電力電子（zǐ）裝置-開關電源引入的（de）電磁幹擾EMI分析

電力電子裝（zhuāng）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（běn）要素

幹擾源發出電磁幹擾能量，經過耦合途徑將幹擾（rǎo）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（diàn）磁（cí）幹擾效應。形成電磁幹（gàn）擾必須具備下列三個基本要素：

1、電磁（cí）幹擾源：指產生電磁（cí）幹擾的任何元件（jiàn）、器件、設備、係統或自然現象。

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

3、敏感設備：指受到電磁幹擾的設備，或者說對電磁幹擾發（fā）生（shēng）影響的設備。

幹擾源的種類很多，有自（zì）然幹擾源和（hé）人為（wéi）幹擾源。自然幹擾源包（bāo）括大氣幹擾、雷電幹擾和宇宙（zhòu）幹擾。人為幹擾源包括功能性幹擾（rǎo）及非功能性（xìng）幹擾。功能性幹擾指係統中某一部分的正（zhèng）常工作所產生的有用能量對其它部分的幹（gàn）擾，而非功能性幹擾指無（wú）用的電磁能量所產生的幹擾，例如各種（zhǒng）點火係統產生的幹擾。

幹擾的耦合途徑（jìng）分為兩類：傳導耦合途徑（jìng）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（diàn）路可包括導線（xiàn）、供（gòng）電電源、機架、接地平麵、互感或電（diàn）容等（děng），隻要一個返回通路將兩個電路直接連（lián）接（jiē）起來，就會發生傳導耦合，此返回通路（lù）可以是另一根導線，也可（kě）以是公共接（jiē）地回路、互感或電容。輻射耦合途徑是（shì）幹擾源的能量以電（diàn）磁場的形式傳播的，根據幹擾源（yuán）與敏感設備（bèi）的距離可分為近場耦合模式和遠場耦合模式，輻射耦合不僅存在於兩天（tiān）線之間，設備的機殼、機殼的孔洞、傳輸線及元件之間都可（kě）能存在輻射耦合。

對於（yú）電磁幹擾的分析主要考（kǎo）慮以下幾個方麵：

1、幹擾的（de）頻率和時間。一（yī）般來說，出現了電磁幹擾（rǎo），人們習慣於從時（shí）域的方麵考慮，但是EMI通常在頻域中研究（jiū）。單（dān）獨在時域看，有（yǒu）時很難理（lǐ）解EMI問題，這就必（bì）須采用傅立葉變換轉換到頻域進行分析。

2、幹擾的幅度。幹擾的幅度越大，幹擾自然也（yě）就越大。

3、發射源（yuán）、傳播路徑以及接收機的阻抗。幹擾電流與（yǔ）這些（xiē）阻抗（kàng）有著直接的關係（xì）。

4、尺寸。在考慮輻射問題（tí）時，射頻（RF）幹擾（rǎo）的波長與（yǔ）物理尺寸（cùn）是幹擾的重要因素，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

電力電子裝置（zhì）作為（wéi）電源與控製設備，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（yīng）用，如電力係統的（de）高壓直流輸電（diàn）、有源濾波、超導（dǎo）儲能，交流電機的變頻調速，廣播、通信、宇（yǔ）航、衛星用的電（diàn）源，各種工業動力設備、醫療（liáo）儀器、家用電（diàn）器的電（diàn）源等都要用到電力電子裝置。據估計，工業生產中70％的電能都（dōu）是通過電（diàn）力電子裝置變換後才為（wéi）人類所利用。高（gāo）頻技術的應用（yòng）使電能轉換（huàn），特別是電能的頻率轉換進入了更加自由的（de）時代，從而使電力電子（zǐ）裝置在節約電能、降低原（yuán）材料消耗、提高（gāo）係統（tǒng）可靠性等方麵的優點（diǎn）得到（dào）了更加充（chōng）分的體（tǐ）現。

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

隨著電（diàn）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於以電（diàn）子（zǐ）計算機為主導的各種終端設備、通信設備（bèi）。幾乎所有的電子設備都需要使用電力電子裝置。美國VPEC（Virginia Power Electronic Center）1997年的（de）年度報告指出：如果（guǒ）說（shuō）是微處理器技術的進步促使計算機主頻從1985年的16MHz發展到今天的（de）200MHz，那麽，下一步向GHz的飛躍主要取（qǔ）決於電力電子技術的發展。當芯片以GHz工作時，電源必須以足夠高的匹配速度給邏輯門供電（以Pentium pro為例，要求負載電流供應速度為30A/μs），這也是Intel不得不放慢Pentium微處理器的時鍾速度的一（yī）個重要原（yuán）因。所以，電（diàn）力電子裝置的電磁兼容性問題急待（dài）解決。

90年代以來，電力電子器（qì）件作為推動電力電（diàn）子技術發展的基礎，開始沿著大容量、高頻（pín）化、模塊化和功（gōng）能集成的方向發展（zhǎn）。日本的三菱、東芝，德國的西門子等公司（sī）的高壓大電流（liú）器件不（bú）斷研製出來（lái）。如光控SCR已有8000V/4000A的產品，IGBT已有6500V/2400A的模塊。器件的開關頻率（lǜ）也逐漸提高，如功率MOSFET開關頻率可（kě）高達幾兆赫茲。器件的封裝使模（mó）塊體積更小（xiǎo），驅動、保護、檢測、控製等（děng）電路與器件高度集成。這（zhè）些因（yīn）素都要求更進一步的加強電力電子裝（zhuāng）置電磁幹擾特性及其防（fáng）範的研究，特別是在設計階段，對新（xīn）裝置的幹擾特性進行預估（gū），縮短其開發周期，提高電力（lì）電子裝置的電磁兼容性就（jiù）成為至關重要的問題（tí）。

三、電力電子裝置引入的電磁幹擾的源和傳播（bō）途徑

電力電子裝置在工作中，將發出強烈的電磁幹擾，該幹擾主要（yào）來自於半導體開（kāi）關器件，開關（guān）器件在開通和關斷中，由於電壓和電流在短時間內（nèi）發生跳變，從而形成（chéng）電（diàn）磁幹擾。電力電（diàn）子裝置產（chǎn）生的電磁幹擾源有以下幾（jǐ）個主要方麵：

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

2、dv/dt。開關器件在通斷瞬間的電流變化會（huì）在雜散電感上（shàng）感應出電壓，另外，有較大的dv/dt的電流環路也是一個輻射源，將（jiāng）對空間產生輻射電磁場。在大功率驅動（dòng）係統中，dv/dt可達（dá）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（qì）中開關產生的PWM波形除了有用的基波外，還含有大量（liàng）的高次（cì）諧波，目前逆變器的（de）開關頻率從（cóng）幾KHz到幾百KHz，諧波頻率從（cóng）幾百KHz到幾MHz。由於高次（cì）諧波的存在，PWM信號也會對周圍的（de）設備產生（shēng）輻射的（de）影響。

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

此外，非線性的元器件和電路也是幹擾源之一，它們會使電路中的信號發生畸變（biàn），增加信（xìn）號中的（de）高頻成分。

電力電（diàn）子裝（zhuāng）置（zhì）產生的電磁幹擾也是通過（guò）傳導和輻射耦合到敏感設備的（de）。在（zài）電力電子裝置（zhì）中，傳導是電力電（diàn）子裝置幹擾傳播的重要途（tú）徑，也是在電磁兼容中考（kǎo）慮得多的，由於對電力電子裝置傳導幹擾（rǎo）一般考慮的至高頻率是30MHz，相（xiàng）應電（diàn）磁波波長為10m，因（yīn）而對大多（duō）數（shù）電力電子裝置來講，可用（yòng）集中參數電路進行分析。

根據（jù）傳（chuán）導幹擾方式的不同可以把電磁幹擾源（yuán）分為共模（CM）和差模（DM）兩種形式，它們產生的內部機理有所不同，考慮電力電子裝置對電網的（de）電磁幹擾，共模幹擾是指通過相線、對地寄生電容，再由地形成的回路的（de）幹擾，它主要是由較（jiào）高的dv/dt與寄生電（diàn）容間的相互作用而產生的高頻振蕩；差模幹擾是指相線之間（jiān）的幹擾，直接通過相線與電源形成回路，它主要是由電力電子裝置產生的脈動（dòng）電流引起的，圖1示出了差模和（hé）共模幹（gàn）擾各自的（de）回路，差（chà）模幹擾回路中有（yǒu）一個（gè）差（chà）模（mó）幹擾源VDM，該（gāi）差模幹擾源通過相線（L）與中線（N）形成差模幹擾，差模幹擾電（diàn）流為IDM；共模幹擾回（huí）路中有一個（gè）共模（mó）幹擾源VDM，該共模幹擾源通過相線（L）、中線（N）與（yǔ）地線（E）形成共模幹（gàn）擾回（huí）路，共（gòng）模幹擾電流為ICM。差模和共模回路的區別在於差模電流隻在相線和中線之間流動，而共模電流不但（dàn）流過相線和中線（xiàn），而且還流過地線。