导线的寄生参数，建 立了电磁兼容的预测模型。在选定了某种元件布局的基础上，进行了 软件模拟仿真，修改元器件布局方式，得到不同的干扰水平，鉴于软 件仿真的直观性、方便性及精确建模基础上，结果可信度高。对于仿 真中提取的原则，用于指导实践，减小了电磁兼容性设计的盲目性， 降低了成本和开发周期。在减小辐射干扰水平方面，就理论上进行了 探讨。由于电磁兼容学科本身的复杂性，以及依据装置工况不同干扰 水平不同的特点，实际设计中采取了滤波和屏蔽措施。 本文为车载电子设备的电磁兼容设计提供了借浆的思路。通过预 测性模型的建立可以减小设计中的盲目性和局限性。 关键词：车载设备电磁兼容开关电源建模仿真 硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h i sd i s s e n a t i o nf o c u s e so nt h e1 1 1 1 e so fe m cf o rm ee l e c t r o n i c e q u i p m e n t su s e do nr a i lv e h i c l e ，b a s e do nm ee m cd e s i g no f110 v s m p sf o re l e c 仃i c1 0 c o l n o t i v e i ti n c l u d e sw o r k sf o r ：e s t a b l i s h i n gt l e f o r e c a s t i n ge m cm o d e lf o r1 1 0 vs m p s ，d e r i v i n gt h er u l e sf o rg u i d i n g m ee m c d e s i g l lo fm ee q u i p m e n tw h i c hh a sp a s s e dm ee m ct e s tg u i d e d b yt b t 3 0 21 2 0 01 t h em l e so fs u c c e s s 向1e m cd e s i g ni nt h ee q u i p m e n t c a nb eu s e da sr e f e r e n c ef o ro t h e r e l c c t r o n i ce q u i p m e n t su s e do nr a j l v e m c l e 7 r om a k et h ef o r e c a s t i n 2e m il e v e lm a t c ht h e1 e v e li nf a c t ，w e e s t a b l i s ht h eh i g h 矗e q u e n c ym o d e l so fp o w e rs e i n i c o n d u c t o r st oi n l p r o v e t h ea c c u r a c yo fm o d e l sf i r s t t h e n ，w ee x t r a c tt h ep a r a s i t i cp a r 锄e t e r so f t h ep a s s i v ed e v i c e sa n dt h ec o n n e c t e d1 e a d sb a s e do nm ea n a l y s i so f c o u p l i n gl o o p st oe s t a b l i s ht h ef o r e c a s t i n ge m im o d e l 0 ns e l e c t i n gt h e 1 a y o u to fc o m p o n e n t s ，s i m u l a t i n gf o rm ee m ii sm a d e w h i l et h e1 a y o u t i sc h a n g e d ，w ec a ng e td i f f e r e n te m il e v e l s f r o mw h i c h ，g u i d ec a nb e e x 仃a c t e dt oo p t i r n i z et h ed e s i g nw h i c hc a r la v o i dt h eb l i n d n e s sa 1 1 d 1 i n l i t a t i o no ft r a d e o f rm e t h o do nm ed e s i g ns oc o s tc a nb e1 0 w e r e da n d c y c l ec a nb es h o r t e n e d r e s e a r c ho nd e p r e s s i n gm er a d i a t i o ne m i1 e v e l i s o n l yl i m i t e dj nm e o r yi n t h i sd i s s e r t a t i o n i nf a c t ，s h i e l da 1 1 df i l t e r m e a s u r e sa r et a k e nb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fe m cp r o b l e m sa sw e l l a sd i f f e - e n te m i1 e v e l so ft h ee q u i p m e n tu n d e rd i f f e r e n t w o r k i n g c o n d i t i o n s t h ed i s s e r t a t i o nd r o v i d e sar e a s o n a b l em e t h o do fr e f e r e n c eo nm e e m cd e s i g no fe l e c t r i c e q u i p m e n t so nr a i l v e h i c l e b 1 i n d n e s sa i l d l i m i t a t i o ni ne m c d e s i g t lm a y b el o w e r e db ye s t a b l i s h i n gt h ef o r e c a s t i n g e m c 瑚o d e l k e yw o r d s ：e l e c t r i ce q u i p m e mo nr a i lv e m c l e ，e m c ，s m p s ，m o d e l i n 岛 s i m u l a t o r 作者签名 日期：2 篮上月卫日 关于学位论文使用授权说明 舰黧臻景篡嚣蒜嚣篆僦杀茹鬟 囊霎熬善耋篙裟慧挲嘉霁襄冀雹鬈凳鲶轰_ 霉蓑窨裹 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段侏仔手位。e 义；予仪叫1 。r 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：型参 导师签名塑：堕坠日期：坦绛月旦日 蝴一一一 明 一一蝴 声 枞姊蝴蛐嗍 舭做鞑腿硼 创 做灯麟被舴 雕 一一 她鳓豫撼硫跋尉旭靴醯 硕士学位论文第一章绪论 1 1 选题背景。6 4 ” 第一章绪论 1 1 1 电力牵引简介 1 9 5 8 年6 月1 5 日，在山险坡陡的秦岭深处，一支数百人的队伍，手持铁 镐、风钻，筚路蓝缕，开始修建宝鸡至凤州电气化第一路，从此揭开了中国铁 路电气化建设的序幕。四十多年来，中国电气化铁路经历了从无到有、从山区 到平原、从单线到复线、从一般干线到繁忙干线、从低速到高速的创业和发展 过程。电气化铁路从西南群山延伸到中原大地，电力机车从山区铁路进入到繁 忙干线，电力牵引从牵引重载列车发展到牵引提速、高速列车。电气化的发展 为增加铁路运力、提高运输质量、推进我国现代化做出了重大贡献。中国用了 仅仅4 0 年时间，走过了发达国家铁路电气化的百年历程。 电气化是铁路现代化的重要标志之一。铁路的牵引动力结构也在随之不断 改善，“内电并举，以电为主”，电力牵引将逐步占据主导地位，预计到2 0 0 5 年， 其承担的运量比重将达到6 5 以上。与其它牵引方式相比，电力牵引具有十分明 显的技术经济优势，它以高效、低耗、少污染、可利用不同能源等特点而具有 强大的生命力，是铁路牵引动力的发展方向。加快电气化铁路建设，也是我国 实现跨越式发展战略的重要组成部分。铁道部今年提出：2 0 0 4 年以京沈、京沪、 京广、京九为主实施第五次大面积提速；2 0 0 5 年以陇海、兰新、沪杭、浙赣、 达成、武九、胶济等为主要内容，实施第六次大面积提速。经过这两次大面积 提速，使全国铁路快速线路总里程达到2 万公里左右；京沪、京广、京哈、京九、 陇海、浙赣、胶济等有条件的干线，提速客车最高运行时速达到2 0 0 公里，货车 时速由目前不足8 0 公里提高到1 2 0 公里。 这个要求已经明确指出高速重载是今后电力机车发展的方向。而如何在高 速重载的情况下保证行车安全则成为重中之重。通过在京广、陇海等繁忙干线 和宝成、襄渝等山区干线上几次电力机车添乘的经历，我也深切体会到这一点。 在这些干线上，列车流运行的密度和速度都很高，一旦因为机车故障而中断行 车，其直接和间接的经济损失将难以估量。 为了适应高速重载的要求，机务部门对机车的运用方式也在不断革新，从 最早的肩回制到包乘制，再到现在逐步推行的不换机车的长交路牵引方式，机 车不到维修时间不回机务段，一直在线路上运行，使得机车的利用效率不断提 高，今年初郑州铁路局和广铁集团公司机务部门进行了机车从西安直达广州全 程不摘钩列车牵引试验，运行距离跨越了大半个中国；随着两次提速的进行， 硕士学位论文第一章绪论 机车牵引速度也越来越快，今年4 月1 8 日，铁路进行了第五次全面提速后，京广 线客运速度达到2 0 0 公里，制约全线速度的货运牵引也将全面突破1 2 0 公里j 这 些都对机车的耐久性和可靠性提出了新的要求。 1 12 电力机车的电磁特点“” 随着电力电子设备大量涌入包括牵引传动在内的各种工业应用领域、科研 和军事部门，如何保证诸多电子设备共处一室、实现电磁兼容，日益引起人们 的关注。 由于信息技术的发展，在许多领域如电气化线路、电力牵引特别是交流传 动，微电子器件大量用于设备的开环、闭环控制和监视；此外，由于经济的和 生态学方面的需要，现代能源技术可保证开发出更加紧凑、能最佳利用资源的 设备。这种高电磁负荷、大功率能源设备与低电压、小功率信息装置并存的局 面，使得解决电磁兼容性问题变得更加紧迫也更加复杂了。据统计，1 9 8 9 年德 国电力系统故障的2 8 7 是由电磁干扰引起的。 电力机车环境是一个典型的工业环境，电磁环境恶劣，主要有下述特点。 1 、电力机车是一个高速运动的物体，在运动的同时又要把接触网上2 7 5 k v 的高压电能转换为数千千瓦的牵引功率，在大功率能量转换的过程中，存在多 种电能种类和能量种类的转换； 2 、为了尽量节省体积，提高空间利用率，包括主断路器、主变压器、电抗 器、主变流器、各种辅助电机、牵引电机、控制电源、冷却风机等几乎所有电 气设备都被压缩在一个三米宽，十几米长的空间范围内； 3 、变流装置中的半控桥式整流使输入电流波形发生严重畸变，不但大大降 低了电网的功率因数，还引起了严重的谐波污染。由于各种设备进行强迫风冷 或自然冷却时，为了诚小散热风阻，增强散热效果，几乎全部采用敞开式结构， 所有铜排、导线都裸露布线，只有简单的人身安全防护装置，根本谈不上外壳、 屏蔽； 4 、硬件电路中电压和电流的急剧变化，使得电力电子器件承受很大的电应 力，并给周围的电气设备及电波造成严重的电磁干扰( e m i ) 。 l2 电力机车的主要干扰源及其e m l 分析 电力机车上几乎所有电气设备都在产生级别不同的电磁干扰，同时也受到 其他设备的电磁干扰。瞄m 1 1 2 1 弓网系统 电力机车由弓网系统取得能量。受电弓的弓头升起后与接触网上的导线接 触，通过动态受流汲取电能，经车顶母线传送至车内供机车使用。良好的动态 硕士学位论文第一章绪论 受流，是保证电力机车实现正常供电的关键。 受电弓上的弓头是与接触导线接触受流的部分，上面装有粉末冶金滑板和 减小滑板与接触导线问摩擦力的石墨滑条，一般情况下，受电弓弓头通过弹簧、 支架等机构压在接触导线上。列车高速运行时，会出现受电弓离开接触导线的 现象，称之为“离线”。受电弓一旦离线，就会产生强烈的电弧放电。电弧放电 会产生宽频电磁辐射和操作过电压，通过各种耦合方式，以传导和辐射的方式 传到车内，对于此类强电磁干扰，若机车电子控制系统和微机控制系统抗干扰 能力不过强，就会造成误动作。 1 2 2 主断路器 机车主断路器用来开断、接通机车的2 5 k v 主电路，是故障状态下迅速切断 机车主电路的唯一部件。如果机车产生主、辅电路的过流信号、接地信号、欠 压信号、紧急制动信号、过分相信号等保护信号时，都将引起主断路器分断， 从而保护机车设备。 主断路器故障态分断过程是带流分断，尽管有灭弧、隔离、连锁等一系列 动作，仍然会产生相当强的电弧和操作过电压。机车运行区间每数十公里就有 一个分相区，需要司机频繁分合主断，每次虽然都是在无流状态开合，但由于 高达数十千伏的高压开合必然会产生拉弧干扰。 电弧是最典型的广谱干扰源，干扰频率从数十赫兹到数百兆赫兹，在电弧 周围形成空问 i 二的广谱无线辐射干扰。机车内部布线很多都是裸露的，没有任 何屏蔽措簏；即使有外壳屏蔽，这些频率很高的干扰能够穿透各种开孔、边缝， 干扰各种电子设备。 电弧干扰主要是辐射干扰，可以进行屏蔽防护，操作过电压则通过传导途 径直接串入机车电路，作用在各种阀器件和集成电路上，虽然在主辅电路上都 有避雷器、阻容吸收等保护环节，但由于干扰功率较强，电压很高，难以将传 导干扰完全消除，这种干扰若作用在以5 v 为工作电压的微机控制系统上，会造 成其功能降级。 1 2 3 主变压器 机车主变压器是将机车上2 7 5 k v 高压转换为牵引电机能够实际工作的中等 电压( 1 0 0 0 1 5 0 0 v ) ，并提高工作电流( 约3 0 0 0 5 0 0 0 a ) 。 我国的主流电力机车均采用交一直供电方式，将变压器送来的交流电源整 流后提供给牵引电机。在整流过程中由于采用单向相控调压调速方法，使得变 压器中存在很丰富的高频谐波分量，这些高频分量在变压器中激起磁势分布不 均，产生高频磁场泄露，这些高频电磁场通过各种耦合方式无论在机车里面还 是受电网上都产生强烈干扰。 1 24 主整流器 硕 ：学位论文第一章绪论 每台机车的硅整流装置由两个同样结构的硅整流柜组成。整流柜为长方形 敞式结构。由角钢和环氧玻璃布板制成框架和安装立柱。硅整流管放在立柱的 固定托架上，硅整流管之间用软铜辫子线连接。首尾用镀锡铜排组成整流桥臂 的输出端，再通过过渡线与主变压器、平波电抗器以及牵引电机相连。 整个整流柜没有任何屏蔽作用，连接导线、过渡线、镀锡铜排等全部采用 裸露安装，上面流过的电流全部是相控整流后的单相半波全波电流，总线上电 流值达到3 0 0 0 a ，短时间内电流值容许达到5 0 0 0 a 。如此大电流导线相当一个强 磁场，在周围形成静磁场干扰。同时，相控整流中电流中有大量的谐波，能量 很高，会造成谐波干扰。 1 2 5 牵引电机 我国主流电力机车均为交直变流方式，牵引电机都是直流电机。在直流电 机运行时，绕组元件中电流方向的改变，都是由换向器和电刷所组成的机械装 置来完成。不良的换向条件，将使电刷下产生火花。火花放电所引起的电磁干 扰其频谱很宽，在中波到甚高频波段连续分布，强度随火花放电的等级变化而 变化，它的脉宽与换向周期有关。因此，直流电机在换向时换向器与电刷问产 生的火花，是产生电磁干扰的直接因素。 1 2 6 辅助机组 机车上除了牵引回路以外的所有电动机组可以称为辅助机组。辅助机组一 般是提供电能变换( 如单相变三相) 、通风冷却、压缩机、油泵等动能的部件。 辅助机组的供电端一般是由劈相机把变压器来得单相交流电能变换为三相 交流电，劈相机有一个比较特殊的电动一发电结构，能够在两个绕组通单相交 流电启动后，在第三个发电相绕组上产生与前两相互差1 2 0 度的电能。 这种电动一发电结构产生的三相交流电本身对称性很差，容易给劈相机带 来不均匀负荷，产生很强干扰。 1 3 车载电子设备电磁兼容。洼问题的提出 在国家标准g b t 4 3 6 5 1 9 9 5 电磁兼容性术语中对电磁兼容 ( 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 ，即e m c ) 的定义为：设备或系统在其电磁环 境中能f 常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰能力。由此 可见，e m c 包含两个方面的要求：一方面是指设备在运行时对环境的电磁骚扰 ( e 1 e c t r o 腿g n e t i cd i s t u r b a n c e ) 不能超过一定的限值。另一方面设备对其所在 的电磁环境中存在的电磁骚扰具有一定的抗扰度，即电磁敏感性 e m s ( e 1 e c t r ot 1 1 a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ) 。其中，电磁骚扰指“任何能使设备或 系统性能降低的电磁现象”，电磁干扰e m i ( 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 ) 是 4 硕士学位论文 第一章绪论 指“因电磁骚扰而引起的设备或系统的性能下降”。可见e m c 包括e m i 和e m s 两个方面。 由上节所分析的问题得知，电力机车内环境是一个恶劣的工业环境，由于 电机换向火花，晶闸管换向，继电器、电磁阀、接触器的切换，受电弓弹跳拉 弧，雷击等干扰源的动作，使得机车内电磁环境非常恶劣。如何保证低压、高 速的电子控制线路与大电流、大电压的牵引系统共处一室，实现电磁兼容是保 征电力机车安全稳定运行的首要任务。为了确保不同厂商所制作的车载电子设 备具有电磁兼容性，设立了很多标准，国际标准有i e c 6 0 5 7 1 ( e 1 e c t r o n i c e q u i p m e n tu s e do nr a i lv e h i c l e s ) ，对车载电子设备的电磁兼容性做了详细 的规定。我国依据该标准建立了自己的铁路行业标准t b t 3 0 2 卜2 0 0 0 ，该标准 与i e c 6 0 5 7 1 平行，进驻我国电力机车市场的车载电子设备都要符合该标准。电 力机车用儿o v 开关电源是与蓄电池并联运行，给机车内控制系统供电的装置， 由于开关电源本身就是一个很大的于扰源，如何保证其稳定运行又不影响依赖 其供电的控制系统，即电磁兼容问题，显得尤为重要。就该意义来说，机车用 1 1 0 v 开关电源可以看成是一研究电磁兼容问题的典型的车载电子设备，对于该 装置的特殊性，主要研究其电磁干扰的问题。以该装置为例，建立电磁兼容预 测性模型，用于指导样机开发，借以研究车载电子设备电磁兼容的一般性问题。 为了保证一个电子设备或系统具有良好的电磁兼容性，电磁兼容措施应尽 早考虑，在新产品的设计阶段就应当首先进行电磁兼容设计，考虑得越早，问 题越简单，解决问题所需要的成本也越低。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1 来说明。通常，电磁兼容设计( 包括事先采用的抑制电 磁干扰的必要措施) 成本在总开发成本中所占的比例很小，如果人们在产品设 计初期就进行电磁兼容设计的话，只要适当的选择元件和材料，在每台售出设 备上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 在解决 噪声问 题中现 有技术 与成本 图1 1 硕士学位论文第一章绪论 目前，对产品进行电磁兼容性设计有两个方法：测试修改法和系统设计法。”1 1 、测试修改法：在设计阶段几乎不考虑电磁兼容性，样机完成以后，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。可以想象得出，这种方法的设计盲目性很强。但可以 节省设计之初的技术成本。在最后阶段往往要花费大量的时间以来测试 修改( 调试) 样机，最终解决方案一般不是最佳( 成本最低) 的。 2 、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) ，进行预测性分析，并从设 计的+ 开始就采取各种措施，避免电磁兼容问题。由于是在设计阶段， 因此可以采取电路与结构相结合的电磁兼容技术措施。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 阶段专业电磁兼容技术支持所增加的成本，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 计人员电磁兼容技术水平的要求高，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，对于复杂的设备，系统设计法是比较合适的。 对于电力机车用1 1 0 v 开关电源来说，由于其开关频率高( 2 0 k h z ) ，功率大 ( 8 k w ) ，对外的干扰严重，如何降低对外的干扰，使之达到t b t 3 0 2 卜2 0 0 0 中的 电磁干扰限制值的规定，是电磁兼容设计最重要的问题。由于使用事后修改的 方法来解决车载1 l o v 开关电源的电磁干扰问题具有很大的盲目性和局限性，因 此必须寻求一种有效的系统解决之道。 实现车载l l o v 开关电源的电磁兼容性设计，必须完成以下四个方面的工 作： ( 1 ) 连接导线高频模型建立、开关器件和无源元件高频模型建立； ( 2 ) 元件连接线和元器件寄生参数的提取； ( 3 ) 分别利用电路仿真软件和电磁场仿真软件，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 ) 利用仿真结果进行器件优化布局及走线。 1 4 本文的研究方法和意义 为了结合实际车载电子装置进行车载电子设备电磁兼容性分析研究，本文 以机车用1 1 0 v 开关电源研制为例，对其进行了设计制作，并利用现有的设备和 条件，对该装置主电路的传导电磁干扰问题和辐射干扰问题进行了分析研究。 硕士学位论文第二章车载1 1 0 v 开关电源电磁兼容的特点 第二章车载11 0 v 开关电源电磁兼容的特点 依据t b t 1 3 9 5 2 0 0 4 电力机车和电动车组d c l l 0 v 控制电源柜技术条件对 于车载1 l o v 开关电源的设计功率要求达到8 k w ，电压变化范围在l l o v 1 v ，考 虑到工作时电流大，精度要求高的特点，以及现代开关器件和变压器电磁特性， 设计选用全桥开关型电源主电路拓扑结构，如图2 1 所示。 k i 萨 ”叫枉l u 图2 1 车载1 l0 v 开关电源主电路拓扑结构 电力机车主变压器一绕组供电3 9 6 v ，经整流滤波成约6 0 0 v 直流，控制电路 控制四个i g b t ，使得q 如和q 。q 。成对轮番导通，在变压器原边得到高频脉冲电压， 耦合到副边，经快恢复功率二极管整流，转变为脉动的直流，在滤波电感和电容 l ，c ，网络作用下，转变为稳恒直流。电压闭环系统调节i g b t 导通时间，维持输 出电压不变。该全桥开关电源属于p w m 调节的硬开关电源系统。电路中开关器件 i g b t 开通关断迅速，对于所使用s k m 2 0 0 g b l 2 3 d 来说，可达到7 v n s 的电压变化 率以及5 a n s 的电流变化率，致使电路中电流电压变化率很大，因此开关脉冲中 含有丰富的谐波，电磁干扰特别严重。在铁标t b t 3 0 2 卜2 0 0 0 中对于车载电子装 置的电磁干扰水平的上限有严格的规定，具体参考表6 1 。对于一个以2 0 k h z 开 关频率工作的大功率开关电源，这些限制是相当苛刻的。如何降低其电磁干扰的 水平，避免电磁兼容问题，是设计时必须面对的问题。因此，有必要了解开关型 电源电磁兼容的特点，由于开关电源主要的问题体现在对外的电磁干扰严重这一 层面，因此本章着重讨论开关电源电磁干扰的特征。这是一些普遍的特点，同样 适应于车载1 1 0 v 开关电源。 2 1 开关电源电磁干扰的特点 开关电源主电路中周期性变化的开关脉冲含有丰富的谐波，对应的频谱是离 散频谱，使得其在脉冲频率的整数倍频率处的频谱强度较非周期性变化的时域信 号要高，因此在这些频率处具有很强的电磁干扰。开关电源中的功率半导体器件 如开关管、二次整流侧的快速整流二极管的开关频率较大，开通关断时间很短， 通常在几十纳秒，回路电压电流变化率极大，经不同的耦合路径，产生强电磁干 硕士学位论文第二章车载1 1 0 v 开关电源电磁兼容的特点 扰。和高速数字电路相比，由于它开关功率大，开关频率不太大，所以开关电源 呈现出不同于高速数字电路的电磁干扰特性。它们主要表现为：。“” 1 、作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很大， 产生的干扰强度较大； 2 、干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的散热器和高频变压器，相对 于高速数字电路干扰源的位置较为清楚； 3 、开关频率不高( 从几十千赫兹到数兆赫兹) ，主要的干扰形式是传导干扰和近 场干扰； 4 、各元件连线采用手工布局，具有很大的随意性，这就增加了线路分布参数的 提取和近场干扰预估的难度。 2 2 开关电源电磁兼容的研究要素 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2 2 给出了这三个因素的示意图。 因此，在考虑电磁兼容问题时，也要从这三个因素入手进行研究，分析这三个因 素的产生原因，根据具体情况，采取适当的抑制措施，以达到电磁兼容标准的要 求。 图2 2电磁干扰三因素的示意图 2 2 1 电磁干扰源 电磁干扰源是电磁兼容三因素之首要因素。存在干扰源不一定必然发生电 磁干扰，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 人为两种。雷电是一种主要的自然干扰源，另外，宇宙噪声和太阳噪声也是自然 干扰源。人为干扰源主要是设备中的电压或者电流的变化。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，企图消 除于扰源往往是很困难的，甚至是不可能办到的。总的原则是，可以容忍它存在， 但是必须把它限制在不影响到其它设备正常工作的范围内。 丌关型电源中的干扰源主要集中在电压、电流变化率大的元器件上，突出表 硕士学位论文第二章车载1 1 0 v 开关电源电磁兼容的特点 现为功率开关管、快速整流二极管、高频变压器以及电感的高的电压变化率侧等。 对于车载11 0 v 开关电源来说，i g b t 和二次整流侧快速整流二极管以及两高频电 流回路是最大的干扰源。 2 2 2 敏感设备 敏感设备是对被干扰对象的总称，它可以是一个很小的元件或者一个电路板 组件，也可以是一个用电设备，甚至可以是一个大系统。对车载1 1 0 v 开关电源 来说，自身的控制系统是敏感设备，由于控制系统是一个5 v 的低压系统，噪声 容限低，又处于同一机架内，处理不当，主电路强的电磁干扰( 近场干扰) 就会 使其功能降级，出现电磁兼容问题，严重时可使得开关电源本身不能工作，在第 五章对处于近场的控制插件有专门处理。另外，由于该装置是对其他电子装置( 敏 感设备) 供电的设备，若其干扰严重，会出现系统间的电磁兼容问题。 2 2 3 耦合途径“2 3 干扰源和受扰设备在一起，就有从一方到另一方的潜在干扰路径，这就是电 磁干扰的耦合途径。电子装置普遍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，这些部件以电场、磁场或电磁场的方式传 输能量通过各种耦合方式耦合到线路中。干扰源和被干扰对象间的噪声耦合有两 种方式：传导方式和辐射方式，如图2 3 所示。 r 电容性耦合 r 直接传导 2 远场( 辐射场) 当0r 1 时，( br ) 。 ( br ) 。 ( br ) 。3 式( 5 1 ) 中( br ) 。1 为主要 项，其它项忽略不计。场点的场强为： fe 口。问。卢兰s i n 盯沙 ( 5 2 ) j 。” l 妒z 朋等s i n 弦沙 ( 5 _ 3 ) 由( 5 2 ) 、( 5 3 ) 式可知远场特点：频率越低，辐射场强越弱；电流越小， 距离越远，辐射场强越弱。 硕士学位论文第五章车载1 1 0 v 开关电源辐射e m l 分析 波阻抗z 。，= 岛却= 玎。= 1 2 0 石* 3 7 7 q = z 。，可见在远场区波阻抗是一常 数，表示电场与磁场同相，坡印廷矢量指向r 径向，表示电磁场能流向外传递。 图5 1 球坐标系中的电流元辐射场 2 ) r ( ( 2n近场 当br ( ( 1 时，( 0r ) 。1 ( ( br ) 。( ( br ) 。式( 5 1 ) 中( br ) 1 为 主要项，对e ，、e ，只取( br ) ”项，对h + 取( br ) 。项，忽略其它项，且e 1 “m 1 ， 有：r e 。z 一南s i n 臼 ie ，“一寺c 。s 口 5 4 | h p 。j s i n 目 ( 5 - 5 ) 波阻抗z 。= e 日日妒= 一1 2 0 丌( a 2 ) z 。i ) z o 电场与磁场相位相差9 0 0 ，波阻抗呈容性，电场能量与磁场能量交换，坡印 廷矢量在一周内平均值为零，无辐射，表明在近场区域内，元电流产生的电磁场 以高阻抗的电场为主，场强与电流成正比，与频率成反比。 3 ) r x 2n感应场 在感应场区br 一1 时，式( 5 1 ) 中各项均不能忽略。 5 1 2 磁偶极子天线m 3 磁偶极子是指一个面积足够小环行导体。如图5 2 示，通过环行导体电流为 面积为a ，在距磁偶极子r 处p 点产生的电、磁场强度为： re ? = e e = h 口= o 卜= 掣 _ 击+ ，击+ 击卜 铲型等业 击一，赤卜 ”盟筹等 ( 5 6 ) 新 扣拍 卜 硕士学位论文 第五章车载1 l o v 开关电源辐射e m l 分析 式中：e 。h 。h ，分别为场点的电场、磁场强度在球坐标系中的分量，对于 实际的环行电流的场强，可以分解成许多的电流环叠加。 x 图5 2球坐标系中的磁偶极子及算场强分量 工程电磁场应用中，依据距离r 与波长 的关系将磁偶极子产生的电磁场 分成远场，近场和感应场三个特征区域进行分析。 1 ) r x 2 ( 远场) 当br 1 时，( 口r ) “ ( br ) 1 ( br ) 。1 式( 5 6 ) 中( br ) 1 为主要 项，忽略其它项。 re 伊。竺! 生垦s 。n 醣珊 j 4 丌7 1 日。一竺型l s l n 盯一 ( 5 7 ) 、 4 研o 7 在远场区波阻抗z 。= b 却= = 1 2 0 石“3 7 7 q = z 。为常数，电场与磁场 同相，坡印廷矢量指向r 径向，电磁能流向外传递，能量向外辐射，属辐射场。 2 ) r ( ( 2n( 近场) 当br ( ( 1 时，( pr ) 1 ) ( ( br ) 1 ( ( dr ) ，式( 5 6 ) 中( br ) i 1 为主要项，对h 。h ，只取( dr ) 一项，对e + 取( br ) 。项，忽略其它项，且e 1 ”一1 。 则有： r h 一= 嚣劳s i n 口 ，z 器告c o s a 【e p ；竺量姿s i n 口 ( 5 8 ) 波阻抗z 、：彰h 妒：1 2 0 厅( 2 胛旯)l z 。i ) z 。 ( 5 9 ) 电场与磁场相位差9 0 “，波阻抗呈感性，电场能量与磁场能量相互交换，无 辐射。在近场区域内，磁偶极子产生的感应场以低阻抗的磁场为主。 3 ) r 。 2 ( 感应场) 在感应场区域br 一1 时，式( 5 6 ) 中各项均不能忽略。 硕士学位论文第五章车载1 1 0 v 开关电源辐射e m l 分析 5 2 辐射源辐射特点分析 t b t 3 0 2 卜2 0 0 l 中规定的辐射干扰测量点是在距被测件( e u t ) 1 0 m 处，测 量的频率范围为3 0 m h ：l o o o m h ，波长范围为1 0 m o 3 m 。按照对场区的划分， 测量点测量到的干扰是远场的值，即辐射场的值。 在车载1 l o v 丌关电源中，远场辐射源按照电场源和磁场源可以划分如下： 1 ) 电场源：即电路中具有很高的d u d t 的导体。 车载l1 0 v 开关电源中，这样的辐射源有： 一与i g b t 集电极相连的元件； 一高频变压器的副边绕组以及与之相连的导体，高频变压器原边绕组或 电感高d u d t 侧： 一与i g b t 和二次整流快恢复二极管相隔离安装但悬浮的散热器； 2 ) 磁场源：高d i d t 导体构成的回路。 这样的辐射源在车载1 1 0 v 开关电源中有： 一电感和变压器绕组的漏磁，造成对外的辐射； 一电路中由半导体器件构成的高频电流回路； 一输入输出回路的引线。 对于车载1 1 0 v 开关电源内部的辐射源如图5 3 所示。其中，储能电容、i g b t 和变压器原边构成的高频电流回路以及变压器副边、快恢复整流二极管及电感、 滤波电容构成的高频电流回路可以看成许多磁偶极子天线的叠加，构成磁场辐 射。对于变压器和电感的漏磁也会在空间产生磁场辐射。连接i g b t 集电极、快 恢复整流二极管阳极及电感的高电压变化率侧的导体产生电场辐射。对于高频电 流磁场辐射，其能力还取决于回路的面积。对于高电压变化率的导体其电场辐射 的能力与导体表面积有关。对于该装置的外部，对外的辐射主要就是输入输出连 接导线上的差模和共模电流在空间产生的电磁辐射。 图5 3 车载1 1o v 开关电源主电路辐射源示意图 5 2 1 电缆线辐射分析“” 电缆是装置中最长的导体，也是最有效的辐射源，该装置的开关频率较低 硕十学位论文第五章车载1 1 0 v 开关电源辐射e m l 分析 ( 2 0 k h z ) ，产生的干扰频率一般在1 0 0 m h z 以下，辐射信号的波长为1 0 m 3 m 。 按照天线理论，对长度小于l 1 0 波长的导体，可以认为导体上的电流近似恒定。 因此，可以将电缆分割成电流恒定的各段电流元，再将这些电流元所得到的场强 结果进行叠加，就可以得到各点的场强，对不同频率的电流，需要分割的有限元 数目也是不一样的，因此，对电缆辐射的分析是一个非常复杂的问题。 从传导e m i 的观点出发，在电缆线上的高频干扰电流分为差模电流和共模电 流，这两种电流在电缆中对辐射的影响是不同的，要分别对待。 5 2 1 1 电缆中差模电流的辐射分析“” 图5 4 中两平行的引出电缆的电流元在观测点p 处的辐射场可表示为( 主要 是电场辐射，只考虑电场强度) ： 巨：_ ，譬和兰托丝k 臼 睁1 0 ) 斗刀 l 定义j = 二ds i n 目s i n 妒( 5 1 1 ) 2 d 为两引出电缆的间距，所以有： 耻，警，f ，筹“等b = ，警，孚e 一“埘n 嘶m ， 图5 4 球坐标系中的成对电偶极子辐射模型 对霉棼誊篮翌攀曲。纠。， 令o = 9 0 。，有6 = d 2 ，代入上式( 5 1 4 ) e ：= ，警z 半( ，。e - ，脚一，。e ，艚) 睁 ) 屹 ( 占 占 + 一 r r = i i _ 以 r 工范田内可以很好的工作，但是在厂。附近，当 r 。 月。：时，该滤波器不但不起衰减噪声的作用，反而会使噪声增大。 损耗 增益 a c ( b ) 图6 5不同阻性负载条件下插入损耗的频率特性 ( 2 ) 电感性负载 电路如图6 6 ( b ) 所示，负载为一个电感丘与一个可变负载电阻吼并联，电 路的谐振频率为，为 r 2 l = 2o ( 1 + ；) l l 这时，电路的插入损耗为 为 见。( ) 在0 i 同负载电阻下与频率，的关系曲线示于图6 6 ( a ) 。 电。勿 ：移德一 拼点。了 r l ( b ) 图6 6 感性负栽时插入损耗的频率特性 ( 3 ) 电容性负载 电路如图6 7 ( a ) 所示，利用前述类似方法，可得这时电路的谐振频率变 插入损耗为 皿。( ) =厅为2 + 等 皿。( ) 在不同电阻值下与，的关系于图6 7 ( b ) 。从图可见，电路的谐振频 露e 堕 = 回 啦 硕士学位论文 第八章滤波和屏敞技术的应用 率，比l c 电路的固有谐振频率降低了，因此在滤波器截止频率正以内的插 入损耗增加了。 i l r 损耗 增益 磁瓣 悠：f a c l c l 图6 7 客性负载时插入损耗的频率特性 6 1 5 阻抗失配情况下电源e m i 滤波器的结构选择1 在6 1 4 节中，讨论了三种情况，若同时考虑噪声源的阻抗，那么插入损耗 将更加复杂。在图65 中，考虑源阻抗z g ，在极端条件下，z g m l ，z 。“上，这 时的插入损耗变为儿一2 f _ 予，若z g 5 0 d b ，采用单级滤波器是很难达到要求的，一般采用多级滤波器。由文献 1 给出的结论，可以得到两点启迪： 1 ) 随着滤波器级数的增加，电压衰减也随之增加。 2 ) 为了得到高的电压衰溅即高的插 损耗，用多级滤狡器比用单级滤波器好。 对于第2 点，可以这么解释，若需要设计一e m i 滤波器，要求在1 6 0 k h z ，电 压衰减达8 0 d b ，用单级l c 滤波，l c = 1 0 4 uh uf ，若采用两级，则l c = 1 0 2 uh uf ， 对于两级滤波，电感电容的体积、成本要小得多，由6 1 5 可知，选择好滤波器 的结构，阻抗失配的情况下，对滤波器的插入损耗的影响要小得多。一般来说， 在设计时，考虑阻抗失配的情况下，选取合适的l c 滤波电路结构，依据l c 值的 限制，再决定级数和具体的l 、c 值。依据前面的原则，我们提出了要求，北京 中宇豪公司提供样品，该滤波器为一两级滤波器，电路拓扑结构如图6 一“所示。 硕士学位论文 “一一、 z m 【_ 第a 章滤波羊u 屏蔽技术的虑用 图6 1 1实际所采用的电源e m i 滤波器电路拓扑结构 为测试在阻抗失配时的滤波器性能的表现，分别对源阻抗、负载阻抗处于 o 1o 和1 0 0 q 及为1 0 0q 和0 1q 时的插入损耗在s a b e r 巾进行仿真，对比起 见，对源、负载阻抗均处于5 0q 的情况也进行了仿真，依据6 1 7 节进行了电 路等效，仿真的差模共模插入损耗分别如图61 2 与斟61 3 示。 硕十学位论文第六章滤波和屏蔽技术的应用 由仿真的插入损耗曲线可以看出，在阻抗失配的条件下，1 5 0 k h z 附近的差 模插入损耗基本在4 0 d b ，对于优化布线方式下，只要衰减1 5 8 倍即可，需滤波 器插入损耗高_ f2 0 d b 即可，可见该滤波器还是能胜任的。共模插入损耗可达6 0 d b 差模插入损耗显得较低，是该滤波器的不足之处。实际测试结果表明在1 1 0 v 、5 5 a 的工况下表现很好，滤波器的设计是比较成功的。 6 2 屏蔽措施的采取”3 滤波是常用的抑制传导电磁干扰的措旌，同样屏蔽也是抑制e m i 的重要手 段，主要针对辐射的电磁干扰进行抑制。依据屏蔽的电磁场性质，屏蔽技术可以 分为三大类： 1 ) 电场屏蔽，对静电场屏蔽及低频交变电场的屏蔽： 2 ) 磁场屏敞，对直流磁场屏蔽和低频交流磁场屏蔽； 3 ) 电磁场屏蔽，对同时存在电场及磁场的高频辐射电磁场的屏蔽。 由于我们的开关电源采用的是架式结构，外面用3 m 厚的钢板包装，表面镀 锌，运行时外盒良好接地，钢板具有较好的导电性和良好的磁导率，因此在电场 屏蔽和磁场屏蔽方面的能力很强。加上在t b 3 0 2 卜2 0 0 1 中所考核的范围，如表 6 一l 所示，为高频的电磁场，如第五章所讨论的，主要考虑高频电磁场辐射的屏 蔽技术。 对于屏蔽效果的好坏，用屏蔽效能s e ( s h i e ld jn ge r f e c t i v e n e s s ) 表示。屏 蔽效能s e 系指未加屏蔽时某一测量点的场强( 与加屏蔽后同一测量点的场 强( e 。h 。) 之比。表达式为 对电场，阳s 2 2 0 l g 詈( ) 对磁场，s 。= 2 0 1 9 ( f 啦) 。 若用钢板包装成一整体，所谓密不透风，对于这种屏蔽，即完整屏蔽，其效 果是很好的，屏蔽效能可以达到9 0 d b 。但是，对于车载1 1 0 v 开关电源来说，该 装置运行过程中需要通风散热，要显示电压电流值、显示运行状态，那么通风孔 及安装表计需要在钢板上开孔，各板的搭接部位会留下缝隙，就会破坏完整屏蔽。 在本装置中，由孔及缝隙所引起的屏蔽性能的下降往往是主要的，分别来说明。 62 1 不完整屏蔽对屏蔽效果的影响1 6 2