電力電子裝置-開(kāi)關(guān)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(guò)耦合途徑將干擾能量傳輸?shù)矫舾性O(shè)備，使敏感設(shè)備的工作受到干擾，這一作用過(guò)程稱為電磁干擾效應(yīng)。形成電磁干擾必須具備下列三個(gè)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(shè)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(shè)備的通路或媒介。

3、敏感設(shè)備：指受到電磁干擾的設(shè)備，或者說(shuō)對(duì)電磁干擾發(fā)生影響的設(shè)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(duì)其它部分的干擾，而非功能性干擾指無(wú)用的電磁能量所產(chǎn)生的干擾，例如各種點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。

干擾的耦合途徑分為兩類：傳導(dǎo)耦合途徑和輻射耦合途徑。傳導(dǎo)耦合途徑要求在干擾源與敏感設(shè)備之間有完整的電路連接，該電路可包括導(dǎo)線、供電電源、機(jī)架、接地平面、互感或電容等，只要一個(gè)返回通路將兩個(gè)電路直接連接起來(lái)，就會(huì)發(fā)生傳導(dǎo)耦合，此返回通路可以是另一根導(dǎo)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(chǎng)的形式傳播的，根據(jù)干擾源與敏感設(shè)備的距離可分為近場(chǎng)耦合模式和遠(yuǎn)場(chǎng)耦合模式，輻射耦合不僅存在于兩天線之間，設(shè)備的機(jī)殼、機(jī)殼的孔洞、傳輸線及元件之間都可能存在輻射耦合。

對(duì)于電磁干擾的分析主要考慮以下幾個(gè)方面：

1、干擾的頻率和時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)了電磁干擾，人們習(xí)慣于從時(shí)域的方面考慮，但是EMI通常在頻域中研究。單獨(dú)在時(shí)域看，有時(shí)很難理解EMI問(wèn)題，這就必須采用傅立葉變換轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)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(jī)的阻抗。干擾電流與這些阻抗有著直接的關(guān)系。

4、尺寸。在考慮輻射問(wèn)題時(shí)，射頻（RF）干擾的波長(zhǎng)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(chǎng)，電磁場(chǎng)可以通過(guò)細(xì)縫傳播。

二、 電力電子裝置的發(fā)展及其電磁兼容性問(wèn)題

電力電子裝置作為電源與控制設(shè)備，由于其進(jìn)行電能變換時(shí)的率而在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，如電力系統(tǒng)的高壓直流輸電、有源濾波、超導(dǎo)儲(chǔ)能，交流電機(jī)的變頻調(diào)速，廣播、通信、宇航、衛(wèi)星用的電源，各種工業(yè)動(dòng)力設(shè)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(jì)，工業(yè)生產(chǎn)中70％的電能都是通過(guò)電力電子裝置變換后才為人類所利用。高頻技術(shù)的應(yīng)用使電能轉(zhuǎn)換，特別是電能的頻率轉(zhuǎn)換進(jìn)入了更加自由的時(shí)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(diǎn)得到了更加充分的體現(xiàn)。

在電力電子設(shè)備為人類生產(chǎn)、生活帶來(lái)巨大便利的同時(shí)，因其按開(kāi)關(guān)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(duì)外造成干擾，影響其它設(shè)備的正常工作，另一方面，電力電子裝置本身也會(huì)受到電磁干擾的影響，使其可靠性下降。80年代后期，功率場(chǎng)控器件的實(shí)用化和高頻化，使電力電子裝置跨入高頻化、大容量化的時(shí)代。由于電力電子裝置換流過(guò)程中產(chǎn)生前后沿很陡的脈沖（di/dt可達(dá)1KA/us；dv/dt可達(dá)3KV/us），從而引發(fā)了嚴(yán)重的電磁干擾。這些干擾通過(guò)傳導(dǎo)和輻射的耦合方式，嚴(yán)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(kāi)關(guān)變換器為核心的電力電子裝置正廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備。幾乎所有的電子設(shè)備都需要使用電力電子裝置。美國(guó)VPEC（Virginia Power Electronic Center）1997年的年度報(bào)告指出：如果說(shuō)是微處理器技術(shù)的進(jìn)步促使計(jì)算機(jī)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(shù)的發(fā)展。當(dāng)芯片以GHz工作時(shí)，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(fù)載電流供應(yīng)速度為30A/μs），這也是Intel不得不放慢Pentium微處理器的時(shí)鐘速度的一個(gè)重要原因。所以，電力電子裝置的電磁兼容性問(wèn)題急待解決。

90年代以來(lái)，電力電子器件作為推動(dòng)電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，開(kāi)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(guó)的西門子等公司的高壓大電流器件不斷研制出來(lái)。如光控SCR已有8000V/4000A的產(chǎn)品，IGBT已有6500V/2400A的模塊。器件的開(kāi)關(guān)頻率也逐漸提高，如功率MOSFET開(kāi)關(guān)頻率可高達(dá)幾兆赫茲。器件的封裝使模塊體積更小，驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、檢測(cè)、控制等電路與器件高度集成。這些因素都要求更進(jìn)一步的加強(qiáng)電力電子裝置電磁干擾特性及其防范的研究，特別是在設(shè)計(jì)階段，對(duì)新裝置的干擾特性進(jìn)行預(yù)估，縮短其開(kāi)發(fā)周期，提高電力電子裝置的電磁兼容性就成為至關(guān)重要的問(wèn)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(qiáng)烈的電磁干擾，該干擾主要來(lái)自于半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通和關(guān)斷中，由于電壓和電流在短時(shí)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(gè)主要方面：

1、dv/dt。在電力電子器件通斷瞬間，電壓的跳變會(huì)在電容上產(chǎn)生很大的充電或放電電流，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電路和主電路都會(huì)存在雜散分布電容，1nF的電容就可以產(chǎn)生幾個(gè)安培的電流瞬態(tài)脈沖，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。

2、dv/dt。開(kāi)關(guān)器件在通斷瞬間的電流變化會(huì)在雜散電感上感應(yīng)出電壓，另外，有較大的dv/dt的電流環(huán)路也是一個(gè)輻射源，將對(duì)空間產(chǎn)生輻射電磁場(chǎng)。在大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，dv/dt可達(dá)2KA/us，30nH的雜散電感就可以激勵(lì)60V的電壓干擾。

3、PWM信號(hào)自身。逆變器中開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(hào)也會(huì)對(duì)周圍的設(shè)備產(chǎn)生輻射的影響。

4、控制電路。控制電路輸出的高頻脈沖時(shí)鐘波形也會(huì)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(huì)使電路中的信號(hào)發(fā)生畸變，增加信號(hào)中的高頻成分。

電力電子裝置產(chǎn)生的電磁干擾也是通過(guò)傳導(dǎo)和輻射耦合到敏感設(shè)備的。在電力電子裝置中，傳導(dǎo)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(duì)電力電子裝置傳導(dǎo)干擾一般考慮的至高頻率是30MHz，相應(yīng)電磁波波長(zhǎng)為10m，因而對(duì)大多數(shù)電力電子裝置來(lái)講，可用集中參數(shù)電路進(jìn)行分析。

根據(jù)傳導(dǎo)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(jī)理有所不同，考慮電力電子裝置對(duì)電網(wǎng)的電磁干擾，共模干擾是指通過(guò)相線、對(duì)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(guò)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(dòng)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(gè)差模干擾源VDM，該差模干擾源通過(guò)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(gè)共模干擾源VDM，該共模干擾源通過(guò)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(dòng)，而共模電流不但流過(guò)相線和中線，而且還流過(guò)地線。