關(guān)于變頻器電磁兼容問題的探討

1.引言

開關(guān)電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備或系統(tǒng)中。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，開關(guān)電路在高頻下的通、斷過程產(chǎn)生大幅度的電壓跳變，即產(chǎn)生較大幅度的dv/dt脈沖，頻帶較寬且諧波含量豐富，是開關(guān)電源電磁干擾的重要因素[2]。電磁兼容已成為研究電力電子裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要課題[3]。抑制開關(guān)電路的電磁干擾已經(jīng)成為提高開關(guān)電源性能的主要途徑。電磁干擾的抑制可以從三個(gè)方面著手：干擾源，干擾途徑和敏感部位。本文結(jié)合實(shí)際工作中遇到的橫編機(jī)與變頻器的電磁兼容問題，從這三個(gè)方面進(jìn)行了分析。

2.問題研究背景

本人研究的課題是：基于SPM的單相變頻器的設(shè)計(jì)。此其中，SPM是集成了逆變部分的六個(gè)IGBT的橋臂，適用于小功率的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。這里的SPM可以是IR公司的IRAMS系列或Fairchild公司的FSBS10/15CH60或三菱公司的ps21563系列，這幾款芯片的功能類似。本文主要針對(duì)Fairchild公司的FSBS10/15CH60的SPM進(jìn)行說明。

此款變頻器幫助客戶用來驅(qū)動(dòng)小功率的橫編機(jī)的電機(jī)?？蛻糁恍枳冾l器，至于橫編機(jī)上的參數(shù)顯示部分由他們自己解決。當(dāng)把變頻器安裝到橫編機(jī)之后，運(yùn)行不到二十分鐘時(shí)，液晶顯示屏幕模糊了，且成了亂碼——這說明我們的變頻器對(duì)外界的干擾很大。當(dāng)把液晶顯示器挪個(gè)方向重新運(yùn)行變頻器，二十分鐘過去了，沒問題，但是，還沒到半小時(shí)又變成了亂碼。這樣重復(fù)多次，結(jié)果還沒有改善。

3.變頻器輔助電路介紹

3.1 輔助電源工作原理

文中使用的反激式電源主要由一次整流電路、開關(guān)電路、二次整流電路、反饋電路、吸收電路組成。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，主要由功率開關(guān)管MOSFET和高頻變壓器組成，如圖1。工作原理如下：當(dāng)開關(guān)管MOSFET導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊電感儲(chǔ)能，當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，能量傳遞到副邊，這樣副邊就能按照設(shè)計(jì)要求輸出多組電源，其中開關(guān)管MOSFET的通斷會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾。

通電時(shí)，電容C5瞬間短路，電流經(jīng)六個(gè)120K的限流電阻后給M51996FP提供工作電流，此后電容C5慢慢充電。當(dāng)電路正常工作時(shí)，電容C5兩端將得到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓。此電壓不僅成為M51996FP的供電電源，同時(shí)控制M51996FP的輸出電壓的大小，見圖2虛線部分。

圖1 反激式電源線路圖

圖2 控制芯片M51996FP內(nèi)部電路圖

3.2 M51996FP內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

反激式電源使用的控制芯片是三菱公司的M51996FP，電流控制型，Vcc電壓范圍是17-30V，16pin的SMD封裝，其內(nèi)部框圖如圖2。

4.差模干擾與共模干擾

4.1 差模干擾的特點(diǎn)

大小相等、方向相反，存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模干擾侵入往返兩條信號(hào)線，方向與信號(hào)電流一致，其中一種是由信號(hào)源產(chǎn)生，另外一種是傳輸過程中由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，它和信號(hào)串在一起且同相位，一般難以抑制[3]。

圖3 傳導(dǎo)干擾傳播途徑

圖4 MOSFET外圍電路

圖5 MOSFET的開關(guān)電路模型

4.2 共模干擾的特點(diǎn)

干擾大小和方向一致，存在于電源任何一相對(duì)大地、或中線對(duì)大地間。干擾信號(hào)侵入線路和接地之間，干擾電流在兩條線上各流過二分之一，以地為公共回路，原則上講，這種干擾是比較容易消除的。在實(shí)際電路中由于線路阻抗不平衡，使共模信號(hào)干擾會(huì)轉(zhuǎn)化為不易消除的串?dāng)_干擾[3]。

5.電磁干擾分析

5.1 干擾源的產(chǎn)生

如圖3，虛線指的是共模信號(hào)傳導(dǎo)途徑，實(shí)線指的是差模信號(hào)傳導(dǎo)途徑。

功率MOSFET、吸收電路中的二極管的反向恢復(fù)電荷、SPM內(nèi)部的六個(gè)IGBT；線路中的高頻電流環(huán)路，如L1、S和濾波電容C1構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾；如果電容C1容量不足或者高頻特性不好，其上的高頻阻抗會(huì)使高頻電流以差模形式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)干擾。

5.2 敏感部位

敏感部位即容易被干擾的電路，包括交流側(cè)電網(wǎng)、M51996FP等一些控制芯片、高頻變壓器原邊電感L1以及電路中的寄生參數(shù)（如變壓器的漏感、開關(guān)管與散熱器之間的寄生電容、變壓器原副邊間的寄生電容等）、液晶顯示部分電路。

5.3 干擾途徑

功率MOSFET的負(fù)載為高頻變壓器的原邊電感L1。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通瞬間，L1產(chǎn)生很大的涌流，在L1兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；當(dāng)開關(guān)斷開瞬間，由于L1有漏磁通，導(dǎo)致一部分能量沒能從原邊傳到副邊，儲(chǔ)存在漏感中的能量將和漏極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在MOSFET的兩端，形成關(guān)斷電壓尖峰，這種電壓會(huì)產(chǎn)生與L1接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變，并傳導(dǎo)到輸入輸出端，形成傳導(dǎo)干擾，情況嚴(yán)重的將擊穿開關(guān)管、芯片和電路中其他元件。

6.問題的解決過程

考慮到線路中的寄生參數(shù)(包括寄生電感和寄生電容)，如圖4。

考慮到在從電容C經(jīng)過上拉三極管到Cgs到shunt電阻(0.82Ω)的回路中的寄生電感L。此回路是一個(gè)R、L、C串聯(lián)的二階電路。由電路理論可以知道，品質(zhì)因數(shù)Q越大回路的振蕩越大、Q越小振蕩越小，如增加R、C或者減小L都會(huì)抑制振蕩。但寄生電感無法改變，所以最直接有效的辦法就是增大回路電阻R。為此，我嘗試著增大MOSFET的門極電阻，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明主要干擾源頭并非在此。

正是由于MOSFET的通斷產(chǎn)生了主要干擾，下面主要對(duì)其進(jìn)行分析研究。

開通過程分析：假定電路處態(tài)為器件處于斷態(tài)，當(dāng)ug從負(fù)壓轉(zhuǎn)為正壓時(shí)，柵壓按時(shí)間常數(shù)Rg*(Cgs+Cgd)對(duì)輸入電容正向充電；當(dāng)ugs>UT時(shí)，器件轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，iD上升，uds下降，器件進(jìn)入放大區(qū)，充電常數(shù)增大，充電速度減慢，一直到iDo減小到0，iD上升到Io，此時(shí)Vds減小到0。在這一過程中，由于Cgd的密勒效應(yīng)，ugs上升緩慢，同時(shí)由于二極管Do有反向恢復(fù)電流，導(dǎo)致了iD在二極管Do關(guān)斷后有一個(gè)比Io幅值還大的時(shí)間段，這個(gè)反向電流通過Ld、Cds進(jìn)行振蕩，直至達(dá)到峰值后迅速變?yōu)?，iD也相應(yīng)地降到Io。

通過開通過程分析可知：此尖峰產(chǎn)生的原因之一是Cgd的密勒效應(yīng)；二是吸收電路中的二極管Do的反向恢復(fù)電流。因此我在該二極管的管腳上套上磁珠，這樣可以減小反向恢復(fù)電流對(duì)電路的傳導(dǎo)干擾。另外，還有可能是線路中的寄生參數(shù)，因此在繪制PCB時(shí)，MOSFET附近的走線如太長(zhǎng)，均會(huì)增大電路中的寄生參數(shù)，這是值得注意的。

通過上述分析，本文先從變頻器本身著手，重新layout，將MOSFET附近的走線盡量走短，特別是接地端；另外建議用戶把液晶顯示器緊緊地鎖在橫編機(jī)的機(jī)架上，把變頻器的外殼和橫編機(jī)也鎖緊，然后把橫編機(jī)的外殼可靠接地，并把磁環(huán)加到了變頻器的輸出端，問題解決了。

7.結(jié)語

通過上述現(xiàn)象可以得出：傳導(dǎo)干擾占主要作用，主要是公共阻抗傳導(dǎo)干擾，干擾源是功率MOSFET高頻開關(guān)、吸收電路中的二極管的反向恢復(fù)，耦合途徑如本節(jié)開頭所述，敏感部位是液晶顯示器中的環(huán)路和及電路中的控制芯片；線路中有高頻電流環(huán)路，如圖3中L1、S和濾波電容C1構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾，但輻射干擾居其次。

總之，解決電磁兼容問題要從三方面入手：一是線路設(shè)計(jì)，包括濾波電路及PCB的layout；二是盡可能將敏感電路通過地屏蔽；三是破壞干擾途徑。線路設(shè)計(jì)最重要，因?yàn)椴季帧⒆呔€直接影響到線路的寄生參數(shù)，而這些寄生參數(shù)決定著電路的性能，它們是干擾源，只有從源頭上解決問題，才能從根本上避免電磁干擾。

[1]錢照明,程肇基.電力電子系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及干擾抑制技術(shù)[M].浙江大學(xué)出版社,2000,12(第1版).

[2]任稷林.電源技術(shù)應(yīng)用,2005年第4期.

[3]周志敏.共模和差模信號(hào)與濾波器[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2001年第08期.