電子裝備電磁兼容性與電源設(shè)計(jì)*

宋 昕 王廷營

(1.駐716所軍代表室 連云港 222061)(2.江蘇自動(dòng)化研究所 連云港 222061)

電子裝備電磁兼容性與電源設(shè)計(jì)*

宋 昕1王廷營2

(1.駐716所軍代表室 連云港 222061)(2.江蘇自動(dòng)化研究所 連云港 222061)

論文通過分析開關(guān)電源的工作原理,指出了電磁干擾形成的主要原因,介紹了采用交流分布式供電體制的電子裝備解決電源線傳導(dǎo)發(fā)射(CE101)問題的基本解決措施,提出了集中加分布式供電的二次供電體制,以降低輸入電流的諧波電流以及對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響,有效解決電源功率大于1KVA的電子裝備中電磁兼容性測(cè)試項(xiàng)目CE101的超標(biāo)問題。

電子裝備; 開關(guān)電源; 供電體系; 電磁兼容性

Class Number TJ391

1 引言

伴隨著我國國力的增強(qiáng)、科技的進(jìn)步以及國防建設(shè)的需要,武器裝備也迎來了一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。艦載電子系統(tǒng)一般包括導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、電子偵察系統(tǒng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)和武器控制系統(tǒng)等,每個(gè)系統(tǒng)均配備有功能不同的電子裝備。由于電子裝備的功能越來越豐富、強(qiáng)大,種類和數(shù)量越來越多,使得電磁環(huán)境日益復(fù)雜。若不能很好地開展電子裝備電磁兼容性設(shè)計(jì),將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)大打折扣,嚴(yán)重影響了裝備性能的充分發(fā)揮。

目前電子裝備一般采用交流分布式供電體制,其電磁兼容性與供電體系及其開關(guān)電源[1]特性密切相關(guān)。

2 開關(guān)電源分析

2.1 開關(guān)電源原理

目前,多數(shù)電子裝備要求其供電單元體積小、效率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好以及能提供低壓大電流等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的線性電源由于變換效率低,體積大等缺點(diǎn),已逐漸被淘汰。而開關(guān)電源因具有體積小、效率高、重量輕,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等突出特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用。但是由于開關(guān)電源特殊的工作原理,也附帶了更多電磁兼容問題[2]。開關(guān)電源簡(jiǎn)化原理圖如圖1所示。

圖1 電源簡(jiǎn)化原理圖

圖中,C1～C4為電路各主要部分對(duì)地(機(jī)殼)電容(或分布電容),R1～R3為接地電阻或機(jī)殼電阻(機(jī)殼接地)。從交流(AC)輸入到直流(DC)輸出的全過程,包括:

1) 輸入濾波器:作用是將電網(wǎng)存在的諧波干擾過濾,同時(shí)也阻止開關(guān)電源本身產(chǎn)生的諧波干擾反饋到公共電網(wǎng)。

2) 整流與濾波:將電網(wǎng)交流電通過整流橋和濾波電容整流為較為平滑的直流電,以供下一級(jí)變換使用。

3) 逆變:通過PWM控制電路使得開關(guān)管(通常為MOSFET)工作在開關(guān)狀態(tài),將整流后的直流電變換為高頻交流電,并通過高頻隔離變壓器傳送的后一級(jí)。這是高頻開關(guān)電源的核心部分。

4) 輸出整流與濾波:通過整流器件(通常為二極管或同步整流MOSFET)和輸出儲(chǔ)能濾波電容,將變壓器次邊得到的高頻交流電變換成穩(wěn)定可靠的直流電,供負(fù)載使用。

上述的2)～4)環(huán)節(jié)均會(huì)產(chǎn)生電磁干擾,按頻率范圍可劃分為低頻和高頻電磁兼容問題。

2.2 低頻電磁干擾問題

在環(huán)節(jié)2),經(jīng)濾波后的工頻交流電流經(jīng)輸入整流濾波后變成了單向脈沖電流,不再是單一頻率的正弦波,其整流后的電壓、電流波形如圖2所示。

圖2 輸入整流濾波后的電壓、電流波形

由圖2可知,輸入正弦電壓波形經(jīng)整流濾波后,電壓變成近似穩(wěn)定的直流電壓,由于輸入電壓只在濾波電容的電壓低于一定值時(shí)才經(jīng)整流橋?qū)﹄娙莩潆?造成流過整流橋的電流為單向脈動(dòng)電流。

由傅立葉基數(shù)展開可知,一個(gè)周期函數(shù)可以分解為傅立葉基數(shù),表示為多級(jí)正弦函數(shù)的和式,即可把周期信號(hào)當(dāng)作是正弦函數(shù)的基波與高次諧波的合成。所以,經(jīng)整流后的電流不僅包含一直流分量,還包含一系列由基波分量和不同次數(shù)的高頻交流分量。整流后的脈動(dòng)波形傅立葉展開如圖3所示。

圖3 整流后電流傅立葉展開波形

這些高次諧波會(huì)沿著輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾,一方面使前端電流發(fā)生畸變,產(chǎn)生尖脈沖,污染輸入電網(wǎng);另一方面通過電源線產(chǎn)生輻射干擾,被其他設(shè)備接收產(chǎn)生干擾。

由于基波頻率較低(50Hz),所含諧波中小于10kHz的諧波含量較為豐富,而此頻率范圍常規(guī)EMI濾波的器件、裝置均難以濾去。出現(xiàn)問題時(shí)較難處理,在電磁兼容試驗(yàn)中會(huì)造成CE101(25Hz～10kHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射)測(cè)試項(xiàng)超標(biāo)。

2.3 高頻電磁干擾問題

在環(huán)節(jié)3),PWM控制電路通過控制開關(guān)管工作在高頻開關(guān)狀態(tài),將整流濾波后的直流轉(zhuǎn)換為高頻脈沖電壓(一般為矩形波),在高頻脈沖電壓的上升沿和下降沿部分(時(shí)間很短)具有很大的du/dt、di/dt,這些含有較大能量的電壓和電流的瞬變,通過開關(guān)器件、變壓器和電路中寄生的分布電容和分布電感,產(chǎn)生脈沖電流和脈沖電壓,而這些脈沖信號(hào)都包含豐富的高次諧波,從而產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。

在環(huán)節(jié)4),輸出整流器件工作于高頻開關(guān)狀態(tài),由于開關(guān)型變換器的快速通斷性質(zhì),整流器件由導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟臅r(shí)間很短,致使產(chǎn)生反向浪涌電流,又由于電路中存在分布電容和分布電感,會(huì)引起高頻衰減振蕩,從而產(chǎn)生高頻電磁干擾。

上述兩個(gè)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生高次諧波通常頻率較高(≥50kHz),會(huì)產(chǎn)生高頻電磁干擾問題。

2.4 解決措施

為了抑制、消除上述低頻和高頻電磁兼容問題,目前人們研究開發(fā)了多種實(shí)用技術(shù)和裝置[3]。

2.4.1 低頻電磁干擾問題解決措施

針對(duì)低頻電磁干擾問題,目前主要通過采用功率因數(shù)校正技術(shù)。功率因數(shù)校正技術(shù)又分為無源和有源功率因數(shù)校正技術(shù)(APFC)。無源功率因數(shù)校正技術(shù)電路簡(jiǎn)單,成本低,但校正效果稍差。而APFC[4]技術(shù)因校正效果較好、技術(shù)較為成熟,在裝備用電源中被廣泛采用。增加APFC電路后,整流濾波后的電流波形跟隨輸入交流電壓波形變化,呈現(xiàn)工頻正弦波的形式。校正后的電流波形如圖4所示。

圖4 功率因數(shù)校正后的電流波形

圖中ch2為電源輸入電壓波形,ch1為功率因數(shù)校正后的對(duì)應(yīng)的電流波形,從圖中不難看出,電流波形基本呈工頻正弦波變化,由傅立葉展開理論可知,其極大的減小了輸入整流濾波環(huán)節(jié)產(chǎn)生的高頻諧波電流含量,進(jìn)而減小了該環(huán)節(jié)的電磁干擾。

2.4.2 高頻電磁干擾問題解決措施

針對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻電磁干擾問題,常用措施為在電源輸入端加入合適的EMI濾波器,將開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的高次諧波過濾掉,同時(shí)濾掉輸入電源線上的高次諧波,使電源內(nèi)部電路不受干擾。通過采用零電壓、零電流變換為基礎(chǔ)的軟開關(guān)電路技術(shù)、吸收電路、屏蔽技術(shù)、布線技術(shù)等可以顯著減少高頻電磁干擾問題的產(chǎn)生,進(jìn)而減小EMI濾波器的復(fù)雜程度、體積和成本。通過上述措施的綜合運(yùn)用,能夠使得高頻電磁輻射降低到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍。

3 影響電子裝備EMC的主要因素

通過采用上述措施,在負(fù)載和開關(guān)電源輸出功率比較匹配、供電體系簡(jiǎn)單且功率較小的情況下,可以將局部電子設(shè)備使用的開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾問題限制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍中。但是,在功率較大(一般≥1KVA)的系統(tǒng)中,隨著同類電源的增多、不合理的供電體系的運(yùn)用以及電磁兼容考核標(biāo)準(zhǔn)的提高,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)很難滿足測(cè)試要求。這也是當(dāng)前艦載系統(tǒng)所面臨的電磁兼容難題之一。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)要求更高

隨著電子裝備中開關(guān)電源數(shù)量和輸出功率不斷增大,使得諸如功率因數(shù)低(無功沖擊大)、諧波干擾、高頻發(fā)射等一系列使電網(wǎng)供電品質(zhì)惡化的公害問題越來越嚴(yán)重,特別是對(duì)容量有限的船舶電網(wǎng)來講,這個(gè)問題更顯突出。一方面造成設(shè)備的損壞,加速絕緣老化;另一方面也影響電子裝備的正常工作,給系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性帶來了危害,影響了裝備的正常使用,有時(shí)還會(huì)破壞艦船的隱身性[5]。為了防止和減小這種危害發(fā)生,我國制定的GJB151A-1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)輸入功率大于1KVA的系統(tǒng)提出了更高的的低頻電磁兼容要求標(biāo)準(zhǔn)。其中CE101極限(50Hz)如圖5所示[6]。

圖5 CE101極限(50Hz)

其中規(guī)定:

1) 在設(shè)備和分系統(tǒng)電源小于1kVA的情況下,用連接a、b和c點(diǎn)的連線作極限。

2) 在設(shè)備和分系統(tǒng)電源不小于1kVA的情況下,用連接d、b和c點(diǎn)的連線作極限。

由此可以看出,對(duì)于大于1kVA的電源系統(tǒng)或設(shè)備,對(duì)電源線傳導(dǎo)發(fā)射要求更苛刻。即使單個(gè)電源能滿足CE101的要求,整個(gè)裝備電源功率若超出1kVA,電源傳導(dǎo)發(fā)射也可能會(huì)超出CE101的極限值。

3.2 供電體系設(shè)計(jì)不合理

電子裝備由功能、外形、內(nèi)部組成等逐步向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、組合化發(fā)展的各級(jí)子設(shè)備單元組成。每個(gè)子設(shè)備單元的供電需求又相對(duì)不同,導(dǎo)致每個(gè)子設(shè)備單元都需要單獨(dú)的電源模塊。其供電方式多采用交流分布式供電。典型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 某電子裝備供電體系結(jié)構(gòu)示意圖

交流分布式供電體系由多個(gè)AC-DC變換模塊組成,每一塊電路板或一個(gè)裝置擁有一個(gè)AC-DC變換模塊。為了提高電子設(shè)備的可靠性,電源設(shè)計(jì)中需考慮降額、兼容、標(biāo)準(zhǔn)化、冗余等因素,導(dǎo)致電源數(shù)量和總輸出功率遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)載需求,造成多數(shù)電源模塊在其設(shè)計(jì)輸出的30%左右的條件下工作,在此負(fù)載條件下,電源模塊內(nèi)部的APFC電路處于非最佳工作狀態(tài)(APFC電路的校正效果與負(fù)載大小成正比關(guān)系),各路AC/DC電源模塊的諧波相互影響、疊加,往往導(dǎo)致整個(gè)分系統(tǒng)的電磁干擾(特別是低頻傳導(dǎo)CE101問題)超標(biāo),在輸入功率等級(jí)1kVA以上的電子裝備上表現(xiàn)得尤為嚴(yán)重。輸入超過1kVA的電子裝備典型測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 CE101項(xiàng)典型測(cè)試結(jié)果示意圖

從圖7中不難看出,由于采用更嚴(yán)格的考核極限,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)單塊AC/DC電源不超標(biāo),但整個(gè)系統(tǒng)超標(biāo)的現(xiàn)象。特別是在采用濾波元件很難去除的低頻部分(≤1kHz),超標(biāo)問題尤為嚴(yán)重。

4 二次供電體系結(jié)構(gòu)

由于新一代電子裝備對(duì)電源的可靠性、效率、輸出電壓路數(shù)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、功率密度、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)等方面的要求越來越高,這些要求是復(fù)雜、嚴(yán)格的,有的甚至是相互矛盾的,僅通過提高單個(gè)電源模塊的技術(shù)、工藝水平很難得到解決,必須從裝備系統(tǒng)頂層對(duì)供電架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在整體上保證各種性能同時(shí)滿足要求的供電方案。

參照國內(nèi)外先進(jìn)的新型供電體系[7～9],電子裝備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)采用集中供電加分布式供電的二次供電體系結(jié)構(gòu)。

一次電源主要是把220V或380V交流電轉(zhuǎn)化為48V或24V大功率電源,二次電源把48V或24V轉(zhuǎn)化為更低的電壓供給負(fù)載使用。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

其中,一次電源通常采用APFC+DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提供一個(gè)母線電壓(48V或24V),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、隔離、噪聲消除和功率因數(shù)校正等功能。直流母線電壓經(jīng)過DC/DC高頻開關(guān)功率變換,獲得滿足負(fù)載需求的不同大小的直流電壓輸出,即是二次電源。

依據(jù)同樣的原理,對(duì)于采用三相380VAC供電的功率更大的系統(tǒng),我們可以采用圖9所示的二次供電體系,其中母線電壓選擇350VDC,有利于減小因后級(jí)功率較大時(shí)造成的輸入母線電流較大的現(xiàn)象,從而減小傳輸線上所產(chǎn)生的損耗。

圖9 大功率系統(tǒng)二次供電體系

采用二次供電體系。對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻10kHz～1MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射,通過在一次電源的輸入端加裝合適的濾波器即可較好地解決[10];考慮到冗余設(shè)計(jì),二次電源數(shù)量增多。但二次電源從一次電源索取的總功率是一定的,只與系統(tǒng)的最終功率需求及二次電源的靜態(tài)功耗(通常很小,這里可忽略)有關(guān),所以,可以合理設(shè)計(jì)、選用一次電源,使其設(shè)計(jì)輸出功率和實(shí)際工作時(shí)的輸出功率相匹配(通常工作在70%左右的輸出狀態(tài)),使得內(nèi)部PFC電路工作在最佳工作狀態(tài),能夠有效降低輸入諧波電流,滿足1KVA以上時(shí)對(duì)CE101項(xiàng)的要求,有效提高電子裝備的電磁兼容性。

此外,由于電源系統(tǒng)具有元器件數(shù)量減少、熱分布均勻、二次電源選用靈活、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好、更易冗余設(shè)計(jì)等特點(diǎn),可有效提高電源系統(tǒng)的可靠性[11]、熱設(shè)計(jì)性和安全性等方面性能。

5 結(jié)語

電子裝備的電源設(shè)計(jì)是裝備電磁兼容性設(shè)計(jì)的重要組成部分,切不可將電源設(shè)計(jì)孤立于裝備電磁兼容性設(shè)計(jì)之外,應(yīng)將電子裝備的電磁兼容性設(shè)計(jì)與裝備供電體系及電源設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)統(tǒng)一,實(shí)施頂層系統(tǒng)性設(shè)計(jì),才能從根本上解決電子裝備的電磁兼容性問題,提高電子裝備的電磁兼容性設(shè)計(jì)水平。

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Power Supply and EMC of Electronic Equipment

SONG Xin1WANG Tingying2

(1. The Military Agent of 716th Research Institute, Lianyungang 222061) (2. Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061)

Aiming at the EMC problems of the naval equipment system brought by switching power supply and distributed AC power system, a new power system is proposed, which includes a concentrative power system and a distributed power system. Both theoretic analysis and experiments prove that the superscale of CE101 on more than 1kVA electronic equipment is greatly reduced in the new power system. It can also decrease the input harmonic current and the harm of the power supply system brought by the electronic equipments. At the same time, it increases the convenience for thermal design, reliability and safety of the system.

electronic equipment, switching power supply, harmonic, EMC

2013年8月2日,

2013年9月30日

宋昕,男,高級(jí)工程師,研究方向:海軍裝備技術(shù)。王廷營,男,工程師,碩士,研究方向:電力電子。

TJ391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.040