開關(guān)電源遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾的產(chǎn)生機(jī)理研究結(jié)題摘要

本項(xiàng)目研究了開關(guān)電源遠(yuǎn)場(chǎng)輻射電磁干擾（EMI）噪聲的產(chǎn)生機(jī)制、耦合機(jī)理、以及抑制技術(shù)，鑒于共模電流是導(dǎo)致開關(guān)電源及相關(guān)電力電子系統(tǒng)產(chǎn)生電磁輻射的根源，重點(diǎn)研究了共模電流的建模及抑制技術(shù)，可用于指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)過程中的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)，為解決開關(guān)電源、電力電子裝置及相關(guān)電氣設(shè)備的EMC問題提供了新的思路和方法。通過研究，建立了反激式開關(guān)電源的共模電流高頻模型，對(duì)反激電路中共模電流的產(chǎn)生和時(shí)域波形的分布進(jìn)行了分析，為不同頻段EMI噪聲源的鑒別提供了依據(jù)；利用器件參數(shù)化特征建模方法建立了MOSFET模型，同時(shí)利用阻抗測(cè)試結(jié)合數(shù)值仿真的方法建立了線纜模型，在此基礎(chǔ)上建立了開關(guān)電源的EMI時(shí)域電路仿真模型，進(jìn)一步將線纜上的共模電流作為輻射激勵(lì)源，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源“場(chǎng)路協(xié)同”的輻射仿真，提出了一種連接線纜的開關(guān)電源遠(yuǎn)場(chǎng)輻射預(yù)測(cè)方法；針對(duì)反激電源中變壓器繞組屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)共模電流的影響展開了研究，闡明了變壓器的屏蔽繞組結(jié)構(gòu)和屏蔽層結(jié)構(gòu)對(duì)共模等效電容的影響規(guī)律，提出了基于變壓器屏蔽層和屏蔽繞組優(yōu)化設(shè)計(jì)的反激式開關(guān)電源共模噪聲抑制技術(shù)；闡釋了反激開關(guān)電源PCB 受到電場(chǎng)干擾和磁場(chǎng)干擾的耦合原理，建立了電場(chǎng)輻射的等效電路模型、磁場(chǎng)輻射的等效磁路模型，提出了一種電場(chǎng)干擾屏蔽方法，可同時(shí)對(duì)高低頻段的電場(chǎng)干擾進(jìn)行有效抑制；提出了一種基于在線測(cè)試的共模阻抗建模方法，通過測(cè)量提取共模電壓和共模電流的時(shí)域波形并實(shí)施離散傅里葉計(jì)算，建立了能反映系統(tǒng)在線運(yùn)行狀態(tài)下共模干擾特性的阻抗模型，為開關(guān)電源和電力電子系統(tǒng)的共模電流精準(zhǔn)預(yù)測(cè)提供了有效的方法和手段；本項(xiàng)目還研究了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部主功率回路對(duì)開關(guān)電源和通訊數(shù)據(jù)線的共模干擾耦合評(píng)估及分析方法，為電力電子系統(tǒng)級(jí)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾預(yù)測(cè)及電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。在本項(xiàng)目資助下，已發(fā)表論文23篇，其中SCI收錄論文 11篇， EI收錄論文9篇，國內(nèi)一級(jí)刊物或核心刊物3篇；獲授權(quán)發(fā)明專利4件。 2100433B

鑒于目前對(duì)開關(guān)電源遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾的形成機(jī)理尚不明確，缺乏對(duì)該問題的系統(tǒng)研究，導(dǎo)致了在產(chǎn)品開發(fā)過程中很難解決遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾問題。本項(xiàng)目擬從開關(guān)電源的天線輻射原理和高頻噪聲源的形成機(jī)制兩方面著手，試圖揭示開關(guān)電源遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾的產(chǎn)生機(jī)理和分布規(guī)律，探索開關(guān)電源遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾的有效抑制技術(shù)。為此，本項(xiàng)目提出基于三種輻射激勵(lì)模式，建立開關(guān)電源的天線模型，并用簡(jiǎn)單的物理模型模擬開關(guān)電源的復(fù)雜PCB結(jié)構(gòu)；采用橫電磁波小室測(cè)量方法提取開關(guān)電源天線模型參數(shù)，并通過全波電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，分析開關(guān)電源不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾性能的影響；建立開關(guān)電源功率器件的開關(guān)瞬態(tài)行為模型，定量研究功率器件的開關(guān)瞬態(tài)行為和換流回路寄生振蕩對(duì)電磁干擾噪聲源特性的影響，并提出基于噪聲源調(diào)控的開關(guān)電源遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾抑制技術(shù)。項(xiàng)目研究成果為解決開關(guān)電源遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾難題提供了理論基礎(chǔ)，對(duì)于分析和解決大功率變流器的輻射干擾問題也具有參考意義。

在以場(chǎng)源為中心，半徑為一個(gè)波長(zhǎng)之外的空間范圍稱為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，也可稱為輻射場(chǎng)。

遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的主要特點(diǎn)如下：

在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)中，所有的電場(chǎng)能量基本上均以電子波形式輻射進(jìn)行傳播，這種電場(chǎng)輻射強(qiáng)度的衰減要比感應(yīng)場(chǎng)慢得多。

在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度有如下關(guān)系在國際單位制中，E=377H，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的運(yùn)行方向互相垂直，并都垂直于電子波的傳播方向。

遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為弱場(chǎng)，其場(chǎng)墻強(qiáng)度均較小。

Radio Frequency Interface(RFI) 。這是一種電磁干擾，存在于通訊設(shè)備或者計(jì)算機(jī)操作設(shè)備當(dāng)中，有部份干擾源是藉由設(shè)備的線路或無線電天線發(fā)射出來，在某些情況下，可能因?yàn)檎穹?( 干擾 ) 過大，而造成無線電傳輸中斷或是計(jì)算機(jī)操作設(shè)備故障等問題。

輻射干擾的測(cè)試，是檢驗(yàn)受試設(shè)備通過空間傳播的輻射干擾場(chǎng)強(qiáng)。按標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)在開闊場(chǎng)地或半電波暗室進(jìn)行。然而，符合要求的開闊場(chǎng)很難找到，故一般多在屏蔽電波暗室內(nèi)測(cè)試。測(cè)量主要采用天線法和診斷法。

1、天線法

天線法是將輻射干擾信號(hào)通過測(cè)量天線接收，由同軸電纜傳送到測(cè)量接收機(jī)，并測(cè)出干擾電壓，再加上天線系數(shù)，即得到所測(cè)量的場(chǎng)強(qiáng)值。

測(cè)量所需的主要設(shè)備有測(cè)量接收機(jī)（或頻譜分析儀）、測(cè)量天線及予放大器等。利用HP-84110B予測(cè)試系統(tǒng)以天線法測(cè)試輻射干擾的配置及連接，如圖4－3－4所示。

測(cè)量要點(diǎn)：

1）輻射干擾的測(cè)量受環(huán)境的影響較大。而予相容測(cè)試的場(chǎng)地條件又不可能完全符合要求，因此，要特別注意對(duì)環(huán)境電平的監(jiān)測(cè)。測(cè)試前，先切斷EUT電源，對(duì)所關(guān)心的頻段進(jìn)行掃描，檢查環(huán)境電平是否低于極限值6dB。在測(cè)試中要能分辨是環(huán)境的干擾信號(hào)還是EUT的輻射干擾；

2）根據(jù)測(cè)試的不同要求，在頻譜儀上進(jìn)行正確的配置掃描間隔、天線系數(shù)和極限線等；

3）不同的測(cè)試頻段，應(yīng)選用不同的天線，如在25HZ-100KHZ頻段內(nèi)測(cè)量磁場(chǎng)輻射時(shí)，需要采用環(huán)形磁場(chǎng)接收天線；對(duì)于電場(chǎng)輻射發(fā)射則是在10KHZ-18GHZ頻段內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，其間需更換不同的天線（10KHZ-30MHZ選用拉桿天線，20MHz~200MHz選用雙錐天線；200MHz~1000MHz選用對(duì)數(shù)周期天線，1－18GHZ選用雙脊喇叭天線）；

4）不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)量天線到EUT之間的距離要求不同，如國軍標(biāo)為1m，其它則為3m，10m或30m等，相應(yīng)的極限值也不同。

5）由于EUT的輻射不可能是均勻的，所以應(yīng)找出最強(qiáng)的發(fā)射部位(是EUT的前面板還是后面板或縫隙等)；

6）超出極限線的所有信號(hào)，仍需進(jìn)行峰值和準(zhǔn)峰值測(cè)量(因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值多建立在準(zhǔn)峰值檢波方式的基礎(chǔ)上)。對(duì)超出極限線的EUT發(fā)射信號(hào)，進(jìn)行具體分析和診斷，以便排除故障或修改設(shè)計(jì)。圖4-3-5示出了采用CISPR-A-3m標(biāo)準(zhǔn)的極限線情況下，輻射干擾在30MHz~300MHz范圍內(nèi)的頻譜特性。

2、診斷法

除了用天線法以遠(yuǎn)場(chǎng)接收EUT的輻射發(fā)射是否超標(biāo)外，還可用近場(chǎng)探頭對(duì)EUT的輻射源進(jìn)行定位或診斷性測(cè)試。

EMI的診斷方法很多，現(xiàn)介紹HP-84110B系統(tǒng)用頻譜分析儀與近場(chǎng)探頭進(jìn)行診斷測(cè)量的方法。測(cè)試連接如圖4-3-6所示。圖中，近場(chǎng)探頭、寬帶放大器和頻譜分析儀構(gòu)成了EMI診斷系統(tǒng)。

測(cè)試要點(diǎn)：

1）近場(chǎng)探頭猶如環(huán)形結(jié)構(gòu)的小天線，對(duì)EUT磁場(chǎng)源比較敏感，EUT中的電場(chǎng)也會(huì)伴隨感應(yīng)磁場(chǎng)，所以，探頭接收的信號(hào)經(jīng)頻譜儀測(cè)量和處理后，以磁場(chǎng)強(qiáng)度表示(單位為dBμA/m)；

2）探頭小的幾何尺寸和端頭的絕緣(可達(dá)1000V)，可以使其直接觸及EUT的電路系統(tǒng)。如印制電路板的布線就是典型的磁場(chǎng)源。探頭距受試點(diǎn)越近越靈敏；

3）診斷時(shí)探頭除對(duì)EUT電路系統(tǒng)進(jìn)行搜索外，還應(yīng)對(duì)相關(guān)的電纜線、箱體接縫和開口處、CRT面板、鍵盤、電源線等進(jìn)行反復(fù)的、變換方位的探測(cè)，以找出輻射干擾的強(qiáng)點(diǎn)。在測(cè)量孔徑的輻射時(shí)，探頭應(yīng)沿孔的邊沿和繞孔旋轉(zhuǎn)，直到耦合最大的場(chǎng)強(qiáng)；

4）根據(jù)測(cè)試頻率的需要，選擇不同指標(biāo)的探頭(HP-11941A或11940A)；

5）診斷系統(tǒng)需要提高探測(cè)的靈敏度時(shí)，可加入前置放大器，但在測(cè)試結(jié)果中應(yīng)扣除放大器的增益。

6）探頭由跟蹤信號(hào)源驅(qū)動(dòng)，可以作為場(chǎng)源發(fā)射，用來測(cè)定局域的輻射敏感度。

7）探頭設(shè)計(jì)工藝精細(xì)、小巧，電磁兼容操作時(shí)應(yīng)小心，以免損壞。

電壓閃變是供電系統(tǒng)主要的電能質(zhì)量污染之一，國標(biāo)《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》(GBl2326-2000)只規(guī)定了閃變的限值和測(cè)試方法，已有的研究集中于電壓信號(hào)分析、閃變值計(jì)算和檢測(cè)裝置等方面，尚未見干擾負(fù)荷的危害評(píng)估及干擾定位的應(yīng)用報(bào)道。閃變通常被認(rèn)為是一系列正弦信號(hào)對(duì)基波電壓的調(diào)制作用，但實(shí)際電網(wǎng)中卻大量存在著非平穩(wěn)性的閃變現(xiàn)象，這種數(shù)學(xué)模型的局限性限制了閃變機(jī)理的深入分析；絕大多數(shù)研究工作也僅研究電壓信號(hào)，忽視了干擾負(fù)荷的運(yùn)行特性分析；目前尚未能夠衡量負(fù)荷對(duì)供電系統(tǒng)的閃變干擾強(qiáng)度，也無法在有背景閃變干擾的情況下搜索存在的干擾負(fù)荷、比較負(fù)荷干擾的大小，這些都限制了閃變治理工作的有效開展。本項(xiàng)目擬使用小波分析提取干擾負(fù)荷電壓、電流中包含的非平穩(wěn)特征量，研究閃變干擾負(fù)荷的運(yùn)行特性，定義背景干擾和負(fù)荷對(duì)供電系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度，獲得閃變干擾源搜索定位的工程方法，具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。 2100433B