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大功率直流电源电磁干扰EMI有哪些抑制措施?

1、大功率直流电源EMI滤波器的电路设计

当大功率直流电源的谐波电平在低频段(频率范围0.15~30MHz)表现在电源线上时,称之为传导干扰。要抑制传导干扰相对比较容易,只要使用适当的EMI滤波器,就能将其在电源线上的EMI信号电平抑制在相关标准规定的限值内。

要使EMI滤波器对EMI信号有最佳的衰减性能,则滤波器阻抗应与电源阻抗失配,越失配,实现的衰减越理想,得到的插入损耗特性就越好。也就是说,如果噪音源内阻是低阻抗的,则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗(如电感量很大的串联电感);如果噪音源内阻是高阻抗的,则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗(如容量很大的并联电容)。这个原则也是设计抑制大功率直流电源EMI滤波器必须遵循的。

几乎所有设备的传导干扰都包含共模噪音和差模噪音,大功率直流电源也不例外。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的;而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常,线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。由于线路阻抗的不平衡,两种分量在传输中会互相转变,情况十分复杂。典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路,如图1所示。

大功率直流电源电磁干扰EMI有哪些抑制措施?

图1 电源滤波器

图中:

差模抑制电容Cx1、Cx2:0.1~0.47μF;

差模抑制电感L1、L2:100~130μH;

共模抑制电容Cy1、Cy2:<10000pF;

共模抑制电感L:15~25mH。

设计时,必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于大功率直流电源的工作频率,一般要低于10kHz,即

大功率直流电源电磁干扰EMI有哪些抑制措施?

在实际使用中,由于设备所产生的共模和差模的成分不一样,可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI试验后才能有满意的结果,安装滤波电路时一定要保证接地良好,并且输入端和输出端要良好隔离,否则,起不到滤波的效果。

大功率直流电源所产生的干扰以共模干扰为主,在设计滤波电路时可尝试去掉差模电感,再增加一级共模滤波电感。常采用如图2所示的滤波电路,可使大功率直流电源的传导干扰下降近30dB,比CISOR22标准的限值低了近6dB以上。

还有一个设计原则是不要过于追求滤波效果而造成成本过高,只要达到EMC标准的限值要求并有一定的余量(一般可控制在6dB左右)即可。

大功率直流电源电磁干扰EMI有哪些抑制措施?

图2 电源滤波器


2、辐射EMI的抑制措施

如前所述,大功率直流电源是一个很强的骚扰源,它来源于开关器件的高频通断和输出整流二极管反向恢复。很强的电磁骚扰信号通过空间辐射和电源线的传导而干扰邻近的敏感设备。除了功率开关管和高频整流二极管外,产生辐射干扰的主要元器件还有脉冲变压器及滤波电感等。

虽然,功率开关管的快速通断给大功率直流电源带来了更高的效益,但是,也带来了更强的高频辐射。要降低辐射干扰,可应用电压缓冲电路,如在开关管两端并联RCD缓冲电路(如图3所示),或电流缓冲电路,如在开关管的集电极上串联20

~80μH的电感。电感在功率开关管导通时能避免集电极电流突然增大,同时也可以减少整流电路中冲击电流的影响。

大功率直流电源电磁干扰EMI有哪些抑制措施?

图3 R-C-D吸收电路

功率开关管的集电极是一个强干扰源,开关管的散热片应接到开关管的发射极上,以确保集电极与散热片之间由于分布电容而产生的电流流入主电路中。为减少散热片和机壳的分布电容,散热片应尽量远离机壳,如有条件的话,可采用有屏蔽措施的开关管散热片。

大功率直流电源电磁干扰EMI有哪些抑制措施?

图4 RC缓冲电路

整流二极管应采用恢复电荷小,且反向恢复时间短的,如肖特基管,最好是选用反向恢复呈软特性的。另外在肖特基管两端套磁珠和并联RC吸收网络均可减少干扰,电阻、电容的取值可为几Ω和数千pF,电容引线应尽可能短,以减少引线电感。实际使用中一般采用具有软恢复特性的整流二极管,并在二极管两端并接小电容来消除电路的寄生振荡(如图4所示)。

负载电流越大,续流结束时流经整流二极管的电流也越大,二极管反向恢复的时间也越长,则尖峰电流的影响也越大。采用多个整流二极管并联来分担负载电流,可以降低短路尖峰电流的影响。

大功率直流电源必须屏蔽,采用模块式全密封结构,建议用1mm以上厚度的镀锌钢板,屏蔽层必须良好接地。在高频脉冲变压器初、次级之间加一屏蔽层并接地,可以抑制干扰的电场耦合。将高频脉冲变压器、输出滤波电感等磁性元件加上屏蔽罩,可以将磁力线限制在磁阻小的屏蔽体内。

根据以上设计思路,对辐射干扰超过标准限值20dB左右的某大功率直流电源,采用了一些在实验室容易实现的措施,进行了如下的改进:

(1)在所有整流二极管两端并470pF电容;

(2)在开关管G极的输入端并50pF电容,与原有的39Ω电阻形成一RC低通滤波器;

(3)在各输出滤波电容(电解电容)上并一0.01μF电容;(4)在整流二极管管脚上套一小磁珠;

(5)改善屏蔽体的接地。

经过上述改进后,该电源就可以通过辐射干扰测试的限值要求。


3、EMI滤波器的发展趋势

90年代以来,随着电子设备小型化和表面组装技术的发展,电子元器件向小型化、片式化、复合化、多功能和高性能化发展,各种表面组装元件逐渐成为电子元件的主流产品。因此,目前摆在传统EMI滤波器面前的一个不可回避的问题是如何适应电子设备小型化的发展需求。目前,国际片式EMI滤波器以信号滤波器为主,可运用于电源的EMI滤波器较少。有效抑制大功率直流电源噪声的新一代EMI滤波器应该是由有效的共、差模扼流圈和若干电容组成的相关电路,为了减小体积,这些电感、电容元件应尽可能采用片式元件。以采用片式电容、电感为主的新一代EMI滤波器的出现和发展将是历史的必然。与标准模块电源的发展历史一样,新一代EMI滤波器也应该向标准模式电路的方向发展。由于目前直流系列片式电容发展迅速,所以新一代直流系列EMI滤波器的发展有可能成为现实。


4、结束语

大功率直流电源技术是一项综合性技术,可以利用先进的半导体电路设计技术、磁性材料、电感元件技术以及开关器件技术等来有效地减少和抑制EMI。目前,大功率直流电源已日益广泛地应用到各种控制设备、通信设备以及家用电器中,其电磁干扰问题及与其它电子设备的电磁兼容问题已日益成为人们关注的热点,未来电磁干扰及其相关问题必将得到更多的研究。

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