低頻共模傳導抗擾度試驗波形驗證方法研究*

吳禎瑋 馬 欣 / .上海市計量測試技術研究院； .上海市電磁兼容檢測重點實驗室

0 引言

共模干擾，是指單個或多個電源線或者信號線，與參考地之間的干擾電壓，干擾的電壓幅值相等、相位相同，共模電流在線路與參考地之間流動。頻率比較低，以傳導方式傳播的共模干擾，稱之為低頻共模傳導干擾。

低頻共模傳導干擾常見的來源有：設備的電源有漏電故障；使用直流電源時導致正負極同時接地的錯誤安裝（尤其多見于如通信基站等使用直流負電壓供電的場合）；電氣化鐵路在其工作頻率上對電網產生的共模電壓干擾；以及上述干擾的諧波等。目前，基于國際標準IEC61000-4-16的低頻共模傳導抗擾度試驗方法,已在核電、船舶、軌道交通和通信設備的電磁兼容檢測中得到了廣泛采用。

根據標準對低頻共模傳導抗擾度試驗設備輸出波形參數進行驗證，是相關試驗開展的先決條件。本文將重點分析研究低頻共模傳導抗擾度試驗系統(tǒng)的關鍵參數及其驗證方法。

1 IEC 61000-4-16 標準概述

IEC 61000-4-16:1998 對電子、電氣設備在DC～150 kHz頻率范圍內的共模傳導抗擾度試驗方法進行了詳細定義，該方法適用于電子電氣設備的電源端口、控制/信號端口和通信端口。干擾方式分為直流連續(xù)干擾、交流連續(xù)干擾、直流短時干擾、交流短時干擾以及掃頻測試等。

圖1為典型低頻共模傳導抗擾度試驗的示意圖。進行試驗時，首先應確定受試樣品的基本性能，包括其典型的運行狀態(tài)、試驗端口、輔助設備、輸入信號等。然后將合適的耦合網絡和去耦合網絡正確連接至受試樣品。

如果端口與非屏蔽的信號輸入/輸出線纜、交/直流電源線纜相連，對注入點的共模源阻抗定義為150 Ω，而試驗發(fā)生器內阻為50 Ω，因此使用的耦合網絡阻抗應為100 Ω，并且根據施加電壓是交/直流電壓，確定耦合網絡內與電容并聯(lián)的開關3的斷開/閉合。

圖1 典型測試電路示意圖

如果端口與平衡線相連，試驗電壓應當使用T型網絡注入。對于屏蔽電纜，發(fā)生器的輸出直接與屏蔽層連接，不需要額外的電阻和電容。如果試驗端口有兩個或兩個以上的負載，試驗電壓應當同時施加在所有負載的端口和地之間。試驗時將開關1依次選至所測的端口，使試驗發(fā)生器與對應端口相連，并將當前不進行測試的其他端口的耦合網絡開關2閉合，使之與地相連。

因為施加試驗電壓會產生漏電流，應當采取有效的安全措施保護實驗人員避免不安全狀況的發(fā)生。測試應按照計劃要求進行，在測試中及測試后驗證受試樣品性能狀態(tài)，最終確定受試樣品的低頻傳導抗擾度能力等級。

2 關鍵參數

IEC 61000-4-16中，對干擾發(fā)生器的特性作了詳細的規(guī)定。

1）用于DC試驗的發(fā)生器的性能要求

典型的試驗發(fā)生器是具有可變輸出電壓的DC電源，應有時間控制開關以進行短時駐留試驗。具體參數如表1和表2所示。

表1 用于直流連續(xù)干擾試驗發(fā)生器的參數

表2 用于直流短時干擾試驗發(fā)生器的參數

2）用于16.67 Hz、50 Hz和60 Hz交流電源特征頻率試驗的發(fā)生器的性能要求

典型的試驗發(fā)生器是一個可變的隔離變壓器（與配電網絡相連），并應具有時間控制開關以進行短時駐留試驗。開關應能與電源電壓波形的0°進行同步。具體參數如表3和表4所示。

表3 用于交流連續(xù)干擾試驗的發(fā)生器的參數

3）用于15 Hz～150 kHz頻率范圍內的掃頻試驗的發(fā)生器的性能要求

典型的試驗發(fā)生器是一個覆蓋所涉及頻段的波形發(fā)生器，它具有1×10-2十倍頻/s或更慢的自動掃描能力，并具有10%步進的頻率編程和手動設置。具體參數如表5所示。

表4 用于交流短時干擾試驗發(fā)生器的參數

表5 用于掃頻試驗發(fā)生器的參數

3 驗證的方法

3.1 波形驗證的基本方法

為了使不同試驗發(fā)生器的結果具有可比性，以下幾個最重要的參數必須進行驗證。

輸出電壓波形、發(fā)生器阻抗、頻率準確度、開路輸出電壓準確度、輸出電壓開關時的上升和下降時間。為了驗證設備的內阻以及帶載能力，還需要對其短路電流進行測量。

在驗證這些參數的過程中，需要使用電壓探頭、電流探頭，以及帶寬在1 MHz以上的示波器或等效的測量設備，并且這些測量設備的準確度應當優(yōu)于5%。

圖2、圖3分別為試驗發(fā)生器輸出端的開路電壓和短路電流測量系統(tǒng)示意圖。應根據頻率范圍和量程選擇適用的電壓探頭和電流探頭，例如，電壓探頭耐壓大于有效值300 V（有效值），電流探頭最大測量值6 A（有效值）。

圖2 試驗發(fā)生器輸出端開路電壓測量系統(tǒng)

圖3 試驗發(fā)生器輸出端短路電流測量系統(tǒng)

3.1.1 開路電壓波形驗證

①將干擾發(fā)生器輸出端的“高端”連接到高壓探頭，發(fā)生器輸出端的“低端”連接到高壓探頭的地線。

②電壓探頭直接連接到示波器的信號輸入端。調節(jié)示波器的垂直靈敏度（例如，10 V/格）、時間基準（例如，10 ms/格）和觸發(fā)模式（連續(xù)干擾設為自動觸發(fā)；短時干擾設為單次觸發(fā)），使波形能完整地出現在示波器屏幕中部。

③記錄波前時間和半峰值時間。并且與標準要求進行比較，如不符合應立即停止試驗并查找原因。

3.1.2 短路電流波形驗證

①將干擾發(fā)生器輸出端的“高端”通過導線短路到發(fā)生器輸出端的“低端”。將導線穿過電流探頭，注意電流探頭的方向。

②電流探頭直接連接到示波器的信號輸入端。調節(jié)示波器的垂直靈敏度（例如，0.5 A/格）、時間基準（例如，10 ms/格）和觸發(fā)模式（連續(xù)干擾設為自動觸發(fā)；短時干擾設為單次觸發(fā)），使波形能完整地出現在示波器屏幕中部。

③記錄電流幅度、頻率和切換時間等參數，并且與標準要求進行比較，如不符合應立即停止試驗并查找原因。

需要注意，當所使用的電壓探頭不是差分探頭時，必須在測量前確認探頭負極所接端口相對于示波器的參考地沒有電壓，避免短路造成探頭損壞。

3.2 發(fā)生器內阻的驗證

根據圖1，發(fā)生器的內阻只有在信號源有輸出時才處于接通狀態(tài)，因此其阻抗無法使用電阻表或網絡分析儀直接進行測量。如果僅由出廠報告中得到相關數據，將給測試的準確性帶來隱患。

為了對發(fā)生器的阻抗進行驗證,可根據戴維南定理：“任一含源線性時不變一端口網絡對外可用一條電壓源與一阻抗的串聯(lián)支路來等效地加以置換，此電壓源的電壓等于一端口網絡的開路電壓，此阻抗等于一端口網絡內全部獨立電源置零后的輸入阻抗?！卑寻l(fā)生器簡化為一個有源二端網絡，將可測量的網絡開路電壓E除以可測量的網絡短路電流I，便可以依據公式計算發(fā)生器的內阻

圖3所示方法為試驗發(fā)生器輸出端短路電流的測量方法，即將發(fā)生器輸出的兩個端口直接短路。用于短路連接的導線應盡可能的短，并且應使用單芯導線，這樣選擇也是為了減少電路中的感抗的引入，減少測量誤差。

在測量開路電壓與短路電流計算發(fā)生器內阻時，不可以只以直流輸出時的值，或者某一點頻率時的值作為結果，這樣無法確保在整個頻率范圍發(fā)生器的內阻都能夠滿足標準的規(guī)定。通常應該選擇足夠的頻率點，這些點至少應包括DC，16.67 Hz、50 Hz、60 Hz和150 kHz以及60 Hz與150 kHz之間的若干個頻率點。

正確的順序可以是：首先在直流時測出內阻的電阻R，判斷R是否滿足50 Ω（±10%）的要求，例如圖4、圖5為某試驗發(fā)生器輸出直流10 V時測量輸出端開路電壓和短路電流的結果，由此可計算得到R=50.2 Ω，說明該發(fā)生器在直流輸出時電阻值滿足標準要求。如果不滿足，那么試驗發(fā)生器內阻需要更換維修。如果滿足，再逐個測量頻率點并計算發(fā)生器內阻，例如圖6、圖7為某試驗發(fā)生器輸出頻率為150 kHz、有效值為10 V時測量輸出端開路電壓和短路電流的結果，通過計算求得試驗發(fā)生器內阻Z=52.1 Ω。

如果隨著頻率的升高，試驗發(fā)生器的開路電壓變小，那么有可能是試驗發(fā)生器電壓源至輸出端口之間存在的對地分布電容過大。如果隨著頻率的升高，發(fā)生器的開路電壓不變而短路電流逐漸減小，如圖8所示的情況，計算得到的發(fā)生器內阻Z=59.2 Ω，無法滿足50 Ω（±10%）的要求，比標準值偏大，根據阻抗公式：

不考慮內阻上的電容，可以推斷，試驗發(fā)生器的內阻電感過大，需要根據具體故障情況進行維修。否則的話使用這樣一臺試驗發(fā)生器進行試驗，雖然從輸出的電壓看不出異常，但是它在受試樣品的線路上產生的干擾電流會小于正常的值，在受試樣品的線間及內部產生的干擾電平也會偏小，這樣的試驗結果顯然是不準確的。

圖4 試驗發(fā)生器直流輸出時的開路電壓

圖5 試驗發(fā)生器直流輸出時的短路電流

圖6 試驗發(fā)生器輸出頻率為150 kHz時的開路電壓

圖7 試驗發(fā)生器輸出頻率為150 kHz時的短路電流

3.3 短時直流干擾波形驗證

在IEC61000-4-16超低頻抗擾度試驗中，短時直流干擾波形的發(fā)生是一個技術難點，通常采用整流變壓器或大功率DC電源，并配合精準的時序控制加以實現。

對于短時直流電壓波形，需要對波形的上升下降沿進行測量，標準要求波形的上升下降沿應在1～5 μs的范圍之內。在實際的波形驗證測量中，由于示波器電壓探頭存在一定的電容量（典型值10 pF）,而當示波器設置為1 MΩ的高阻狀態(tài)時，探頭的RC時間常數為10 μs。在這種情況下，上升下降沿的測量數據將發(fā)生滯后，無法落在1～5 μs的范圍之內。

圖8 試驗發(fā)生器輸出頻率為150 kHz時的異常短路電流

為了解決這一問題，并使波形的測量更接近于實際的帶載試驗狀態(tài)，可以在測量端口并聯(lián)1個模擬真實受試設備的1 kΩ特征電阻（如圖9所示）。在這種狀態(tài)下，探頭的RC時間將變?yōu)?0 ns，能夠測量出上升下降沿在1～5 μs范圍內的波形。通過驗證測量得到的電壓波形如圖10所示。

圖9 短時直流干擾電壓上升下降沿驗證設置

圖10 短時直流干擾電壓波形

另外，如果用于干擾波形發(fā)生的DC電源容量不足或整流電路噪聲過大，輸出的短路電流將發(fā)生失真。具體表現為測得短路電流波形存在較大的紋波分量（如圖11所示）。根據3.2章節(jié)中的原理，若紋波分量超過短路電流理論值的10%，試驗系統(tǒng)將不符合標準要求。

短時直流干擾的短路電流波形應該在系統(tǒng)的最大輸出電壓值（例如300 V）下進行驗證，以確保系統(tǒng)在極限狀態(tài)下能夠符合標準要求。正常的短路電流波形，應如圖12所示，即當輸出電壓為300 V時，測得的短路電流為5.89 A。經過計算，等效源阻抗為52.8 Ω，在50 Ω+5 Ω標準要求區(qū)間之內，試驗系統(tǒng)滿足要求。

4 結語

圖11 具有紋波分量的短路電流波形

圖12 正常的短路電流波形

隨著我國核電站、船舶工程、電氣化鐵路和通信基站等高速發(fā)展，低頻共模傳導抗擾度也越來越受到重視。目前，國內的許多EMC實驗室都開始根據IEC 61000-4-16標準建立試驗能力。而不同實驗室的試驗數據應具有可比性，同一實驗室的數據也應具有可重復性。

實驗室在開展低頻共模傳導抗擾度相關試驗能力驗證工作時，應重點關注以下幾點：

①驗證應在設備交流/直流，連續(xù)/短時等多種干擾輸出方式下分別進行，確保設備所有的功能模塊符合要求。

②驗證至少應在設備的電壓、電流和頻率輸出的極限點上進行，確保設備整體參數符合要求。

③對于設備的內阻以及切換時間等關鍵參數，應重點關注并測量，確保系統(tǒng)在這些技術難點滿足標準要求。

本文介紹的低頻共模傳導干擾試驗波形驗證方法，可作為實驗室進行設備期間核查及定期校驗的技術參考，對試驗數據質量的提高有著積極的意義。

[1]中國通信標準化協(xié)會.GB/T 17626.16-2007[S].北京：中國標準出版社，2007.