開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行中的電磁、干擾及其抑制

1、開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行中的電磁、干擾及其抑制    開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的干擾電壓是在電網(wǎng)和開(kāi)關(guān)電源之間加入LISN的50的電阻上測(cè)得的。圖1是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)VDE和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)FCC規(guī)定的開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)傳導(dǎo)干擾的極限。標(biāo)準(zhǔn)又有A類(lèi)和B類(lèi)之分。A類(lèi)是針對(duì)那些用在工業(yè)、商業(yè)和辦公環(huán)境的裝置的，B類(lèi)則是針對(duì)那些用于民居的裝置而設(shè)立的，B類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)則要求更高。圖1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電源傳導(dǎo)發(fā)射的極限常用的減小對(duì)電網(wǎng)干擾的方法有以下幾種。1）減少開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中產(chǎn)生的電壓跳變的過(guò)沖減少電壓過(guò)沖既可以避開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的干擾電壓是在電網(wǎng)和開(kāi)關(guān)電源之間加入LISN的50的電阻上測(cè)得的。圖1是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)VDE

2、和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)FCC規(guī)定的開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)傳導(dǎo)干擾的極限。標(biāo)準(zhǔn)又有A類(lèi)和B類(lèi)之分。A類(lèi)是針對(duì)那些用在工業(yè)、商業(yè)和辦公環(huán)境的裝置的，B類(lèi)則是針對(duì)那些用于民居的裝置而設(shè)立的，B類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)則要求更高。圖1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電源傳導(dǎo)發(fā)射的極限常用的減小對(duì)電網(wǎng)干擾的方法有以下幾種。1）減少開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中產(chǎn)生的電壓跳變的過(guò)沖減少電壓過(guò)沖既可以避免開(kāi)關(guān)管承受過(guò)高的電壓，又可以減小對(duì)電網(wǎng)的高頻噪聲（見(jiàn)圖2）。選擇反向恢復(fù)電流小的二極管（如碳化硅二極管）也是一種減小干擾源強(qiáng)度的可行方法。雖然調(diào)整觸發(fā)脈沖的跳變沿和加大柵極的電阻等可以降低|du/dt|，但這會(huì)加大開(kāi)關(guān)損耗和降低整個(gè)裝置的效率，需要從開(kāi)關(guān)電源的各項(xiàng)性能來(lái)綜合考慮

3、。2）調(diào)制策略上的改進(jìn)將頻率不變的調(diào)制改變?yōu)殡S機(jī)調(diào)制（Random Modulation）、變頻調(diào)制（SwitchingFreguency Modulation）和所謂“”調(diào)制等。頻率固定不變的調(diào)制脈沖產(chǎn)生的干擾低頻段主要是調(diào)制頻率的諧波干擾，低頻段的干擾主要是集中在各諧波點(diǎn)上，隨機(jī)調(diào)制等三種方法產(chǎn)生的低頻干擾則分散在一定的頻段上，因此，采用這些措施是有利于開(kāi)關(guān)電源通過(guò)電磁干擾的頻譜特性測(cè)試，使之符合電源的電磁標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上對(duì)這一方面的研究也是比較多的。例如，采用頻率抖動(dòng)技術(shù)來(lái)減小電磁干擾，就是采用的這種方法：TOPGX系列芯片是一種內(nèi)部集成了PWM控制電路和MOSFET的功能芯片。工作頻率為1

4、32kHz，并周期性地以132kHz為中心上下變動(dòng)4kHz，如圖2a）所示。在4ms周期（頻率為250Hz）內(nèi)，完成一次從128136 kHz之間的頻率抖動(dòng)，其頻率變化和開(kāi)關(guān)電壓的波形如圖2（a）所示。采用相同的外圍電路進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，當(dāng)初級(jí)峰值電流相同時(shí)，采用頻率抖動(dòng)技術(shù)的電源其EMI測(cè)量的結(jié)果如圖2（c）所示，而未采用頻率抖動(dòng)技術(shù)的電源其EMI測(cè)量的結(jié)果如圖2（b）所示。通過(guò)比較（b）、（c）兩圖的準(zhǔn)峰值（QP）和平均值（AV）可知，未采用頻率抖動(dòng)技術(shù)時(shí)，各次諧波較窄雨且離散，諧波在頻率處的幅值較高；采用頻率抖動(dòng)技術(shù)時(shí)，諧波幅值降低了并且變得平滑，高次諧波接近連續(xù)響應(yīng)。減小EMI的效果十分明

5、顯。圖2 頻率抖動(dòng)技術(shù)及對(duì)減小EMI的作用3）增加輸入濾波器前兩種方法是從減小干擾源的強(qiáng)度著手的，而增加濾波器則是考慮改變耦合通道的特性。如前所述，增加共模濾波器可以減小開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的干擾。從圖3可知，無(wú)輸入濾波器，電源對(duì)電網(wǎng)的干擾已經(jīng)越過(guò)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。加人輸入濾波器以后，此電源對(duì)電網(wǎng)的干擾就符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)了。在測(cè)量時(shí)，考慮到開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的低頻段（10150kHz）干擾主要是開(kāi)關(guān)頻率整數(shù)倍的各次諧波，故掃描儀的頻帶分辨率為200Hz，而在150kHz30MHz頻段，頻帶的分辨率為9kHz。圖3 有、無(wú)輸入濾波器對(duì)電網(wǎng)干擾的比較此外，適當(dāng)?shù)钠帘我部梢詼p小開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的干擾。需要指出的是：電

6、源通過(guò)電磁兼容的測(cè)試鑒定，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，和電源在使用過(guò)程中會(huì)不會(huì)引起不允許的干擾是兩回事。達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的電源使用或處理不當(dāng)，在使用中引起嚴(yán)重的干擾是完全可能的。開(kāi)關(guān)電源既是一個(gè)電源裝置，也是一個(gè)噪聲發(fā)生裝置。它和受擾體之間是通過(guò)耦合通道連接在一起的，顯然耦合通道的特性與受擾體的特性配合不好而引起嚴(yán)重的干擾是可能的，開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電引起整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象也是實(shí)際存在事實(shí)。有的受擾體對(duì)干擾波形敏感，如有的文獻(xiàn)所指出的，有的數(shù)字電路在干擾脈沖的作用下，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作與波形有關(guān)，即不僅與脈沖的幅度有關(guān)，而且還與脈寬有關(guān)。即使開(kāi)關(guān)電源達(dá)到了圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)，但它對(duì)外產(chǎn)生干擾的波形引起嚴(yán)重的干擾問(wèn)題仍是可

7、能的。基于以上的考慮，有的開(kāi)關(guān)電源用戶(hù)，除了要按標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性能外，還要增加一些在開(kāi)關(guān)電源的特定的使用條件下的某些干擾性能的檢測(cè)，如紐約地鐵公司就是這樣做的。此外，有的開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)、所產(chǎn)生的電壓、電流跳變是不同的，開(kāi)通時(shí)產(chǎn)生的|du/dt|大于關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的|du/dt|，對(duì)外產(chǎn)生的干擾也是前者大于后者。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了這一點(diǎn)。一臺(tái)IGBT組成的逆變電源，供電給電動(dòng)機(jī)，在圖4（a）中上面的曲線為IGBT開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)電源內(nèi)某兩處的電流波形；圖4（b）為電源外部電動(dòng)機(jī)的接地電流波形。由圖可知，逆變電源IGBT開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)的電流跳變（無(wú)論是電源內(nèi)部或是電源外部的接地電流）均遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)的電流跳變。而且開(kāi)通時(shí)的跳變與負(fù)載等基本無(wú)關(guān)。如果采用隨如調(diào)制電源和固定頻率調(diào)制的電源，兩者開(kāi)關(guān)器件（如IGBT）驅(qū)動(dòng)回路的參數(shù)和驅(qū)動(dòng)脈沖都相同，因此兩者的開(kāi)關(guān)電壓