電（diàn）力電子裝置-開關電源引入的電磁幹（gàn）擾（rǎo）EMI分析

電（diàn）力電子（zǐ）裝置-開關電源引入的電磁幹擾EMI分析

一、 形成電磁幹擾的基本要素

幹擾源發出電磁幹（gàn）擾能量，經過（guò）耦合途徑將幹（gàn）擾能量傳輸到敏感設備，使敏感設備的工作受到幹擾，這一作用過程稱為電磁幹（gàn）擾效應。形成（chéng）電磁幹擾必須具備下列三個基本要素：

1、電磁幹擾源（yuán）：指產生電（diàn）磁幹擾（rǎo）的任何元件、器件、設備、係統或自然現象（xiàng）。

2、耦（ǒu）合途徑（jìng）或稱耦合通道：指將電磁幹擾能量傳輸到受幹（gàn）擾設備的通路或媒（méi）介。

3、敏感（gǎn）設備：指受到（dào）電磁幹擾的設備（bèi），或者說對電磁幹擾（rǎo）發生影響的設備。

幹擾源的種類很（hěn）多，有自然幹擾源和人為幹（gàn）擾源。自然幹擾源包（bāo）括大氣幹（gàn）擾、雷（léi）電幹擾和宇宙幹擾。人為幹擾源包括（kuò）功能性幹擾及非功（gōng）能性幹擾。功能性（xìng）幹擾指係統中某一（yī）部分的正常工作所（suǒ）產生（shēng）的有用能量（liàng）對其它部分的幹擾，而非功能性幹擾指無用的電（diàn）磁能量所產生的幹擾，例如各種點火係（xì）統產生的幹擾。

幹擾的耦合途徑（jìng）分為兩類（lèi）：傳導耦合途徑和輻射耦合途徑。傳導耦合途徑要求在（zài）幹擾源與敏感設備之（zhī）間有完整的電路連接，該電路可包括（kuò）導線（xiàn）、供電電源、機架、接地平麵、互感或電容等，隻要（yào）一個返回通路將兩個電路直接連接起來，就會發生傳導耦合，此返回通路可以是另一根導線，也（yě）可以（yǐ）是公共接地（dì）回路、互感或電容（róng）。輻射耦合（hé）途（tú）徑是幹擾源的能（néng）量以（yǐ）電磁場的（de）形式（shì）傳播的，根據（jù）幹擾源與敏感設備的距離可分為近場耦合模式和（hé）遠場耦合模式，輻射耦（ǒu）合不僅存在於兩天線之間，設備的機殼、機（jī）殼的孔洞、傳輸線及元件之間都可能存（cún）在（zài）輻射耦合。

對於（yú）電磁幹擾的分析主要考慮以下幾個方麵：

1、幹擾的（de）頻率和時間。一般來說，出現了電磁幹擾，人們習（xí）慣於從（cóng）時域（yù）的方麵考慮，但是EMI通常（cháng）在頻域中研究。單獨在時域看，有時（shí）很難理解EMI問題，這就必（bì）須（xū）采用傅立葉變換轉換（huàn）到頻域進行分析。

2、幹擾的幅度。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有著直接的（de）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（shì）幹擾的重要因素，RF幹擾電流將產生電磁場，電磁場可以通過細縫傳播。

二、 電力電子裝置的發展及其電磁兼容性問題

電力電子裝（zhuāng）置作為電源（yuán）與控製設（shè）備，由於其進行電能變換時的率而在許多行業得到了廣泛的應用，如電力係統的高壓直（zhí）流輸電、有源濾波、超導儲能，交（jiāo）流電機的變頻（pín）調速，廣播（bō）、通信、宇航、衛星用的電源，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（gū）計，工業生產中70％的（de）電能都是通過電力電（diàn）子裝置變換後才為人類所利（lì）用。高頻技術（shù）的應用使電能轉換，特別是電（diàn）能的頻率轉（zhuǎn）換進入了更加自由（yóu）的時代，從而使電力電子裝（zhuāng）置在（zài）節約電能、降低原材料消耗、提高係統可靠性等方麵的優點得到（dào）了（le）更加充分的（de）體現。

在電力電子設備為人類生產（chǎn）、生活帶來（lái）巨大（dà）便利的同時，因其按開關工作方式，使它的電磁兼容性（xìng）能受（shòu）到挑戰。一方（fāng）麵，其不良的電磁兼容性能不僅對外造成幹擾，影響其它設備的正常工作，另一方麵，電力電子裝置本身（shēn）也會受到電磁幹擾的影響，使其可靠性下降。80年代後期，功率場控器件的實用化和高頻化，使電力電子裝置跨入高頻化、大容量化的時代。由於電力電子裝置換流過程中產生前（qián）後沿很陡的脈衝（di/dt可（kě）達1KA/us；dv/dt可達（dá）3KV/us），從而引發了嚴重的電磁幹擾。這些幹擾（rǎo）通過傳導和輻射的耦合方式，嚴重汙（wū）染周圍電磁環境和電源係統。 

隨著電子信息產業的發展，以開關變換器為核心的電力電子裝置正廣泛應用（yòng）於以電子計算機為主導的各種終（zhōng）端設備、通信設備。幾乎所有的電（diàn）子設備都需要（yào）使用電力電子裝置。美國VPEC（Virginia Power Electronic Center）1997年的年度報告指出：如果說是微處理器技術的進（jìn）步促使計算機主頻從（cóng）1985年的16MHz發展到今天的200MHz，那麽，下一步向GHz的飛躍主要（yào）取（qǔ）決於電力電子技術的發展。當芯（xīn）片以GHz工作時，電（diàn）源（yuán）必須以足夠高的匹配速（sù）度給邏輯門供（gòng）電（以Pentium pro為例，要求負（fù）載電流供應速度（dù）為30A/μs），這也是Intel不得不放慢Pentium微處（chù）理（lǐ）器的時鍾速度的（de）一個重要原因。所以，電力電子裝置的電磁兼容性問題急（jí）待解決。

90年代以來，電力電子器件作為推動電力電子技術發展的基礎，開始沿著大容量、高頻化、模塊化和功能集成的方向發展。日本的三菱、東芝，德國的西門子等公司的（de）高壓大電流器件不斷研製出來。如光控（kòng）SCR已有8000V/4000A的產品，IGBT已有6500V/2400A的模塊。器件的開關頻率也逐漸提高，如功率MOSFET開關（guān）頻率可高達幾（jǐ）兆（zhào）赫茲。器件的封（fēng）裝使模塊體積更（gèng）小，驅動、保護、檢測、控製等電路與器件高度集成。這些因素都要求更進一步的加強（qiáng）電力電子裝置電磁幹（gàn）擾特性及其防範的研究，特別（bié）是在設計階段，對（duì）新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重要的問題。

三、電力電子裝置引入的（de）電磁幹擾的源和傳播途徑

電力電子裝置在（zài）工作中，將發出強烈（liè）的電磁幹擾，該幹擾主要來自（zì）於半（bàn）導體開關器件，開關器件在開通和關斷中，由於電壓和電流在短時間內發生跳變，從而形成電磁幹擾。電力電子裝置產（chǎn）生的電磁幹擾源有（yǒu）以下幾個主要方麵：

1、dv/dt。在電力電子器件通斷瞬（shùn）間，電壓的跳變（biàn）會在電容上產生很大的充電或放電電流，實際的驅動電路和主電路都會存在雜散分布電容，1nF的電容就可以產（chǎn）生幾個（gè）安培的（de）電流瞬態脈衝，會對電力係統產生嚴重的電磁幹擾。

2、dv/dt。開（kāi）關器件在通斷瞬間的電流變化會在雜散電感上感應（yīng）出電（diàn）壓（yā），另外，有較大的dv/dt的電流（liú）環（huán）路也是一個輻射源，將對空間產生輻射電磁場。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（lì）60V的電壓幹擾（rǎo）。

3、PWM信號自身。逆變器中開關產生的PWM波形（xíng）除了有用的基波外，還含有大量的高次諧波，目前逆變器的開關（guān）頻率從幾KHz到（dào）幾（jǐ）百KHz，諧波頻率從幾百KHz到幾（jǐ）MHz。由於高次諧波（bō）的存在，PWM信號（hào）也會對周（zhōu）圍的設備產生輻射的影響。

4、控製電路（lù）。控製電路輸出的高頻脈（mò）衝時鍾波形也會產生一定的電磁幹擾（rǎo）。由於控製電（diàn）路的電壓（yā）比較低，產生的電磁幹擾也較小。

此（cǐ）外，非線性的元器件和電路也（yě）是幹（gàn）擾源之一，它們會使電路中的信號發生畸變，增加信號中的高頻成分。

電力電子裝置產生的電磁幹擾也是通過傳導和輻射耦合到敏感設備的。在（zài）電力電子裝置中，傳導是電力（lì）電子裝置幹（gàn）擾傳播的重要途徑，也是在電磁（cí）兼容中考（kǎo）慮（lǜ）得多的，由於對（duì）電力電（diàn）子裝置傳導幹擾一般考慮（lǜ）的至高頻率是30MHz，相（xiàng）應電磁波波（bō）長為10m，因（yīn）而對大多數電力電子裝置來講，可用集中參數電路進（jìn）行分（fèn）析。

根據傳導幹擾方式的（de）不同可以把電磁幹擾源分為共模（CM）和差模（DM）兩種（zhǒng）形式，它們產生的內部機理（lǐ）有所不同，考慮電力電子裝置對電網的電磁幹擾，共模幹擾是指通過相線、對地寄（jì）生電容，再由（yóu）地形成的回路的（de）幹擾，它主要是由較（jiào）高（gāo）的dv/dt與寄生電容間的相互作用而產生的高頻（pín）振蕩；差模幹擾是指相線之（zhī）間的幹擾，直接通過相線與電源形成回路，它主要是（shì）由電力（lì）電子裝置產生的脈動電流引（yǐn）起的，圖1示出了（le）差模和（hé）共模幹擾各自（zì）的回路，差模幹擾回路中有一個差模幹擾源VDM，該差模幹擾源通過相線（L）與中線（N）形成差模（mó）幹擾，差模幹擾電流為IDM；共模幹擾（rǎo）回路中（zhōng）有一（yī）個共模幹擾源VDM，該共模幹擾源（yuán）通過相線（xiàn）（L）、中線（xiàn）（N）與地線（E）形成共模幹擾回路，共模幹擾電流為（wéi）ICM。差模（mó）和共模回（huí）路的（de）區別在於差模電流隻在相線和中線之間流動，而（ér）共模電（diàn）流不但（dàn）流過相線（xiàn）和中線（xiàn），而且還流過地線。