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可调直流电源变换器中EMI产生的机理及其抑制方

来源:美端电气 ??发布时间:2018-12-07 14:24

可调直流电源变换器中EMI产生的机理及其抑制方法

1  前言
   可调直流电源具有体积(volume)小、重量轻、效率高等特点,广泛(extensive)用于通信、自动控制(control)、家用电器、计算机等电子设备(shèbèi)中。但是,其缺点是可调直流电源在高频条件下工作,产生非常强的电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI),经传导和辐射会污染(pollute)周围电磁环(环状的导磁体)境,对电子设备造成影响。本文从可调直流电源的可调直流电源电路结构、器件进行分析(Analyse),探讨了电磁干扰产生的机理及其抑制方法。
2 可调直流电源(power supply)电磁干扰(EMI)产生的机理
   可调直流电源(power supply)的电磁干扰,按耦合(Coupling)途径来分,可分为传导干扰和辐射干扰。电池测试仪主要用于检测过电流、电压、容量、内阻、充电、放电温度、电池循环寿命,并给出曲线图。按噪声干扰源可分为两大类:一类是外部噪声,例如通过电网传输过来的共模和差模干扰、外部电磁辐射对可调直流电源控制可调直流电源电路的干扰等;另一类是可调直流电源自身产生的电磁干扰,如开关管、可调直流电源整流管的可调直流电源电流尖峰产生的谐波及电磁辐射干扰。其中外部噪声产生的影响可以通过可调直流电源滤波器进行衰减,本文不做讨论,仅讨论可调直流电源自身产生的电磁噪声。
常规交流输入的可调直流电源主要结构可以分为四大部分,其框图如图1所示。
   其中输入与可调直流电源整流滤波部分、高频逆变部分、输出可调直流电源整流与滤波部分是产生电磁干扰的主要来源。电池测试仪主要用于检测过电流、电压、容量、内阻、充电、放电温度、电池循环寿命,并给出曲线图。以下将通过对各部分可调直流电源电压(voltage)、可调直流电源电流(Electron flow)波形的分析(Analyse),阐明电磁噪声产生的原因。
2.1  工频可调直流电源整流器引起的电磁噪声
   一般可调直流电源(power supply)为容式滤波,在输入与可调直流电源整流滤波部分电磁噪声主要是由可调直流电源整流过程(process)中造成的可调直流电源电流尖峰、可调直流电源电压波动所引起的。电池容量测试仪是专门针对蓄电池组进行核对性放电实验、容量测试、电池组日常维护、工程验收以及其它直流电源带载能力的测试而设计。采用最新的无线通讯技术,通过PC机监控App可对蓄电池放电过程进行实时监测,监控每节电池的放电过程。正弦波可调直流电源经过可调直流电源滤波器进行差模、共模信号衰减后,由可调直流电源整流桥可调直流电源整流、电解电容滤波,得到的可调直流电源电压作为高频逆变部分的输入可调直流电源电压。由于滤波电容的存在,使可调直流电源整流器不象纯可调直流电源整流那样一组开通半个周期,而是只在正弦可调直流电源电压高于电容可调直流电源电压时才导通,造成可调直流电源电流波形非常陡峭,同时可调直流电源电压波形变得平缓。可调直流电源电流、可调直流电源电压的波形如图2所示。
   根据Fourier级数,图中的可调直流电源电流、可调直流电源电压波形可分解为直流分量和一系列频率为基波频率整数倍的正弦交流分量之和。蓄电池测试仪是专用于日常维护中对落后单体蓄电池处理的便携式产品,它具有三种独立的使用方式:电池放电方式,电池充电方式和电池活化方式。通过电磁场(定义:传递实物间磁力作用的场)(electromagnetic field)理论以及试验结果表明,谐波(特别是高次谐波)会产生传导干扰和辐射干扰。通过可调直流电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰,在空间产生电场、磁场向外辐射产生的干扰称之为辐射干扰。
2.2  变压器与开关管引起的电磁噪声
   逆变部分是开关稳压可调直流电源(power supply)的核心,用以实现变压、变频以及完成输出可调直流电源电压的调整,主要有开关管和高频变压器组成。电磁噪声主要是由于变压器的漏感(漏磁电感)、分布电容以及开关管的开通、关断造成。可调直流电源中的高频变压器用作隔离和变压,变压器在理论分析(Analyse)时,通常认为是理想变压器,但是在实际应用中变压器存在漏感,而且在高频的情况下,还要考虑变压器层间的分布电容。高频变压器的等效可调直流电源电路(Electric circuit)模型如图3所示。
   从图中可以看到变压器层间的分布电容使可调直流电源中的高频噪声很容易在初次级之间传递。蓄电池智能活化仪具有三种独立的使用方式:电池放电方式,电池充电方式和电池活化方式。可以针对不同落后电池的实际情况,对落后电池进行容量试验,智能式 充电,或设置多个循环周期作循环多次请充放电,以激化电池极板失效的活性物质使电池活化,提升落后电池的容量。而且如果电容滤波容量不足或高频特性不好,电容上的高频阻抗会使高频可调直流电源电流以差模方式通过变压器的寄生电容传到交流可调直流电源中。
   可调直流电源的体积、重量减小的根本原因是使功率半导体器件工作在高频开关状态,但导致的结果是产生了非常严重的电磁干扰。其原因是在工作过程(process)中产生高的di/dt和dv/dt,以及变压器(Transformer)漏感(漏磁电感),可调直流电源电路(Electric circuit)寄生电感与开关管寄生电容之间的高频震荡。可调直流电源中的可调直流电源电压(voltage)波形大多为接近矩形的周期波,比如开关管的驱动(Driver)波形、MOSFET漏源可调直流电源电压波形等。频率(frequency)高,一般在kHz以上,上升、下降时间短,dv/dt大,而且通过傅里叶展开以后,包含的谐波频率非常高,很容易污染周围的电磁环境。
   开关管(比如MOSFET )在开通关断时,也会造成很强的电磁干扰。由于变压器(Transformer)初级线圈漏感,可调直流电源电路寄生电感的存在,致使一部分能量没有从一次侧传输到二次侧,漏感中储存能量,关断瞬间可调直流电源电流发生突变,di/dt非常高,产生反电动势。由电磁场(定义:传递实物间磁力作用的场)理论可知:E=-Ldi/dt。

  

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