電力電子裝置-開關電源引入的電磁干擾EMI分析

一、 形成電磁干擾的基本要素

干擾源發(fā)出電磁干擾能量，經(jīng)過耦合途徑將干擾能量傳輸?shù)矫舾性O備，使敏感設備的工作受到干擾，這一作用過程稱為電磁干擾效應。形成電磁干擾必須具備下列三個基本要素：

1、電磁干擾源：指產(chǎn)生電磁干擾的任何元件、器件、設備、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。

2、耦合途徑或稱耦合通道：指將電磁干擾能量傳輸?shù)绞芨蓴_設備的通路或媒介。

3、敏感設備：指受到電磁干擾的設備，或者說對電磁干擾發(fā)生影響的設備。

干擾源的種類很多，有自然干擾源和人為干擾源。自然干擾源包括大氣干擾、雷電干擾和宇宙干擾。人為干擾源包括功能性干擾及非功能性干擾。功能性干擾指系統(tǒng)中某一部分的正常工作所產(chǎn)生的有用能量對其它部分的干擾，而非功能性干擾指無用的電磁能量所產(chǎn)生的干擾，例如各種點火系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。

干擾的耦合途徑分為兩類：傳導耦合途徑和輻射耦合途徑。傳導耦合途徑要求在干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、接地平面、互感或電容等，只要一個返回通路將兩個電路直接連接起來，就會發(fā)生傳導耦合，此返回通路可以是另一根導線，也可以是公共接地回路、互感或電容。輻射耦合途徑是干擾源的能量以電磁場的形式傳播的，根據(jù)干擾源與敏感設備的距離可分為近場耦合模式和遠場耦合模式，輻射耦合不僅存在于兩天線之間，設備的機殼、機殼的孔洞、傳輸線及元件之間都可能存在輻射耦合。

對于電磁干擾的分析主要考慮以下幾個方面：

1、干擾的頻率和時間。一般來說，出現(xiàn)了電磁干擾，人們習慣于從時域的方面考慮，但是EMI通常在頻域中研究。單獨在時域看，有時很難理解EMI問題，這就必須采用傅立葉變換轉換到頻域進行分析。

2、干擾的幅度。干擾的幅度越大，干擾自然也就越大。

3、發(fā)射源、傳播路徑以及接收機的阻抗。干擾電流與這些阻抗有著直接的關系。

4、尺寸。在考慮輻射問題時，射頻（RF）干擾的波長與物理尺寸是干擾的重要因素，RF干擾電流將產(chǎn)生電磁場，電磁場可以通過細縫傳播。

二、 電力電子裝置的發(fā)展及其電磁兼容性問題

電力電子裝置作為電源與控制設備，由于其進行電能變換時的率而在許多行業(yè)得到了廣泛的應用，如電力系統(tǒng)的高壓直流輸電、有源濾波、超導儲能，交流電機的變頻調速，廣播、通信、宇航、衛(wèi)星用的電源，各種工業(yè)動力設備、醫(yī)療儀器、家用電器的電源等都要用到電力電子裝置。據(jù)估計，工業(yè)生產(chǎn)中70％的電能都是通過電力電子裝置變換后才為人類所利用。高頻技術的應用使電能轉換，特別是電能的頻率轉換進入了更加自由的時代，從而使電力電子裝置在節(jié)約電能、降低原材料消耗、提高系統(tǒng)可靠性等方面的優(yōu)點得到了更加充分的體現(xiàn)。

在電力電子設備為人類生產(chǎn)、生活帶來巨大便利的同時，因其按開關工作方式，使它的電磁兼容性能受到挑戰(zhàn)。一方面，其不良的電磁兼容性能不僅對外造成干擾，影響其它設備的正常工作，另一方面，電力電子裝置本身也會受到電磁干擾的影響，使其可靠性下降。80年代后期，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。由于電力電子裝置換流過程中產(chǎn)生前后沿很陡的脈沖（di/dt可達1KA/us；dv/dt可達3KV/us），從而引發(fā)了嚴重的電磁干擾。這些干擾通過傳導和輻射的耦合方式，嚴重污染周圍電磁環(huán)境和電源系統(tǒng)。 

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以開關變換器為核心的電力電子裝置正廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備。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年的年度報告指出：如果說是微處理器技術的進步促使計算機主頻從1985年的16MHz發(fā)展到今天的200MHz，那么，下一步向GHz的飛躍主要取決于電力電子技術的發(fā)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微處理器的時鐘速度的一個重要原因。所以，電力電子裝置的電磁兼容性問題急待解決。

90年代以來，電力電子器件作為推動電力電子技術發(fā)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(fā)展。日本的三菱、東芝，德國的西門子等公司的高壓大電流器件不斷研制出來。如光控SCR已有8000V/4000A的產(chǎn)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開關頻率可高達幾兆赫茲。器件的封裝使模塊體積更小，驅動、保護、檢測、控制等電路與器件高度集成。這些因素都要求更進一步的加強電力電子裝置電磁干擾特性及其防范的研究，特別是在設計階段，對新裝置的干擾特性進行預估，縮短其開發(fā)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電磁干擾的源和傳播途徑

電力電子裝置在工作中，將發(fā)出強烈的電磁干擾，該干擾主要來自于半導體開關器件，開關器件在開通和關斷中，由于電壓和電流在短時間內(nèi)發(fā)生跳變，從而形成電磁干擾。電力電子裝置產(chǎn)生的電磁干擾源有以下幾個主要方面：

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(chǎn)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)生幾個安培的電流瞬態(tài)脈沖，會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的電磁干擾。

2、dv/dt。開關器件在通斷瞬間的電流變化會在雜散電感上感應出電壓，另外，有較大的dv/dt的電流環(huán)路也是一個輻射源，將對空間產(chǎn)生輻射電磁場。在大功率驅動系統(tǒng)中，dv/dt可達2KA/us，30nH的雜散電感就可以激勵60V的電壓干擾。

3、PWM信號自身。逆變器中開關產(chǎn)生的PWM波形除了有用的基波外，還含有大量的高次諧波，目前逆變器的開關頻率從幾KHz到幾百KHz，諧波頻率從幾百KHz到幾MHz。由于高次諧波的存在，PWM信號也會對周圍的設備產(chǎn)生輻射的影響。

4、控制電路?？刂齐娐份敵龅母哳l脈沖時鐘波形也會產(chǎn)生一定的電磁干擾。由于控制電路的電壓比較低，產(chǎn)生的電磁干擾也較小。

此外，非線性的元器件和電路也是干擾源之一，它們會使電路中的信號發(fā)生畸變，增加信號中的高頻成分。

電力電子裝置產(chǎn)生的電磁干擾也是通過傳導和輻射耦合到敏感設備的。在電力電子裝置中，傳導是電力電子裝置干擾傳播的重要途徑，也是在電磁兼容中考慮得多的，由于對電力電子裝置傳導干擾一般考慮的至高頻率是30MHz，相應電磁波波長為10m，因而對大多數(shù)電力電子裝置來講，可用集中參數(shù)電路進行分析。

根據(jù)傳導干擾方式的不同可以把電磁干擾源分為共模（CM）和差模（DM）兩種形式，它們產(chǎn)生的內(nèi)部機理有所不同，考慮電力電子裝置對電網(wǎng)的電磁干擾，共模干擾是指通過相線、對地寄生電容，再由地形成的回路的干擾，它主要是由較高的dv/dt與寄生電容間的相互作用而產(chǎn)生的高頻振蕩；差模干擾是指相線之間的干擾，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(chǎn)生的脈動電流引起的，圖1示出了差模和共模干擾各自的回路，差模干擾回路中有一個差模干擾源VDM，該差模干擾源通過相線（L）與中線（N）形成差模干擾，差模干擾電流為IDM；共模干擾回路中有一個共模干擾源VDM，該共模干擾源通過相線（L）、中線（N）與地線（E）形成共模干擾回路，共模干擾電流為ICM。差模和共模回路的區(qū)別在于差模電流只在相線和中線之間流動，而共模電流不但流過相線和中線，而且還流過地線。