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開關(guān)電源運行中的電磁、干擾及其抑制

發(fā)布時間:2008/10/10 0:00:00 訪問次數(shù):527

  開關(guān)電源對電網(wǎng)的干擾電壓是在電網(wǎng)和開關(guān)電源之間加入lisn的50ω的電阻上測得的。圖1是德國標(biāo)準(zhǔn)vde和美國標(biāo)準(zhǔn)fcc規(guī)定的開關(guān)電源對電網(wǎng)傳導(dǎo)干擾的極限。標(biāo)準(zhǔn)又有a類和b類之分。a類是針對那些用在工業(yè)、商業(yè)和辦公環(huán)境的裝置的,b類則是針對那些用于民居的裝置而設(shè)立的,b類的標(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

  常用的減小對電網(wǎng)干擾的方法有以下幾種。

  1)減少開關(guān)動作過程中產(chǎn)生的電壓跳變的過沖

  減少電壓過沖既可以避免開關(guān)管承受過高的電壓,又可以減小對電網(wǎng)的高頻噪聲(見圖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|,但這會加大開關(guān)損耗和降低整個裝置的效率,需要從開關(guān)電源的各項性能來綜合考慮。

  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上,隨機調(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關(guān)電源通過電磁干擾的頻譜特性測試,使之符合電源的電磁標(biāo)準(zhǔn)。國際上對這一方面的研究也是比較多的。

  例如,采用頻率抖動技術(shù)來減小電磁干擾,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132khz,并周期性地以132khz為中心上下變動4khz,如圖2a)所示。在4ms周期(頻率為250hz)內(nèi),完成一次從128~136 khz之間的頻率抖動,其頻率變化和開關(guān)電壓的波形如圖2(a)所示。

  采用相同的外圍電路進(jìn)行對比測量,當(dāng)初級峰值電流相同時,采用頻率抖動技術(shù)的電源其emi測量的結(jié)果如圖2(c)所示,而未采用頻率抖動技術(shù)的電源其emi測量的結(jié)果如圖2(b)所示。通過比較(b)、(c)兩圖的準(zhǔn)峰值(qp)和平均值(av)可知,未采用頻率抖動技術(shù)時,各次諧波較窄雨且離散,諧波在頻率處的幅值較高;采用頻率抖動技術(shù)時,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的效果十分明顯。


  圖2 頻率抖動技術(shù)及對減小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關(guān)電源對電網(wǎng)的干擾。從圖3可知,無輸入濾波器,電源對電網(wǎng)的干擾已經(jīng)越過了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。加人輸入濾波器以后,此電源對電網(wǎng)的干擾就符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)了。在測量時,考慮到開關(guān)電源對電網(wǎng)的低頻段(10~150khz)干擾主要是開關(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150khz~30mhz頻段,頻帶的分辨率為9khz。


  圖3 有、無輸入濾波器對電網(wǎng)干擾的比較

  此外,適當(dāng)?shù)钠帘我部梢詼p小開關(guān)電源對電網(wǎng)的干擾。

  需要指出的是:電源通過電磁兼容的測試鑒定,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求,和電源在使用過程中會不會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。開關(guān)電源既是一個電源裝置,也是一個噪聲發(fā)生裝置。它和受擾體之間是通過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,開關(guān)電源并聯(lián)供電引起整個系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象也是實際存在事實。

  有的受擾體對干擾波形敏感,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,會不會產(chǎn)生誤動作與波形有關(guān),即不僅與脈沖的幅度有關(guān),而且還與脈寬有關(guān)。即使開關(guān)電源達(dá)到了圖1所示的標(biāo)準(zhǔn),但它對外產(chǎn)生干擾的波形引起嚴(yán)重的干擾問題仍是可能的。

  基于以上的考慮,有的開關(guān)電源用戶,除了要按標(biāo)準(zhǔn)檢測開關(guān)電源的電磁兼容性能外,還要增加一些在開關(guān)電源的特定的使用條件下的某些干擾性能的檢測,如紐約地鐵公司就是這樣做的。

  此外,有的開關(guān)器件在開通和關(guān)斷時、所產(chǎn)生的電壓、電流跳變是不同的,開通時產(chǎn)生的|du/dt|大于關(guān)斷時產(chǎn)生的|du/dt|,對外產(chǎn)生的干擾也是前者大于后者。實驗結(jié)果表明了這一點。一臺igbt組成的逆變電源,供電給電動機,在圖4(a)中上面的曲線為igbt開關(guān)動作時電源內(nèi)某兩處的電流波形;圖4(b)為電源外部電動機的接地電流波形。由圖可知,逆變電源igbt開關(guān)關(guān)斷時的電流跳變(無論是電源內(nèi)部或是電源外部的接地電流)均遠(yuǎn)小于開關(guān)開通時的電流跳變。而且開通時的跳變與負(fù)載等

  開關(guān)電源對電網(wǎng)的干擾電壓是在電網(wǎng)和開關(guān)電源之間加入lisn的50ω的電阻上測得的。圖1是德國標(biāo)準(zhǔn)vde和美國標(biāo)準(zhǔn)fcc規(guī)定的開關(guān)電源對電網(wǎng)傳導(dǎo)干擾的極限。標(biāo)準(zhǔn)又有a類和b類之分。a類是針對那些用在工業(yè)、商業(yè)和辦公環(huán)境的裝置的,b類則是針對那些用于民居的裝置而設(shè)立的,b類的標(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

  常用的減小對電網(wǎng)干擾的方法有以下幾種。

  1)減少開關(guān)動作過程中產(chǎn)生的電壓跳變的過沖

  減少電壓過沖既可以避免開關(guān)管承受過高的電壓,又可以減小對電網(wǎng)的高頻噪聲(見圖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|,但這會加大開關(guān)損耗和降低整個裝置的效率,需要從開關(guān)電源的各項性能來綜合考慮。

  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上,隨機調(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關(guān)電源通過電磁干擾的頻譜特性測試,使之符合電源的電磁標(biāo)準(zhǔn)。國際上對這一方面的研究也是比較多的。

  例如,采用頻率抖動技術(shù)來減小電磁干擾,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132khz,并周期性地以132khz為中心上下變動4khz,如圖2a)所示。在4ms周期(頻率為250hz)內(nèi),完成一次從128~136 khz之間的頻率抖動,其頻率變化和開關(guān)電壓的波形如圖2(a)所示。

  采用相同的外圍電路進(jìn)行對比測量,當(dāng)初級峰值電流相同時,采用頻率抖動技術(shù)的電源其emi測量的結(jié)果如圖2(c)所示,而未采用頻率抖動技術(shù)的電源其emi測量的結(jié)果如圖2(b)所示。通過比較(b)、(c)兩圖的準(zhǔn)峰值(qp)和平均值(av)可知,未采用頻率抖動技術(shù)時,各次諧波較窄雨且離散,諧波在頻率處的幅值較高;采用頻率抖動技術(shù)時,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的效果十分明顯。


  圖2 頻率抖動技術(shù)及對減小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關(guān)電源對電網(wǎng)的干擾。從圖3可知,無輸入濾波器,電源對電網(wǎng)的干擾已經(jīng)越過了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。加人輸入濾波器以后,此電源對電網(wǎng)的干擾就符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)了。在測量時,考慮到開關(guān)電源對電網(wǎng)的低頻段(10~150khz)干擾主要是開關(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150khz~30mhz頻段,頻帶的分辨率為9khz。


  圖3 有、無輸入濾波器對電網(wǎng)干擾的比較

  此外,適當(dāng)?shù)钠帘我部梢詼p小開關(guān)電源對電網(wǎng)的干擾。

  需要指出的是:電源通過電磁兼容的測試鑒定,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求,和電源在使用過程中會不會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。開關(guān)電源既是一個電源裝置,也是一個噪聲發(fā)生裝置。它和受擾體之間是通過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,開關(guān)電源并聯(lián)供電引起整個系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象也是實際存在事實。

  有的受擾體對干擾波形敏感,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,會不會產(chǎn)生誤動作與波形有關(guān),即不僅與脈沖的幅度有關(guān),而且還與脈寬有關(guān)。即使開關(guān)電源達(dá)到了圖1所示的標(biāo)準(zhǔn),但它對外產(chǎn)生干擾的波形引起嚴(yán)重的干擾問題仍是可能的。

  基于以上的考慮,有的開關(guān)電源用戶,除了要按標(biāo)準(zhǔn)檢測開關(guān)電源的電磁兼容性能外,還要增加一些在開關(guān)電源的特定的使用條件下的某些干擾性能的檢測,如紐約地鐵公司就是這樣做的。

  此外,有的開關(guān)器件在開通和關(guān)斷時、所產(chǎn)生的電壓、電流跳變是不同的,開通時產(chǎn)生的|du/dt|大于關(guān)斷時產(chǎn)生的|du/dt|,對外產(chǎn)生的干擾也是前者大于后者。實驗結(jié)果表明了這一點。一臺igbt組成的逆變電源,供電給電動機,在圖4(a)中上面的曲線為igbt開關(guān)動作時電源內(nèi)某兩處的電流波形;圖4(b)為電源外部電動機的接地電流波形。由圖可知,逆變電源igbt開關(guān)關(guān)斷時的電流跳變(無論是電源內(nèi)部或是電源外部的接地電流)均遠(yuǎn)小于開關(guān)開通時的電流跳變。而且開通時的跳變與負(fù)載等

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