電力電子裝（zhuāng）置-開關電源（yuán）引（yǐn）入的電磁（cí）幹擾EMI分析

電力電子裝置-開關電源引入的（de）電磁幹（gàn）擾EMI分析

一（yī）、 形成電（diàn）磁幹擾（rǎo）的基本要素

幹擾源發出電磁幹擾能量，經過耦合途徑將（jiāng）幹擾能量傳輸（shū）到敏感設（shè）備，使敏感設備的工作受到幹擾，這一（yī）作用過程稱為電磁幹擾效應。形成電磁幹擾必須具備（bèi）下列三個基本要素：

1、電（diàn）磁幹擾源：指（zhǐ）產生電磁幹擾的（de）任何元件、器件、設備、係統或自（zì）然現象。

2、耦合途（tú）徑（jìng）或稱耦合（hé）通道：指將電磁幹擾能量傳（chuán）輸到受幹擾設備的（de）通路或媒（méi）介。

3、敏（mǐn）感設備：指受到電（diàn）磁（cí）幹（gàn）擾的設備，或（huò）者說對電磁幹擾發生影響的設備。

幹擾源的種類很多，有（yǒu）自然幹擾（rǎo）源和人為（wéi）幹擾源。自然幹擾源包括大（dà）氣幹（gàn）擾、雷電幹擾和宇宙（zhòu）幹擾。人為幹擾源包括功能性幹擾及非功能（néng）性幹擾。功能（néng）性幹擾指係統中某一部分的正常工（gōng）作所產生的有用（yòng）能量對其它部（bù）分的幹擾，而非功能性幹擾指無用的電（diàn）磁能量所產生的幹擾（rǎo），例如（rú）各種點（diǎn）火係統產（chǎn）生（shēng）的幹擾。

幹擾的耦合途（tú）徑（jìng）分為兩類：傳導耦合途徑和輻射耦合途徑。傳導耦合途徑要求在幹擾源與敏感設備之間有完整的電路連接，該電路可包括導線、供電電源、機架、接（jiē）地平麵、互感或電容等，隻要一個返回通路將兩個電路（lù）直接連接起來，就會發生傳導耦合（hé），此返回（huí）通路可（kě）以（yǐ）是另一根（gēn）導線，也可以（yǐ）是公共接地回路、互（hù）感或電容。輻射耦合途徑是幹擾源的（de）能量以電磁場的形式傳（chuán）播的，根據幹擾源與敏感設備的（de）距離可分為近場耦合模式（shì）和遠場耦合模式，輻射耦合不僅存在於兩（liǎng）天線之間，設備的機殼、機殼的孔洞、傳輸線（xiàn）及元件之間（jiān）都可能存在輻射耦（ǒu）合。

對於電磁幹擾的分析主要考慮以下幾（jǐ）個方麵：

1、幹（gàn）擾的頻（pín）率和時間。一般來說，出現了電（diàn）磁幹擾，人們習慣於從時域的方麵考慮，但是EMI通常在頻域（yù）中研究。單獨在時域看，有（yǒu）時很難理解EMI問題，這就必須采用傅立葉變換轉換到頻域進行分析（xī）。

2、幹擾的幅（fú）度。幹擾的幅度越大，幹擾自（zì）然也就越大。

3、發射源、傳播路徑以及接收機的阻抗。幹擾電流與這些阻抗（kàng）有著直接（jiē）的關係。

4、尺（chǐ）寸。在考慮輻射問題時，射頻（RF）幹擾的波長與物理尺寸是幹擾的重（chóng）要因素，RF幹擾電流將產生電（diàn）磁場，電磁場可以（yǐ）通過細縫傳播。

二、 電力電子裝置的發展及其電磁兼容性問題

電力電子裝置作為電源與控製設備，由於其進行（háng）電能（néng）變換時的（de）率而（ér）在許多行業得到（dào）了（le）廣泛的應用，如電力係統的高壓（yā）直流輸電、有源濾波、超導儲能，交流電機的變頻調速，廣（guǎng）播、通信、宇航、衛星用的電（diàn）源，各種工業動力設備、醫療儀器、家用電器的電源（yuán）等都要用到電力電子裝置。據估計，工業生產（chǎn）中70％的電能都是（shì）通過電力電子裝置變換後（hòu）才為人類所利用。高頻技術的應用使電能轉換，特別是電能的頻（pín）率轉換進入了更（gèng）加自由的（de）時代，從而使（shǐ）電力電子裝置（zhì）在節約電能、降低原材料消耗、提高係統可靠性等方麵（miàn）的優點得到了更加充分的體現。

在電力電子設備為（wéi）人類生產、生活帶來巨大便利的同時，因（yīn）其按開關工作方式，使它的電磁兼容（róng）性能受到挑戰。一方麵，其不良的電磁兼容性能不（bú）僅對外造成幹擾，影響其它設備的正常工（gōng）作（zuò），另一方麵，電力電子裝置本身也會受到電磁幹擾的影響，使其可靠性下降。80年代後期，功率場控器件的實（shí）用化和高頻化，使電力電子裝置（zhì）跨入高頻化、大容量化的時代。由於電力電子裝置換流過程中產（chǎn）生前後沿很陡的脈衝（chōng）（di/dt可達1KA/us；dv/dt可達3KV/us），從而引發了嚴重（chóng）的電磁幹擾。這些幹擾通過傳導和輻射的耦合（hé）方式，嚴重汙染周圍電磁環境和電源係統（tǒng）。 

隨著電（diàn）子信息產（chǎn）業的發展，以開關變換器為核心的（de）電力電子裝置正廣泛應用（yòng）於（yú）以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設（shè）備。幾乎所有的電子（zǐ）設備都需要使用電力電子裝置。美（měi）國VPEC（Virginia Power Electronic Center）1997年的年度報告指（zhǐ）出：如果說是（shì）微處理器技術的（de）進步促使計算機主頻從1985年的16MHz發展到今天的200MHz，那麽，下一步向GHz的飛躍主要取決（jué）於電力電子技術的發展。當（dāng）芯片以GHz工作（zuò）時，電源必須以足夠高的匹配速度（dù）給（gěi）邏輯門供電（以Pentium pro為例，要求負載電流供應速度為30A/μs），這也是Intel不得（dé）不放慢Pentium微處（chù）理器的時鍾速度的一個重要原因。所以，電力（lì）電子裝置的電（diàn）磁兼容性問題急待解決。

90年代（dài）以來，電力電子器（qì）件（jiàn）作為推動電力電子技術發展的（de）基礎，開（kāi）始沿著大容量、高頻化、模塊（kuài）化和功能集成的方（fāng）向（xiàng）發展。日本的（de）三菱、東芝，德國的西門子等公（gōng）司的高壓大電流器件不（bú）斷研製出來。如光控SCR已有8000V/4000A的產品，IGBT已有6500V/2400A的模塊。器件的（de）開關頻率也逐漸提高，如功率MOSFET開關頻率可高達幾兆赫茲（zī）。器件的封裝使模塊體積更小（xiǎo），驅動、保護、檢測、控製等（děng）電路與器件高（gāo）度集成。這些因素都要求更進一（yī）步的加強電力電（diàn）子裝置電磁幹擾特（tè）性及其防範的研究，特別是在（zài）設計階段，對新（xīn）裝置的幹擾特性進行預估，縮短其開發周期，提高電力電子裝置的電磁兼容性就成為至關（guān）重要的（de）問題。

三、電力電子裝置引入的電（diàn）磁幹擾（rǎo）的源和傳播途徑

電力電子裝置在工作中，將發出強烈的電磁幹擾，該幹擾（rǎo）主要來自於半導體開關器件，開（kāi）關器件在開通和關斷中，由於電壓和電流（liú）在短時間內發生跳變，從而形成電磁幹擾。電力（lì）電子裝置產生的電磁幹擾源有以下幾個主要（yào）方麵：

1、dv/dt。在電力電子器件通斷瞬間，電壓的跳變會在電（diàn）容上產生（shēng）很大的充電或放電電（diàn）流，實際的驅動電路和主電路都會（huì）存在雜散分布電容（róng），1nF的電（diàn）容就可以產生幾個安培的電流瞬態脈（mò）衝，會（huì）對電力係統產生嚴重的電磁（cí）幹擾（rǎo）。

2、dv/dt。開關器件在通斷瞬間的電（diàn）流變化會在雜散電感上感應（yīng）出電壓，另外，有較大的dv/dt的電流環路也是一個輻射源，將對空間（jiān）產生輻射電磁場。在大功率驅動係統中，dv/dt可達2KA/us，30nH的雜散電感就可以激勵60V的電壓幹擾。

3、PWM信號自身。逆變器中（zhōng）開關產生的（de）PWM波形（xíng）除了有（yǒu）用的基波外，還含有大量的高次諧波，目前逆變器的開關頻率（lǜ）從幾KHz到幾百KHz，諧波頻率從幾百KHz到幾MHz。由（yóu）於高次諧波的存在，PWM信號也會對周圍（wéi）的設（shè）備產生輻射（shè）的影響。

4、控製（zhì）電路。控製電路輸出的高頻脈衝時鍾（zhōng）波形（xíng）也（yě）會產生一定（dìng）的電磁幹擾。由於控製電路的電壓比較低，產生的電磁幹擾也（yě）較小。

此外，非線（xiàn）性的元（yuán）器件和電路也是幹擾源之一，它們會（huì）使電路中的信號發生畸變，增加（jiā）信號中的高頻成分。

電力電子裝置產生的電磁幹擾也是（shì）通（tōng）過傳導和輻射耦合到敏感（gǎn）設備的。在電力電子裝置中，傳導是電力電子裝置幹擾傳播的重要途徑，也是在電磁兼容中考慮得多的，由於對電力電子裝置傳導幹擾一般考慮的至高頻率是30MHz，相應電磁波波（bō）長為10m，因而對大多數電力電子裝置（zhì）來講，可（kě）用集中參數電路進行分析。

根據傳導幹擾方式（shì）的不同可以把電磁幹擾源分為共模（CM）和差模（DM）兩種形式，它們產生的內部機（jī）理有所不同，考（kǎo）慮電力（lì）電子裝置對電（diàn）網的電磁幹擾，共模幹擾是指通過相（xiàng）線（xiàn）、對地寄生電容（róng），再由地形成（chéng）的回路（lù）的幹（gàn）擾，它主要是由較（jiào）高的dv/dt與（yǔ）寄生電（diàn）容間（jiān）的相互作用而產生的高頻振蕩；差模幹擾是指相線之間的幹擾，直（zhí）接通過相線與電源形成回路，它主要（yào）是由（yóu）電力電子裝置產生的脈動電流引起的，圖1示出了差模和共模幹擾各自的（de）回路，差模幹擾回路中有一個差（chà）模幹擾源VDM，該（gāi）差（chà）模幹擾（rǎo）源通過相線（xiàn）（L）與中線（N）形成差模幹擾（rǎo），差模幹擾電流為（wéi）IDM；共模幹擾回路中有一（yī）個共模幹擾源（yuán）VDM，該共模幹擾源通過相（xiàng）線（L）、中線（N）與（yǔ）地線（E）形成共模幹擾回（huí）路，共模幹擾電流為ICM。差模和共模回路的區別在於差模（mó）電流隻（zhī）在相線和中線之間流動，而共（gòng）模電流（liú）不但流（liú）過相線和中線，而且還流（liú）過地線（xiàn）。